矿进补偿收缩钢纤维混凝土性能试验研究与工程应用

摘要

喷射混凝土技术，是目前地下工程支护中最有效的支护方式之一，它不仅可以作为初期支护确保巷道施工过程中的安全，也可以与其它支护构件联合或单独地作为结构物的永久支护，维护结构物的长期稳定和安全使用。但喷射普通混凝土存在早期收缩大、脆性大和韧性差、抗渗阻裂效果不好等缺点。这些缺点将可能造成巷道支护结构的破坏，降低巷道的使用寿命，同时也对煤矿运营产生严重的安全隐患。如何提高支护材料的力学性能和抗渗防裂性能，增强支护体的变形能力和使用寿命是今后支护材料的发展方向。
　　 结合煤矿巷道支护现状，应用材料复合技术，配制出喷射补偿收缩钢纤维混凝土这一新型支护材料。通过理论分析、试验研究、数值分析和现场应用相结合的方法对喷射补偿收缩钢纤维混凝土进行系统研究。主要研究工作及成果如下：
　　 (1)从研究水泥、膨胀剂和速凝剂的成份以及作用机理入手，采用四种不同种类的膨胀剂与速凝剂、水泥进行水化反应，结合电镜扫描试验和X衍射试验分析水化反应产物的生成、晶体结构和矿物形貌等。试验结果对比得出，CSA膨胀剂、速凝剂和硅酸盐水泥水化3d时，钙矾石晶体的衍射峰值较大，钙矾石生成数量较多，表明三者之间有较好的适应性，同时有利于喷射混凝土早强的要求。
　　 (2)结合微观结构试验和锚杆喷射混凝土支护技术规范要求，采用CSA膨胀剂进行混凝土基本力学性能试验。结果表明，随着膨胀剂掺量的增加，混凝土强度变化比较明显，当膨胀剂掺量为8％时，表现出较好的力学特性；随着钢纤维掺量的增加，混凝土的力学性能有所提高，钢纤维掺量在1.0％～1.2％时，混凝土的抗压强度基本不变，抗拉强度增长趋势缓慢；当钢纤维体积掺量为1.0％和膨胀剂掺量为8％时，补偿收缩钢纤维混凝土达到最佳力学效果，显示出钢纤维和膨胀剂的复合增强效应。
　　 (3)对补偿收缩钢纤维混凝土进行抗渗和抗裂试验，分析比较普通混凝土和补偿收缩钢纤维混凝土开裂情况，得出补偿收缩钢纤维混凝土的防开裂效果最好，限裂效能等级达到一级，同时对比普通混凝土与补偿收缩钢纤维混凝土的抗渗性能，试验结果表明，素混凝土的最大平均渗水高度为11.5cm，补偿收缩钢纤维混凝土最大平均渗水高度为4.2cm，比素混凝土减小了63.5％，显示出补偿收缩钢纤维混凝土抗渗能力明显优于素混凝土。
　　 (4)限制膨胀率是补偿收缩混凝土的一个重要指标，通过限制膨胀率测试，得出随着膨胀剂掺量的增加，混凝土早期变形较大；主要膨胀变形量集中在7d-14d之间，膨胀剂掺量为6％时，14d的膨胀变形为0.00017，膨胀剂掺量为10％时，14d的膨胀变形达到0.00028；同时得出有无钢纤维混凝土的限制变形随着龄期变化规律基本相同，14d时，膨胀剂掺量为10％时，混凝土的变形为0.00025，表明钢纤维的掺入限制了混凝土的膨胀，降低了各龄期的膨胀变形。
　　 (5)根据相似理论建立模型的相似准则，采用素混凝土、钢纤维混凝土、补偿收缩混凝土和补偿收缩钢纤维混凝土四种材料进行巷道支护结构的模型试验，分析不同材料对支护结构承载力的影响、支护结构在围压作用下的破坏形状和极限承载力，以及试件破坏时，支护结构的裂缝分布和开展形式。试验结果表明，补偿收缩钢纤维混凝土支护结构初裂荷载和极限承载力比普通混凝土提高了146％和72％，试件破坏呈现延性破坏。
　　 (6)对喷射补偿收缩钢纤维混凝土支护结构在工作过程中与围岩相互作用的力学原理进行了系统的阐述。采用薄壳理论对喷射混凝土支护结构进行简化计算，推导出该薄壳体的解析解。
　　 (7)采用数值计算软件对喷射补偿收缩钢纤维混凝土支护结构进行有限元分析，分析支护结构应力场和位移场的分布情况；同时考虑围岩作用下对锚喷支护进行平面和三维有限元分析，得出围岩-支护结构体系下围岩的应力场、位移场、塑性区以及支护内力的分布规律；三维有限元分析主要探讨巷道开挖对围岩稳定性的影响，以及支护结构的受力特征。
　　 (8)以朱集煤矿-965水平轨道大巷为依托工程，按照锚网喷支护原理和技术要求，采用喷射补偿收缩钢纤维混凝土对巷道支护进行现场应用，通过现场测试，分析喷射补偿收缩钢纤维混凝土力学性能以及钢纤维分布特性，监测巷道围岩的变形，对比分析补偿收缩钢纤维混凝土与素混凝土支护材料对围岩变形控制情况，初步形成喷射补偿收缩钢纤维混凝土施工和监测技术，便于今后推广和应用该种新型抗渗防裂支护材料。