礦進(jìn)補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土性能試驗(yàn)研究與工程應(yīng)用.pdf

1、噴射混凝土技術(shù)，是目前地下工程支護(hù)中最有效的支護(hù)方式之一，它不僅可以作為初期支護(hù)確保巷道施工過(guò)程中的安全，也可以與其它支護(hù)構(gòu)件聯(lián)合或單獨(dú)地作為結(jié)構(gòu)物的永久支護(hù)，維護(hù)結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全使用。但噴射普通混凝土存在早期收縮大、脆性大和韌性差、抗?jié)B阻裂效果不好等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)將可能造成巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，降低巷道的使用壽命，同時(shí)也對(duì)煤礦運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全隱患。如何提高支護(hù)材料的力學(xué)性能和抗?jié)B防裂性能，增強(qiáng)支護(hù)體的變形能力和使用壽命是今后支護(hù)

2、材料的發(fā)展方向。
　　 結(jié)合煤礦巷道支護(hù)現(xiàn)狀，應(yīng)用材料復(fù)合技術(shù)，配制出噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土這一新型支護(hù)材料。通過(guò)理論分析、試驗(yàn)研究、數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相結(jié)合的方法對(duì)噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土進(jìn)行系統(tǒng)研究。主要研究工作及成果如下：
　　 (1)從研究水泥、膨脹劑和速凝劑的成份以及作用機(jī)理入手，采用四種不同種類(lèi)的膨脹劑與速凝劑、水泥進(jìn)行水化反應(yīng)，結(jié)合電鏡掃描試驗(yàn)和X衍射試驗(yàn)分析水化反應(yīng)產(chǎn)物的生成、晶體結(jié)構(gòu)和礦物形貌等。試驗(yàn)

3、結(jié)果對(duì)比得出，CSA膨脹劑、速凝劑和硅酸鹽水泥水化3d時(shí)，鈣礬石晶體的衍射峰值較大，鈣礬石生成數(shù)量較多，表明三者之間有較好的適應(yīng)性，同時(shí)有利于噴射混凝土早強(qiáng)的要求。
　　 (2)結(jié)合微觀(guān)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)和錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范要求，采用CSA膨脹劑進(jìn)行混凝土基本力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土強(qiáng)度變化比較明顯，當(dāng)膨脹劑摻量為8％時(shí)，表現(xiàn)出較好的力學(xué)特性；隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土的力學(xué)性能有所提高，鋼纖維摻量在

4、1.0％～1.2％時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度基本不變，抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢；當(dāng)鋼纖維體積摻量為1.0％和膨脹劑摻量為8％時(shí)，補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土達(dá)到最佳力學(xué)效果，顯示出鋼纖維和膨脹劑的復(fù)合增強(qiáng)效應(yīng)。
　　 (3)對(duì)補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土進(jìn)行抗?jié)B和抗裂試驗(yàn)，分析比較普通混凝土和補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土開(kāi)裂情況，得出補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土的防開(kāi)裂效果最好，限裂效能等級(jí)達(dá)到一級(jí)，同時(shí)對(duì)比普通混凝土與補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土的抗?jié)B性能，試驗(yàn)結(jié)果表明，素混

5、凝土的最大平均滲水高度為11.5cm，補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土最大平均滲水高度為4.2cm，比素混凝土減小了63.5％，顯示出補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土抗?jié)B能力明顯優(yōu)于素混凝土。
　　 (4)限制膨脹率是補(bǔ)償收縮混凝土的一個(gè)重要指標(biāo)，通過(guò)限制膨脹率測(cè)試，得出隨著膨脹劑摻量的增加，混凝土早期變形較大；主要膨脹變形量集中在7d-14d之間，膨脹劑摻量為6％時(shí)，14d的膨脹變形為0.00017，膨脹劑摻量為10％時(shí)，14d的膨脹變形達(dá)到0.00

6、028；同時(shí)得出有無(wú)鋼纖維混凝土的限制變形隨著齡期變化規(guī)律基本相同，14d時(shí)，膨脹劑摻量為10％時(shí)，混凝土的變形為0.00025，表明鋼纖維的摻入限制了混凝土的膨脹，降低了各齡期的膨脹變形。
　　 (5)根據(jù)相似理論建立模型的相似準(zhǔn)則，采用素混凝土、鋼纖維混凝土、補(bǔ)償收縮混凝土和補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土四種材料進(jìn)行巷道支護(hù)結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)，分析不同材料對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力的影響、支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍壓作用下的破壞形狀和極限承載力，以及試件破壞時(shí)，

7、支護(hù)結(jié)構(gòu)的裂縫分布和開(kāi)展形式。試驗(yàn)結(jié)果表明，補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)初裂荷載和極限承載力比普通混凝土提高了146％和72％，試件破壞呈現(xiàn)延性破壞。
　　 (6)對(duì)噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中與圍巖相互作用的力學(xué)原理進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述。采用薄殼理論對(duì)噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，推導(dǎo)出該薄殼體的解析解。
　　 (7)采用數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力場(chǎng)和位

8、移場(chǎng)的分布情況；同時(shí)考慮圍巖作用下對(duì)錨噴支護(hù)進(jìn)行平面和三維有限元分析，得出圍巖-支護(hù)結(jié)構(gòu)體系下圍巖的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、塑性區(qū)以及支護(hù)內(nèi)力的分布規(guī)律；三維有限元分析主要探討巷道開(kāi)挖對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響，以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特征。
　　 (8)以朱集煤礦-965水平軌道大巷為依托工程，按照錨網(wǎng)噴支護(hù)原理和技術(shù)要求，采用噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土對(duì)巷道支護(hù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析噴射補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土力學(xué)性能以及鋼纖維分布特性，監(jiān)測(cè)