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巷道湿喷支护喷层强度演化的温度效应与应用研究

章雨豪, 任腊春, 姚鹏, 姜德义, 刘威

章雨豪,任腊春,姚 鹏,等. 巷道湿喷支护喷层强度演化的温度效应与应用研究[J]. 煤炭科学技术,2025,53(S1):57−68. DOI: 10.12438/cst.2024-0118
引用本文: 章雨豪,任腊春,姚 鹏,等. 巷道湿喷支护喷层强度演化的温度效应与应用研究[J]. 煤炭科学技术,2025,53(S1):57−68. DOI: 10.12438/cst.2024-0118
ZHANG Yuhao,REN Lachun,YAO Peng,et al. Research on temperature effect and application of strength evolution of spray layer of wet spraying support of roadway[J]. Coal Science and Technology,2025,53(S1):57−68. DOI: 10.12438/cst.2024-0118
Citation: ZHANG Yuhao,REN Lachun,YAO Peng,et al. Research on temperature effect and application of strength evolution of spray layer of wet spraying support of roadway[J]. Coal Science and Technology,2025,53(S1):57−68. DOI: 10.12438/cst.2024-0118

巷道湿喷支护喷层强度演化的温度效应与应用研究

基金项目: 自然科学基金重点资助项目(NO.51834003)
详细信息
    作者简介:

    章雨豪: (1994—),男,江西新余人,工程师,硕士。Tel:18022857474,E-mail:sdkjdxzyh@163.com

  • 中图分类号: X936; TD353

Research on temperature effect and application of strength evolution of spray layer of wet spraying support of roadway

  • 摘要:

    寒区环境下岩土工程安全高度依赖支护结构的稳定性。湿喷混凝土因具有回弹低、喷层强度高等优势,被逐渐应用于破碎围岩巷道支护中。但目前工程实践中,温度效应的影响并未被充分考虑,为探究寒区矿山巷道支护中,温度对湿喷混凝土喷层强度演化规律的影响,针对寒冷环境下某矿山湿喷混凝土技术应用过程中出现的喷层厚度小、强度低、易开裂等问题,开展基于温度的湿喷混凝土喷层强度演化规律影响因素研究,并采用扫描电子显微镜观察分析湿喷混凝土硬化浆料的微观形貌与结构,以及应用XRD分析湿喷混凝土不同温度和龄期下的水化反应产物种类。发现寒区湿喷混凝土巷道支护喷层强度演化具有明显的温度效应。0 ~ 20 ℃温度范围内,养护温度低于10 ℃时,湿喷混凝土试件抗压强度随温度的升高演化较快,尤其当温度较低(0℃左右)时观察微观结构表面疏松多孔,孔隙、裂缝较多;养护温度高于15 ℃时,湿喷混凝土试件抗压强度随温度的升高演化放缓,但微观结构逐渐致密,结构更加密实;温度通过影响湿喷混凝土水化反应,进而影响其微观结构;湿喷混凝土微观结构中初始孔隙裂隙和骨料过渡区界面强度,直接影响湿喷混凝土宏观力学性能。根据室内试验研究成果,综合现场工程应用成效,提出针对寒冷环境下的湿喷混凝土支护的优化措施,措施有效提升了喷层结构强度,工程应用显示,改进后28 d湿喷混凝土喷层强度由19.5 MPa提升至 32.9 MPa,提高约40%,喷层表面致密、光滑,湿喷混凝土生产能力提高约25%,研究取得了良好的施工效果,也为类似工程条件下湿喷混凝土施工提供参考。

    Abstract:

    The safety of geotechnical engineering in the cold zone environment is highly dependent on the stability of the supporting structure. Wet-sprayed concrete has been gradually applied to the support of roadways with broken peripheral rocks because of its advantages of low rebound and the high strength of the sprayed layer. However, the influence of the temperature effect is not fully considered in current engineering practice. In order to explore the influence of temperature on the evolution of the strength of the wet-sprayed concrete spray layer in the roadway support of mines in cold areas, the evolution of the strength of the wet-sprayed concrete spray layer in a mine in a cold environment. For the cold environment of a mine wet spray concrete technology application process, spray layer thickness is small, low strength, easy to crack, and other phenomena, respectively, to carry out the temperature on the wet spray concrete spray layer strength development factors. Scanning electron microscope observation was used to analyze the micro-structure of wet-sprayed concrete hardened slurry. As well as the application of XRD to analyze the hydration reaction products of wet-sprayed concrete at different temperatures and ages. It was found that the strength evolution of the spray layer of wet sprayed concrete roadway support in a cold area has an obvious temperature effect. In the temperature range of 0 ~ 20 °C, when the curing temperature is lower than 10 °C, the compressive strength of the spray layer develops faster with the increase in temperature. Especially when the temperature is low (0 ℃ or so) to observe the micro-structure of the surface of the loose porous pore, cracks more; When the maintenance temperature is higher than 15 ℃, the development of spray layer compressive strength slows down with the increase in temperature, but the micro-structure is gradually dense and the structure is more compact. The temperature affects the hydration reaction of wet-sprayed concrete through the influence of the micro-structure, the initial pore cleavage in the micro-structure of the wet-sprayed concrete and the interface strength of the transition zone of the aggregate, which directly affects the macroscopic mechanical properties of wet-sprayed concrete. According to the results of indoor experiments and the effectiveness of field engineering application, the optimization measures for wet-sprayed concrete support in a cold environment are proposed, which can effectively improve the strength of the sprayed layer structure. The engineering application shows that the strength of the sprayed layer of wet-sprayed concrete in 28 days after the improvement is increased from 19.5 MPa to 32.9 MPa, which is improved by about 40%, the surface of the sprayed layer is dense and smooth, and the production capacity of the sprayed layer of wet-sprayed concrete is increased by about 25%. The research conducted favorable outcomes in construction and served as an example for the implementation of wet-sprayed concrete in projects involving comparable engineering conditions.

  • 随着全球铁路隧道、地下工程、水利水电工程等领域的快速发展,喷射混凝土技术已成为岩土工程围岩稳定性控制的主要技术[1-5]。目前,湿喷混凝土作为一种先进的围岩支护技术,在矿业工程领域已被广泛应用于破碎岩体巷道支护。湿喷混凝土喷层可完全覆盖岩石表面,锁定岩石碎片,有效减少岩石运动,防止开挖周围松动,并有效提高巷道围岩整体稳定性[6-8]。近年来,湿喷混凝土技术作为巷道有效的支护手段,以其易成型、耐久性好、能耗低、价格低廉等特点,在矿山破碎岩体巷道支护中得到了飞速的发展[9]。统计数据显示,寒冷地区资源储量占我国资源总储量的半数以上,随着资源需求的不断增长,矿产资源开发也不可避免向这些储量更为丰富的寒冷地区发展,但在温度较低的环境,尤其是在寒冷环境下施工,水泥基材料的宏观或工程性能会受到环境温度等因素的影响,制约着湿喷混凝土技术的推广与应用,主要问题体现在喷层厚度小、强度发展缓慢、喷层易开裂等方面,最终导致支护效果差、施工效率低、返修率高、支护成本增加等问题[10-13]

    吴中伟[14-15]早在1988年提出混凝土材料的研究应该从宏观表征至微观结构、由整体至局部的研究思路,也指出混凝土材料所面临的2个主要问题:可持续发展问题和可知性问题。国内外众多学者的研究中,THOMAS[16]研究了温度对混凝土强度的影响,结果表明,当温度低于10℃时,温度的改变会对混凝土强度带来巨大影响。MALMGREN[17]等通过试验研究了湿喷混凝土常见的开裂及收缩现象,发现岩石与喷射混凝土界面处的收缩裂纹是致使其开裂的主要原因。HUSEM[18]等采用试验研究了养护温度(10、5、0、−5℃)对混凝土抗压强度的影响,发现养护温度与混凝土抗压强度呈正相关关系。GALLUCCI等[19]在高于和低于常温的温度下使用多种分析技术,研究了温度对水合硅酸钙(C−S−H)微观结构的影响。韩斌等[20]在锦丰金矿破碎岩体巷道支护研究中,成功引入湿喷技术并取得良好效果。吴爱祥等[21]通过对不同养护温度下不同龄期混凝土试块强度测试及表面特征的SEM对比分析,发现低温与不合理的纤维掺量是导致支护效果不佳的主要问题所在。姚松等[22]研究了混凝土料浆温度和养护温度对湿喷混凝土强度发展的作用机理。孙伟等[23]利用SEM对湿喷混凝土微观形貌进行了观察分析,并且系统地研究了温度、水泥用量及水灰比对喷层强度发展的影响规律,发现温度是影响湿喷混凝土强度的关键因素。赵金田等[24]为了解决板庙子金矿区中的喷浆体开裂、巷道变形以及片帮失稳等一系列问题,进行了湿喷混凝土取代干喷混凝土,并配合使用树脂锚杆对不良岩体巷道围岩实施联合支护的试验研究,取得显著的经济效益和技术突破。严健等[25]通过采取通风升温以及现场临时保温等措施,在高海拔寒区特长隧道中,实现了对主洞洞口端300 m低温围岩从−6 ℃升高到5 ℃的升温效果。

    可以看出,现有湿喷混凝土研究取得了大量的研究成果,但仍缺乏温度与影响湿喷混凝土强度演化规律的诸多影响因素(微观、宏观及工程应用等)之间的综合研究。因此,在众学者研究的基础上,为进一步探究温度与湿喷混凝土强度发展之间的关系,研究从湿喷混凝土硬化水泥浆体微观形貌与结构、浆体水化反应产物等层面来验证和解释湿喷混凝土支护喷层的宏观力学性能。矿山作业环境相较隧道更复杂、影响因素更多,施工中物料的选择、施工工艺、进场机械设备等也存在巨大差别。湿喷混凝土技术在矿山破碎岩体巷道支护领域应用中,常作为永久支护的手段,但起步相对较晚且研究也相对较少,在寒冷环境下施工,常出现井筒、巷道结冰,地表管道开裂的现象,井下低温环境会对湿喷混凝土作业产生重大影响,因此,从微观的角度研究温度对湿喷混凝土微观形貌与结构、水化产物种类与宏观力学特性之间的影响规律,改进寒冷矿区湿喷混凝土支护工艺,对于寒冷矿区采矿工程的发展具有重要意义。

    以寒冷环境下的某矿山为研究对象,针对支护过程中出现的喷层强度低、易开裂、落浆等宏观现象,采用湿喷混凝土硬化水泥浆体宏观力学性能与微观结构相结合的研究思路,观察分析湿喷混凝土微观结构密实与疏松程度、微裂隙孔隙发育情况等,以进行相关性研究,试验采用SEM对比观察硬化混凝土水泥浆体微观形貌与结构,通过XRD技术确定不同温度与养护龄期下水化产物的成分及种类。从微观角度探究温度对湿喷混凝土强度发展的影响规律。在研究成果的基础上,开展现场喷射试验,并根据现场实际情况,提出最优配比及施工质量控制措施,研究成果一方面可为该矿山湿喷混凝土巷道支护提供理论支撑,另一方面也为寒冷环境下湿喷混凝土技术在类似矿山破碎巷道岩体支护的推广应用提供参考。

    该矿区海拔36004500 m,属寒温带气候,气候寒冷,气温监测数据显示,该矿区最高月均气温10℃左右,最低月均气温−8℃左右,年均气温4℃左右,2022年矿区的温度变化如图1所示。矿山井下测温记录资料显示,巷道内温度常年维持在0 ~ 20℃,一年中约9个月温度在0~10℃,为开展寒区巷道湿喷支护喷层强度演化研究中温度的设置提供了基础依据。

    图  1  2022年矿区温度变化
    Figure  1.  Temperature variation of mining area in 2022

    该矿区地层岩性单一且以硬质岩石为主,局部破碎带较发育,岩石破碎程度较高,多为块状结构,矿山工程地质属于中等复杂程度。为有效解决破碎岩体巷道有效支护问题,该矿较早引入湿喷混凝土技术,混凝土支护强度确定为C25。但受季节的影响,井下温度变化很大,致使井下巷道湿喷混凝土支护喷层强度不稳定,特别是在冬季寒冷季节,湿喷混凝土喷层强度难以满足工程要求,喷层强度不合格、脱落、开裂、落浆等现象时有发生。巷道湿喷混凝土支护现状如图2所示。

    图  2  巷道湿喷混凝土支护现状
    Figure  2.  Current situation of wet-sprayed concrete support

    笔者应用鱼骨图分析方法,从人员、环境、材料、机械、方法及监测6个方面分析了影响该矿湿喷混凝土的因素,全面掌握问题出现的主要原因[26]。分析表明,寒冷的施工作业与养护环境是导致该矿湿喷混凝土出现强度低、支护效果不佳的本质原因,温度变化是影响湿喷混凝土巷道围岩支护的关键因素之一。

    试验采用现场搅拌站生产的机制砂(10 mm以下),试验室内模拟现场低温环境。砂料的表观密度为2400 kg/m3,细度模数为2.7,粒径分布如图3所示,砂石中5 mm以下粒径的颗粒含量为85%,0.15 mm以下粒径的颗粒含量为16%,含泥量偏高,水泥选用P.O 42.5级普通硅酸盐水泥。

    图  3  骨料级配饼状分布图
    Figure  3.  Aggregate gradation pie Chart

    为了探究基于温度影响条件下的湿喷混凝土强度演化规律,开展不同养护温度、不同水灰比对湿喷混凝土硬化水泥浆体宏观强度的影响试验,同时从微观的角度出发,分析温度对湿喷混凝土微观形貌与结构、水化产物种类等影响,探究湿喷混凝土硬化水泥浆体宏观性能与微观形貌之间的相互影响规律。室内模拟巷道施工现场的寒冷环境,参考全年矿山井下巷道温度统计数据,确定试验养护温度为0 ~ 20 ℃,湿喷混凝土试件养护龄期为3、7、28 d。在满足坍落度值与强度的基础上,开展湿喷混凝土配比优化实验,试验中湿喷混凝土设计强度等级为C25,塌落度为12~15 cm,从水灰比0.40~0.48范围内经大量的坍落度试配实验,选择满足湿喷条件的水灰比,如图4所示。最终确定满足湿喷混凝土喷射要求的坍落度水灰比分别为0.42,0.43,0.44,为了研究需要,进一步探索温度与水灰比之间的影响关系,增加0.425与0.435水灰比试件,由于该试件在实验室研究尺度下较难精确配制,且误差较大,考虑到细分是为了探究水灰比的影响规律,因此,为了研究需要,该批试件在矿山现场搅拌站进行大量拌制,泵出的湿喷混凝土用于试验段巷道的喷射支护,取部分料浆现场浇筑养护后运送至室内实验室开展试验,同时使用SEM对试样微观形貌进行观察,使用XRD技术分析样品的组分。

    图  4  试件浇筑与养护
    Figure  4.  Slump measurement and specimen curing

    根据优化后湿喷混凝土的配合比,将配料倒入搅拌机中均匀搅拌5 min,然后将拌制后的料浆浇筑在100 mm × 100 mm × 100 mm的立方体模具中,于室温下养护24 h后送入可程式高低温循环养护箱内,分别养护3,7,28 d,养护完成后使用MTS 815岩石力学试验系统测试其强度。如图5所示,每个龄期待测试件浇筑3块,共浇筑立方体试件180块,试验方案见表1。抗压强度试验结果取平均值,同时选择芯部混凝土制备样品,剔除其中碎石,浸泡在无水乙醇中3 d以终止水化反应,置于60 ± 5 ℃干燥箱中烘干24 h,最后装入密封袋中准备后续检测,采用扫描电子显微镜观察试样微观形貌与结构,并应用XRD技术分析湿喷混凝土硬化水泥浆体水化产物的种类。

    图  5  抗压强度试验
    Figure  5.  Schematic of compressive strength test
    表  1  温度对湿喷混凝土强度影响实验方案
    Table  1.  Experimental scheme for effect of temperature on strength of wet shotcrete
    养护温度/℃ 养护龄期/d 水灰比(W/C) 料浆质量浓度/(Kg·m−3 减水剂质量浓度/(Kg·m−3
    0、10、15、20 3、7、28 0.42、0.425、0.43、0.435、0.44 2400 2.0
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    混凝土试件在不同温度的养护箱内养护至预定龄期后,使用MTS 815岩石力学试验系统测定其单轴抗压强度,为减少误差影响,取测试结果的平均值作为该组试样的强度值。

    养护温度与抗压强度关系趋势图如图6所示。试验结果表明,不同水灰比的湿喷混凝土试件抗压强度,在3、7、28 d养护龄期下,均随着温度的升高而不断增大。具体分析如下:

    图  6  养护温度与抗压强度关系趋势
    Figure  6.  Trend of relationship between curing temperature and compressive strength

    1)各水灰比下,试样的抗压强度均随养护龄期和温度的升高而显著提高,其中0.42水灰比下的试件养护温度从0 ℃升高到10 ℃时,3、7、28 d龄期的湿喷混凝土强度分别从12.9 MPa增至25.13 MPa、15.98 MPa增至29.65 MPa、17.72 MPa增至42.59 MPa,分别增大了48.67%、46.11%、58.39%。

    2)随着养护温度的升高,试件在3、7、28 d单轴抗压强度不断增加,其中,水灰比为0.42、0.43、0.44的试件在0~10 ℃温度下养护7 d,抗压强度涨幅分别为85.54%、89.46%、112.60%;15 ~20 ℃温度下养护7 d,抗压强度涨幅分别为19.79%、6.10%、5.40%,可以看到,0 ~ 20 ℃温度范围内,当养护温度低于10 ℃时,试件抗压强度随温度的升高发展较快,当温度大于15 ℃时,试件抗压强度随温度的升高发展速率放缓。

    3)水灰比为0.42的试件,在7 d养护龄期下强度分别为:15.98、29.65、29.56、35.41 MPa,28 d养护龄期湿喷混凝土强度分别为:17.72、42.59、43.68、46.85 MPa,涨幅分别为10.89%、43.64%、47.77%、32.31%。由此可知,当湿喷混凝土养护环境温度低于10 ℃时,养护温度对湿喷混凝土早期强度有明显影响;当湿喷混凝土养护环境温度高于15 ℃时,养护温度的升高更有利于湿喷混凝土后期强度的增长,0.43、0.44水灰比试件同样符合此规律。

    同一配比下,养护温度显著影响着湿喷混凝土的强度发展,除了0 ℃ 以外 (28 d养护龄期下最高抗压强度值为19.19 MPa),10、15、20 ℃养护温度下,达到预定养护龄期后湿喷混凝土平均单轴抗压强度均能达到设计要求(≥ C25)。

    水灰比影响着湿喷混凝土浆体的水化反应速率,对硬化湿喷混凝土浆体的结构产生重要的影响。图7为不同养护温度下水灰比与抗压强度之间的试验结果。

    图  7  水灰比(W/C)与抗压强度关系
    Figure  7.  Relationship curves between W/C and compressive strength

    试验结果可以看出:

    1)相同养护温度下,湿喷混凝土3、7、28 d抗压强度,总体上随着水灰比的增加呈下降趋势。

    试验中还发现,本次试验得出的湿喷混凝土水灰比与抗压强度的关系曲线,与HUSEM,吴爱祥等[18,23]学者在此方面的研究得到的,随着水灰比的增加,抗压强度呈现下降趋势的实验结果略有不同,如本实验中在0、15 ℃养护温度下,湿喷混凝土水灰比由0.42增至0.43时,3、7 d养护龄期下,抗压强度首先出现增大的现象,尤其是在0 ℃的养护温度下,但当水灰比进一步增大到0.44时,抗压强度均出现显著的下降,这说明湿喷混凝土在水灰比0.42与0.44之间,水泥掺量对于抗压强度的影响存在阈值,同时在低温环境下,存在大量的水泥固体颗粒未水化的因素,为了探究原因,采用扫描电子显微镜观察其微观形貌与结构,以进一步观察分析;

    2)在相同的养护温度下,随着水灰比(W/C)由0.43增加到0.44时,湿喷混凝土的抗压强度值发生显著变化。

    湿喷混凝土是固−液−气三相共存、非均质的多相体系,也是固−液−气三相共存的多孔体[27]。在影响湿喷混凝土微观结构的诸多因素中,水泥水化反应程度起关键作用。水泥的水化反应程度决定着湿喷混凝土的微观形貌与结构。温度、水灰比对湿喷混凝土强度的改变,在本质上是通过影响湿喷混凝土中水泥的水化反应引起微观结构特征改变进而影响其强度[28]。混凝土性能研究的热点一直是硬化水泥浆体固相微观结构与宏观特性之间的相互影响关系,从化学组成的角度分析研究硬化混凝土至关重要[29],试验围绕温度对湿喷混凝土强度特性影响,从宏观、粗观、微观3个层次开展研究,并补充水化产物种类的分析,研究使用扫描电子显微镜观察湿喷混凝土硬化水泥浆体的微观形貌与结构,应用XRD分析硬化水泥浆体的水化产物,通过分析不同温度下湿喷混凝土硬化浆料的微观形貌与结构以及水化反应产物种类,进一步解释温度对湿喷混凝土影响的主要原因。

    湿喷混凝土微观结构的优劣与其早期宏观力学强度特征密不可分[30]。几组典型的扫描图形如图8所示,不同水灰比下湿喷混凝土硬化水泥浆体在微观形貌与结构上明显存在较大差异,随着温度的提高、养护龄期的增加,混凝土微观结构中孔隙逐渐减少,质地更加密实,水泥浆体与砂料之间包裹更好,黏结程度更高。图8a、图8b是0.42水灰比、7 d龄期湿喷混凝土微观形貌,水泥水化反应速率受温度影响明显,低温条件下水化反应缓慢,随着温度的升高,水化反应加快,湿喷混凝土微观结构中的孔隙裂隙呈减少趋势,并在宏观层面上表现为强度的增大,砂料与水泥浆体间的结合程度提高,结构更加完善,这表明温度是决定湿喷混凝土微观形貌与结构的一个重要因素。图8a、图8c图8e可以看出在0 ℃时,随着水灰比的提高,硬化浆体中微裂隙、孔隙发育出现大孔的概率增加,并存在大量未发生水化反应的水泥固体颗粒,砂石骨料颗粒仅在局部被初始水化产物钙钒石(Ettringite)包裹,水灰比增大至0.44时,水泥浆体包裹性变的很差,骨料与水化产物间存在大量孔隙。随着养护温度的升高,水泥水化程度显著提高,微观结构更加密实,但依然存在大量微裂缝,此时随着养护时间的增加,水泥水化程度进一步加深,硬化湿喷混凝土浆体内部的微裂缝、孔隙度等不断减少。因此,可以得出结论,温度影响着湿喷混凝土水泥水化反应效率,随着湿喷混凝土养护温度、龄期的增加,湿喷混凝土微观结构会更加完善,孔隙裂隙逐渐减小,密实度增加,最终表现为宏观强度的增大。

    图  8  湿喷混凝土水化产物界面
    Figure  8.  Interface of hydration products of wet sprayed concrete

    研究发现,粗集料颗粒与水泥浆体之间存在的界面过渡区是影响混凝土强度的决定因素,通常,界面过渡区是混凝土最薄弱的区域,因为该区域应力水平远低于集料及水化产物本身[31-34]。此区域易出现初始裂纹,即使在能量不是很高的情况下也会促使裂隙发育,谢松平,李胜林,朱伯芳等[35-37]的研究证明,在达到混凝土极限强度50%之后,施加单位应力即可使得混凝土产生较大的应变增量。在界面过渡区的发展过程中,板状氢氧化钙晶体会倾向于形成定向层,这将有利于孔隙及裂缝的发育,也就导致了界面过渡区的强度低于水泥浆体。因此,混凝土的强度与界面过渡区的性能息息相关。

    湿喷混凝土硬化后主要由C−H−S凝胶、集料、间隙水组成,混凝土中骨料与水泥、砂石之间的界面过渡区如图9所示,凝胶并不均匀,或致密或疏松,尤其是在交界区域。图10中可以观察发现到少量的C−H完整晶体定向排列现象,AFt与C−H粗大晶体富集在界面区。钙钒石和石膏等晶体的生成与富集,很易引起硫酸盐侵蚀破坏,由于Ca(OH)2、钙钒石富集与取向的形成,钙钒石晶体形成与析出时均伴随膨胀压力的产生,致使湿喷混凝土开裂破坏;硫酸盐与水泥水化反应生成石膏,同时该过程中C−H的消耗最终导致混凝土强度的损失以及耐久性的下降,通常这种损伤开始于混凝土表面,之后沿着裂缝发展、剥落,损伤累积最终使得混凝土变成一种易碎,甚至松散的状态,最终导致上覆喷层出现脱落等现象。研究发现增大混凝土密实度,降低Ca(OH)2的含量,混凝土抗硫酸盐侵蚀的能力越强[38]

    图  9  界面过渡区微观形貌
    Figure  9.  Micro-structure of the interface transition
    图  10  砂石与水化产物的界面
    Figure  10.  Interface of sand and hydration products

    综上可知,温度是影响湿喷混凝土微观形貌与结构的关键因素之一,因此有必要在施工中保证作业环境温度在10 ℃以上,为湿喷混凝土的水化反应创造良好条件;水灰比对湿喷混凝土界面过渡区的性能影响很大,水灰比的降低将使得湿喷混凝土骨料与砂浆之间的界面过渡区更加密实,同时水泥砂浆硬化后与骨料间界面的孔隙与裂隙数量也将随之减少,可以看出水灰比对湿喷混凝土的孔隙结构有着直接影响,这些孔隙在混凝土中形成网络分布,并且在早期易受到温度变化的影响,孔隙对混凝土的宏观力学特性有着重要的影响,降低水灰比在一定程度上对界面过渡区性能具有一定的改善作用。

    在0 ℃、3 d养护龄期下,SEM得到的不同养护温度下硬化湿喷混凝土浆体的微观形貌图,探究水泥掺量与温度对湿喷混凝土强度的影响,如图11所示。

    图  11  3 d养护龄期下不同水灰比试件微观形貌
    Figure  11.  Micro-morphology of different W/C specimens at 3 days

    首先,当水灰比由0.42变为0.43时,水泥掺量由430 Kg/m3增加到460 Kg/m3,水泥增量为30 Kg/m3,抗压强度由12.9 MPa增长至13.67 MPa,强度增加约6%,但当水灰比由0.43变为0.44,水泥掺量由460 Kg/m3增加到475 Kg/m3,抗压强度由13.67 MPa,减少到9.47 MPa,强度降低约30.7%,说明湿喷混凝土水泥掺量存在阈值,在一定范围内,水泥掺量与抗压强度呈正相关关系,超过阈值后,随水泥掺量的增加抗压强度不再提高,甚至出现下降。

    扫描电镜下观察不同水灰比下硬化湿喷混凝土浆体的微观形貌,发现低温养护环境下,水泥水化产物的体积随着水泥掺量的增加而增加,湿喷混凝土微观结构更加致密,结构更加完善,原生微孔隙、裂隙减少,当水灰比增加时,虽然水泥掺量也随之增加,但是在电子显微镜下可以发现,湿喷混凝土微观结构中存在许多原生微孔隙、微裂隙发育,钙钒石富集在过渡区,同时发现,混凝土表面存在大量未水化的水泥固体颗粒,这可能是水泥掺量增加对结构整体抗压强度增加的很小甚至产生负作用的根本原因。

    采用X射线衍射线手段分析湿喷混凝土中水化反应后主要晶相物质的组成情况以及湿喷混凝土在不同温度条件下的水化产物,确定不同因素对水泥水化过程和水化产物的影响规律[40-41]。选取0.42水灰比试件,对不同水灰比及不同龄期下的XRD图谱进行分析,如图12所示,硬化水泥浆体内水化产物为钙矾石(AFt)、石膏(Ca(OH)2)、碳酸钙(CaCO3)等。从图12a—图12c可知,在相同的温度及水灰比下,碳酸钙、钙矾石含量随养护龄期的增加而不断提高,尤其是碳酸钙衍射峰值显著升高,而石膏、硫酸钙成分则随着时间的推移逐渐降低。说明水化反应过程中出现了碳化反应,水泥砂浆中的Ca(OH)2与CO2反应生成CaCO3,并且增加了固体的体积,钙矾石及石膏晶体形成过程中伴随着体积膨胀,使试件表面出现微裂缝。结果表明:随着湿喷混凝土养护龄期的增加,湿喷混凝土中水化产物的含量不断发生变化,SEM显示微观结构更致密、胶结程度更好,从而导致强度的增大。

    图  12  0℃养护温度下不同期龄混凝土试件XRD图谱
    Figure  12.  XRD graph of concrete specimens of different ages at curing temperature of 0℃

    为了研究同一配比混凝土试件在不同温度下早期水化反应产物种类,对水灰比为0.42,养护期龄为3 d,分别在养护温度为0、15和20 ℃下的试件,进行X射线衍射试验,衍射图谱如图13所示,从图中可以看出,随着养护温度的升高,试件中碳酸钙的衍射波峰显著升高,而石膏的波峰下降明显,硫酸钙的含量也有所降低,钙矾石随着温度的升高有所下降,钙钒石的析出,常伴随着极细的针状或片状结晶,在吸收水分后该晶体膨胀成刺猬状,产生较大的溶胀应力,引起湿喷混凝土的胀裂,进而降低湿喷混凝土的结构强度。可以发现,养护温度的变化通过影响湿喷混凝土早期水化产物的类型及数量进而影响湿喷混凝土微观结构,最终改变湿喷混凝土的宏观力学强度。

    图  13  3 d期龄不同养护温度下混凝土试件XRD图谱
    Figure  13.  XRD graph of concrete specimens at different curing temperatures for 3 days

    不同温度、水灰比下,硬化湿喷混凝土水泥浆体水化反应产物的种类和含量的不同影响其微观结构,而微观结构又直接决定湿喷混凝土硬化水泥浆体的宏观力学性能。温度和水灰比影响湿喷混凝土结构的疏松程度,导致湿喷混凝土密实度和胶结状态不同,因此,温度和水灰比是决定湿喷混凝土强度的主要因素。研究发现,湿喷混凝土宏观性能表现是能够从微观层面做出解释,微观研究可以作为宏观性能验证,改善湿喷混凝土宏观性能需要从其微观性能的改善切入。

    通过开展温度对湿喷混凝土喷层强度演化规律的影响因素研究,确定该矿山湿喷混凝土料浆拌制的最优配比,并根据不同养护温度、水灰比条件下,各养护龄期下湿喷混凝土硬化水泥浆料微观形貌与结构,以及水化反应产物种类,得到湿喷混凝土微观形貌、结构与宏观力学性能之间的关系,在喷射混凝土支护过程中采取必要的干预措施,改善混凝土喷层的养护环境,据此开展下一步试验段巷道喷射支护效果分析。

    试验确定适用该矿山的最优配比见表2,施工中水灰比控制在0.44以下,坍落度值在12~15,结合现场实际情况,确定适合的水泥掺量为460 kg/m3,严格控制骨料细颗粒含量。通过现场湿喷混凝土取样试验,湿喷混凝土28 d单轴抗压强度平均可达32.9 MPa,较优化前喷层强度19.5 MPa,优化后提高了约40%。

    表  2  湿喷混凝土配合比 单位:Kg·m−3
    Table  2.  Mix proportion of wet shotcreting Unit: Kg·m−3
    P.O42.5水泥骨料塑料纤维减水剂
    460175019852
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    通过以上对湿喷混凝土喷浆料配合比的优化设计,寒冷期施工,通过提高受喷巷道段温度(维持温度在10 ℃以上),改善混凝土的养护环境,例如,对受喷巷道供暖风、电炉加热以及铺盖保温材料等方式。经过现场验证,通过改进工艺,该矿山巷道湿喷混凝土的产能提高约25%;喷层厚度明显提高,且顶部掉浆问题得以改善,喷层裂纹显著减少;同时湿喷支护巷道返修率降低约85%。通过混凝土钻样测试可知,3、7、28 d的抗压强度分别为17.6、23.8、32.9 MPa,较优化前单轴抗压强度分别增长了39%、47%、39.6%,同时裂纹数量明显减少。改进工艺后,矿井掘进速度提高10%,矿井生产效率提高8%。改进后湿喷混凝土支护效果如图14

    图  14  改进后湿喷混凝土支护效果
    Figure  14.  Effect of wet shotcrete support after improvement

    1)温度在湿喷混凝土强度发展过程中发挥着关键作用,尤其在寒冷环境条件下水泥的水化速率受温度的影响很大,这是导致喷层强度发展缓慢、喷层开裂、喷浆支护效果差等现象出现的主要原因,SEM显示,温度通过影响湿喷混凝土水化反应,进而影响其微观结构。

    2)所研究的0 ~ 20 ℃温度范围内,当温度低于10 ℃时,湿喷混凝土早期强度降低明显;当温度高于15 ℃时,更有利于湿喷混凝土后期强度增长,SEM观察发现,水灰比通过对湿喷混凝土内部初始孔隙率与骨料过渡界面黏结强度的影响,对其宏观力学特性产生影响。

    3)X射线粉末衍射(XRD)分析显示,随着水灰比的降低、养护温度和龄期的增加,水化反应生成的钙钒石、石膏等晶体的量不断减少,湿喷混凝土微观结构更加完善,密实度增加,原生孔隙裂隙逐渐减小,湿喷混凝土的整体性能显著提高,最终表现为宏观强度的增大。

    4)采用提高养护温度,降低水灰比,改进施工工艺等措施,该矿巷道掘进速度提高10%以上,井下生产效率提高了约8%,湿喷混凝土生产能力提高约25%,改进后喷层28 d强度由原19.5 MPa增加至32.9 MPa,提高约40%,支护返修率降低85%,取得了良好的施工效果。

  • 图  1   2022年矿区温度变化

    Figure  1.   Temperature variation of mining area in 2022

    图  2   巷道湿喷混凝土支护现状

    Figure  2.   Current situation of wet-sprayed concrete support

    图  3   骨料级配饼状分布图

    Figure  3.   Aggregate gradation pie Chart

    图  4   试件浇筑与养护

    Figure  4.   Slump measurement and specimen curing

    图  5   抗压强度试验

    Figure  5.   Schematic of compressive strength test

    图  6   养护温度与抗压强度关系趋势

    Figure  6.   Trend of relationship between curing temperature and compressive strength

    图  7   水灰比(W/C)与抗压强度关系

    Figure  7.   Relationship curves between W/C and compressive strength

    图  8   湿喷混凝土水化产物界面

    Figure  8.   Interface of hydration products of wet sprayed concrete

    图  9   界面过渡区微观形貌

    Figure  9.   Micro-structure of the interface transition

    图  10   砂石与水化产物的界面

    Figure  10.   Interface of sand and hydration products

    图  11   3 d养护龄期下不同水灰比试件微观形貌

    Figure  11.   Micro-morphology of different W/C specimens at 3 days

    图  12   0℃养护温度下不同期龄混凝土试件XRD图谱

    Figure  12.   XRD graph of concrete specimens of different ages at curing temperature of 0℃

    图  13   3 d期龄不同养护温度下混凝土试件XRD图谱

    Figure  13.   XRD graph of concrete specimens at different curing temperatures for 3 days

    图  14   改进后湿喷混凝土支护效果

    Figure  14.   Effect of wet shotcrete support after improvement

    表  1   温度对湿喷混凝土强度影响实验方案

    Table  1   Experimental scheme for effect of temperature on strength of wet shotcrete

    养护温度/℃ 养护龄期/d 水灰比(W/C) 料浆质量浓度/(Kg·m−3 减水剂质量浓度/(Kg·m−3
    0、10、15、20 3、7、28 0.42、0.425、0.43、0.435、0.44 2400 2.0
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    表  2   湿喷混凝土配合比 单位:Kg·m−3

    Table  2   Mix proportion of wet shotcreting Unit: Kg·m−3

    P.O42.5水泥骨料塑料纤维减水剂
    460175019852
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图(14)  /  表(2)
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  • 收稿日期:  2024-01-20
  • 网络出版日期:  2025-04-09

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