矿井预拌料混凝土微观结构和力学性能研究及应用

摘要

矿山井巷喷射混凝土的人工现场拌料施工，存在原材料计量不准确、混凝土质量差、粉尘浓度大等问题。针对这一现状，提出了预拌干料和预拌料混凝土技术。预拌干料是指将水泥、砂子和石子等混凝土原材料，按照设计配合比拌合均匀、干燥贮存的散装混合料。预拌料混凝土是在预拌干料中加入水和外加剂，硬化后形成的一种混凝土。预拌料混凝土具有准确的配合比、良好的混凝土质量、较低的粉尘浓度等诸多优点。但预拌干料中的砂子含有的极少量水，与水泥发生水化反应，劣化了原材料性能，对预拌料混凝土性能产生影响。
　　结合教育部博士点基金优先发展领域课题“预拌喷射补偿收缩混凝土微观结构与力学特性研究”，采用理论分析、室内试验和现场试验相结合的方法，对砂子含水率分别为0％、0.5％、1.0％、1.5％、2.0％和贮存期分别为0d、3d、7d、10d、15d、20 d、30d的预拌干料和预拌料混凝土的微观结构进行分析，揭示微观结构对预拌料混凝土抗压强度、孔隙率等的影响机理。主要研究结论如下。
　　(1)预拌干料和预拌料混凝土的微观分析表明，砂子含水率越高、贮存期越长，预拌干料中失效的水泥量越多，原材料性能劣化越严重，混凝土微观结构越疏松。当预拌干料的砂子含水率在1.0％以下、贮存期在15 d以内时，预拌干料的水化产物和微观结构变化较小、材料性能劣化程度低，预拌料混凝土的微观结构密实;当预拌干料的砂子含水率在1.5％以上时，贮存期的增加导致预拌干料中失效的水泥数量增多、材料性能劣化加剧。
　　(2)预拌料混凝土抗压强度试验表明，预拌干料的砂子含水率小于1.0％、贮存期在15d以内时，水胶比为0.45的预拌料混凝土强度损失率不超过8.64％，抗压强度达到42.3 MPa，满足要求;当砂子含水率增加到1.5％以上时，贮存期对预拌料混凝土强度的影响较大。结果表明，砂子含水率为1.0％的预拌干料有效贮存期为15d。
　　(3)建立了不同砂子含水率和贮存期条件下的预拌料混凝土抗压强度与孔隙率之间的定量关系。预拌干料的砂子含水率越小、贮存期越短，预拌料混凝土孔隙数量越少、孔径越小、微观结构越密实，预拌料混凝土的抗压强度越高。随预拌干料贮存期延长，砂子含水率在1.0％以下时，预拌料混凝土孔隙率增加较慢，对混凝土的强度影响较小;而砂子含水率为1.5％和2.0％时，预拌料混凝土孔隙率增加相对较快，对混凝土的强度影响较大。
　　(4)通过分析，得出预拌干料的砂子含水率和贮存期对预拌料混凝土强度的影响机理。预拌干料的砂子含水率和贮存期对预拌干料的水化程度产生影响，水化程度高时，预拌干料水化消耗的水泥量多，导致后期混凝土中水泥数量减少，同时，密实的预拌干料水化产物包裹部分水泥颗粒，阻止或延缓了这部分水泥在混凝土中继续水化;水化程度低时，预拌干料中的水化产物疏松，这些疏松的微观结构在混凝土中很难水化密实，成为预拌料混凝土的薄弱环节。预拌干料的水泥水化程度越高，失效水泥量越多，预拌干料性能劣化越严重，预拌料混凝土强度降低越多。
　　(5)工程应用表明，预拌料喷射混凝土具有良好的力学性能、较好的变形性能、较小的回弹率和较低的粉尘浓度。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究目的与研究内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．4 研究方法与技术路线

1．4．1 研究方法

1．4．2 技术路线

2 预拌干料微观结构分析

2．1 概述

2．2 试验材料的选择

2．2．1 原材料的质量要求

2．2．2 试验选用材料

2．3 预拌干料的制备

2．3．1 配合比选择

2．3．2 预拌干料的制作与贮存

2．4 水泥的水化反应

2．5 扫描电镜的选择

2．6 预拌干料的微观结构与分析

2．6．1 干燥水泥和砂子的微观结构

2．6．2 预拌干料的微观结构

2．6．3 砂子含水率和贮存期对预拌干料微观结构的影响

2．7 本章小结

3 预拌料混凝土抗压强度试验与分析

3．1 概述

3．2 混凝土抗压强度试验

3．2．1 试验准备

3．2．2 试验结果

3．3 试验结果分析

3．3．1 破坏形态

3．3．2 贮存期的影响

3．3．3 砂子含水率的影响

3．3．4 水胶比的影响

3．3．5 抗压强度损失率

3．4 本章小结

4 预拌料混凝土微观结构及其对抗压强度的影响机理

4．1 概述

4．2 混凝土的界面过渡区

4．3 预拌料混凝土的微观结构

4．3．1 现拌料混凝土微观结构

4．3．2 预拌料混凝土微观结构

4．4 微观结构对预拌料混凝土抗压强度的影响分析

4．4．1 混凝土的强度增长

4．4．2 微观结构对抗压强度的影响

4．4．3 预拌干料砂子含水率和贮存期的选择

4．5 本章小结

5 预拌料混凝土的孔隙试验与分析

5．1 概述

5．2 孔隙率试验方法

5．2．1 试验准备

5．2．2 孔隙率的测试方法

5．3 预拌料混凝土的孔隙率

5．3．1 试验结果

5．3．2 试验结果分析

5．4 预拌料混凝土的孔隙率与强度

5．5 预拌料混凝土孔隙微观形貌

5．5．1 微观形貌

5．5．2 微观形貌分析

5．6 孔隙对混凝土抗压强度的影响

5．7 本章小结

6 预拌料喷射混凝土工程应用

6．1 巷道概况

6．2 喷射混凝土支护的基本理论

6．3 预拌干料的选择

6．4 预拌料喷射混凝土性能

6．4．1 混凝土的回弹率

6．4．2 基本力学性能

6．4．3 巷道喷射混凝土应变

6．5 喷射混凝土粉尘

6．5．1 粉尘的种类和性质

6．5．2 喷射混凝土的粉尘

6．6 喷射混凝土粉尘浓度现场监测

6．6．1 测点布置

6．6．2 粉尘浓度控制标准

6．6．3 喷射混凝土降低粉尘浓度的技术

6．6．4 测尘原理与仪器

6．6．5 粉尘浓度测试与分析

6．7 本章小结

7 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果