CN104844103B

CN104844103B - 一种柔性复合混凝土喷层支护材料

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Publication number: CN104844103B
Application number: CN201510152251.6A
Authority: CN
Inventors: 李术才; 王�琦; 江贝; 栾英成
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2015-04-01
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2018-04-17
Anticipated expiration: 2035-04-01
Also published as: CN104844103A

Abstract

本发明涉及一种新型柔性复合混凝土喷层支护材料，由以下组分组成：水泥80～100份，砂子80～120份，石子100～120份，橡胶颗粒60～100份，粉煤灰40～60份，端勾型钢纤维20～30份，水50～80份，交联剂6～7份，外加剂5～8份，固含量为10％～25％的聚酰胺酸树脂2～10份，浓度1％的硅烷偶联剂溶液3～5份。生产出的混凝土喷层材料抗压，抗折强度和弯曲韧性大大提高。本发明可应用于具有高应力，软岩，膨胀，流变，断层构造破碎带、采动影响等特点的复杂岩层或其他动压巷道的围岩支护领域以及隧道、地铁等地下工程领域。

Description

一种柔性复合混凝土喷层支护材料

技术领域

本发明涉及采矿工程领域以及隧道、地铁等地下工程领域，具体涉及一种新型柔性复合混凝土喷层支护材料。

背景技术

在采矿工程或其他地下工程中，对具有松软，膨胀，流变，高应力等特点的复杂岩层或其他动压巷道的支护体系的维护是经常遇到的难题。近年来普遍采用的喷射混凝土，是利用喷射方法施工的混凝土。喷射在巷道表面的混凝土必须很快失去流动性，否则就会因流动而脱落，所以必须向喷射混凝土中添加“速凝剂”。故而现在国内喷射混凝土的基本配方都是水泥，砂，石子和速凝剂。但由于速凝剂具有强碱性，在起到速凝作用的同时，严重影响了喷射混凝土的后期抗压强度和抗折强度，导致其柔性很小，通常呈脆性破坏。因而在很小的拉伸或压缩变形条件下就发生开裂，以致在巷道围岩变形稍大的情况下支护3～5天后喷层就发生开裂，掉块，从而失去封闭围岩、支护体系的作用。并且在施工操作时，普通喷射混凝土的喷射回弹率高，喷射反弹惯性大，不仅造成施工过程中混凝土材料的浪费，而且容易对施工人员造成伤害。此外，近年来随着我国工业的飞速发展，大量废旧橡胶的产生成为日益严重的环境问题。越来越多的废弃橡胶制品对环境造成的压力越来越大，目前我国主要将这些废旧橡胶制品粉碎后生产橡胶粉。基于其上述特点，本发明所采用的橡胶粉成分是不溶的交联聚合物，由废旧橡胶破碎得到，具有一定的强度、耐磨性和抗滑性,是一种典型的粘弹性材料。一方面混凝土中添加橡胶粉使混凝土增韧和抗震成为可能，然而过多橡胶粉的掺加会影响混凝土的强度等相关性能。另一方面，掺入适量钢纤维，其在混凝土中的不均匀分布提高了混凝土的拉弯强度，韧性和阻裂能力，则可以弥补橡胶混凝土的不足。所以研发一种新型柔性复合混凝土喷层材料，实现废弃橡胶的再利用和钢纤维的拓展使用，生产工艺无污染，生产效率高，提高巷道的防渗性能以及拱架和金属网的耐腐蚀性，增强支护体系的可靠性和安全性，将直接影响整个地下工程支护体系的完整性，避免灾难性事故的发生，对提高以后工程的质量有着重大的意义，这无疑具有良好的社会效益和经济效益。

发明内容

本发明的目的就在于克服上述现有材料和技术中存在的不足，而提供一种新型柔性复合混凝土喷层支护材料。

为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种新型柔性复合混凝土喷层支护材料，由以下组分组成：水泥80～100份，砂子80～120份，石子100～120份，水50～80份，橡胶颗粒60～100份，粉煤灰40～60份，端勾型钢纤维20～30份，交联剂6～7份，外加剂5～8份，固含量为10％～25％的聚酰胺酸树脂2～10份，质量浓度为1％的硅烷偶联剂溶液3～5份。

其中，固含量是乳液或涂料在规定条件下烘干后剩余部分占总量的质量百分数。固含量为10％～25％的聚酰胺酸树脂是一种具有黏度低、流动性能好、韧性佳、粘接强度高等特点的材料。本发明掺入固含量为10％～25％的聚酰胺酸树脂将提高混凝土的耐久性、耐腐蚀性、耐磨性以及抗冲击能力。浓度为1％的硅烷偶联剂溶液是一种表面改性材料。

本发明采用的掺和料为电厂生产的Ⅱ粉煤灰。由于粉煤灰需水量比水泥小，从而使相同用水量下，该掺量下的粉煤灰混凝土具有较好的流动性、黏聚性、保水性和体积稳定性，能够填充水泥石结构的孔隙，增强混凝土的密实性，改善混凝土拌合物的工作性，降低混凝土水泥水化热引起的温升调节混凝土强度的发展，且流动性能够满足泵送和喷射要求。

本发明采用的橡胶颗粒为表面改性橡胶颗粒，粒径为2～3mm，其掺量为7％～9％。在掺量为7％～9％的情况下，混凝土强度下降不大，且混凝土的坍落度明显下降，该掺量在保障混凝土强度的同时明显减弱其坍落度。橡胶粉主要通过物理作用改善混凝土的内部结构，而不改变混凝土中各种材料的化学性能。

本发明采用的橡胶颗粒界面改性剂为有机硅。有机硅表面活性剂主要作为有机硅偶联剂，能够起到改善无机填料与橡胶的界面作用。

本发明采用的橡胶颗粒表面改性方法为：用浓度为0.1％～2.0％的乙酸水溶液和浓度0.1％～2.0％的乙醇水溶液按体积比1:1混合得到乙酸-乙醇的混合水溶液，用该混合水溶液将硅烷偶联剂稀释成浓度为1％，pH值为3～5的稀溶液；采用浓度1％，pH值为3～5的硅烷偶联剂稀溶液浸泡橡胶颗粒半小时，浸泡好的橡胶颗粒自然风干。

本发明采用的外加剂为速凝剂和减水率为20％的萘系高效减水剂的混合物，其中，速凝剂和减水剂的质量之比为2:1。用水量不变的情况下，添加减水率为20％的萘系高效减水剂可大大提高塌落度，增加流动性，不仅易于喷射，还能提高混凝土的密实性，使混凝土抗渗及抗冻性有较大的提高，可用于有抗渗及抗冻要求的矿山巷道或其他地下工程中。此外，在保持塌落度不变时，还可提高抗压强度15％～20％。掺入的速凝剂可缩短喷射混凝土的凝结时间尤其是初凝时间。

本发明采用的砂子为细度模数为2.5～3.0，均粒径为0.40～0.50mm的中河砂；采用的石子满足不均匀系数Cu>5、曲率系数1<Cc<3的级配情况，且石子的最大粒径不超过10mm。采用该细度模数的砂子和该级配的石子将大幅度提高混凝土的黏聚性和流动性。

本发明采用的水泥为普通硅酸盐水泥P·O42.5。有特殊施工要求的可以根据使用环境选用相应品质要求的水泥种类。

本发明采用的粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，掺入粉煤灰的质量是掺入水泥质量的1/2～3/5。

本发明采用的钢纤维为弹性模量为200GPa、抗拉强度为380～1300MPa、延伸率为3％～30％、长度20～35mm的端勾型钢纤维，其长度不超过混凝土喷射管径的一半。钢纤维的掺入提高了混凝土材料的弯拉强度、韧性和阻裂能力，可以有效减少混凝土的收缩裂缝，增强混凝土的耐久性和密实性，降低回弹率，节约材料施工时避免了挂网操作，可以实现无模化快速施工，增强施工质量。

本发明采用的水为矿山用水。

本发明的有益技术效果为：

(1)将废旧橡胶通过机械粉碎得到橡胶颗粒后进行改性掺入混凝土内，以提高混凝土喷层材料的抗压强度、抗折强度、弯曲韧性，缓解混凝土硬化早期由于各种因素造成的拉伸应力，减少宏观裂缝的发生与发展，当混凝土受到冲击荷载的作用时，橡胶粉将成为混凝土内部的吸能中心，提高混凝土的抗冲击能力；

(2)掺入一定比例的钢纤维，钢纤维在喷射混凝土中的不均匀分布提高了混凝土的拉弯强度，韧性和阻裂能力；

(3)掺入一定比例的速凝剂或高效减水剂，干喷法和湿喷法施工都要求喷射混凝土拌合物的干料或是湿料在喷嘴处与速凝剂等混合喷出后在短时间内凝结，通过试验确定水泥与速凝剂或高效减水剂的相容性和具体掺用量，以缩短喷射混凝土的凝结时间尤其是初凝时间，减小混凝土的坍落度；

(4)用优质活性粉煤灰超量取代部分水泥，使粉煤灰混凝土需水量少干缩率小，以获得更加合理的胶凝材料体系来填充水泥石结构的空隙，增强混凝土的密实程度，改善混凝土拌合物的工作性，提高混凝土的黏聚性和体积稳定性，降低混凝土水泥水化热引起的温升，调节混凝土强度的发展，而且按一定比例掺入来代替水泥可以节约材料。

(5)提高巷道的防渗性能以及拱架和金属网的耐腐蚀性，增强支护体系的可靠性和安全性，提高整个地下工程支护体系的完整性，避免灾难性事故的发生。

具体实施方式

实施例1

一种新型柔性复合混凝土喷层支护材料，将水泥80份，砂子80份，石子100份，橡胶颗粒60份，粉煤灰40份，端勾型钢纤维20份，水50份，交联剂6份，外加剂5份，固含量为15％的聚酰胺酸树脂4份，浓度1％的硅烷偶联剂溶液3份在常温下均匀混合搅拌。

所述水泥为普通硅酸盐水泥P·O42.5。

所述砂子为细度模数为2.5～3.0的中河砂，平均粒径为0.50mm；所述石子满足不均匀系数Cu>5、曲率系数1<Cc<3的级配情况，且最大粒径不超过10mm。

所述橡胶颗粒为表面改性橡胶颗粒，粒径为2mm。

所述表面改性橡胶颗粒的橡胶界面改性剂为有机硅。

所述橡胶颗粒表面改性的方法为：用浓度为0.8％的乙酸水溶液和浓度0.8％的乙醇水溶液按体积比1:1混合得到乙酸-乙醇的混合水溶液，用该混合水溶液将硅烷偶联剂稀释成浓度为1％，pH值为5的稀溶液；采用浓度1％，PH值为5的硅烷偶联剂稀溶液浸泡橡胶颗粒半小时，自然风干。

所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其掺入粉煤灰的质量是掺入水泥质量的1/2。

所述钢纤维为弹性模量为200GPa、抗拉强度为1000MPa、延伸率为10％、长度35mm的端勾型纤维，其长度不超过混凝土喷射管径的一半。

所述外加剂为速凝剂和减水率为20％的萘系高效减水剂的混合物。该外加剂中速凝剂和减水剂的质量之比为2:1。

所述水为矿山用水。

由这些组分制得的喷层材料抗拉强度为5.53MPa，抗压强度为33.5MPa，极限抗弯强度为9.97MPa，初裂抗弯强度为7Mpa，初裂强度为35N.m，冲击疲劳强度为83.6J/㎡，抗渗等级为P7。而同级普通混凝土的抗拉强度为3.5MPa，抗压强度为31.2MPa，极限抗弯强度为5.5MPa，初裂抗弯强度为4.88Mpa，初裂强度为8.85N.m，冲击疲劳强度为5.96J/㎡，抗渗等级为P4。

实施例2

一种新型柔性复合混凝土喷层支护材料，将水泥90份，砂子90份，石子110份，橡胶颗粒70份，粉煤灰50份，端勾型钢纤维25份，水60份，交联剂6份，外加剂6份，固含量为15％的聚酰胺酸树脂5份，浓度1％的硅烷偶联剂溶液4份在常温下均匀混合搅拌。

所述水泥为普通硅酸盐水泥P·O42.5。

所述砂子为细度模数为2.5～3.0的中河砂，平均粒径为0.40mm；所述石子满足不均匀系数Cu>5、曲率系数1<Cc<3的级配情况，且最大粒径不超过10mm。

所述橡胶颗粒为表面改性橡胶颗粒，粒径为2mm。

所述表面改性橡胶颗粒的橡胶界面改性剂为有机硅。

所述橡胶颗粒表面改性的方法为：用浓度为1.0％的乙酸水溶液和浓度1.0％的乙醇水溶液按体积比1:1混合得到乙酸-乙醇的混合水溶液，用该混合水溶液将硅烷偶联剂稀释成浓度为1％，pH值为4的稀溶液；采用浓度1％，PH值为4的硅烷偶联剂稀溶液浸泡橡胶颗粒半小时，自然风干，得到表面改性的橡胶颗粒。

所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，其掺入粉煤灰的质量是掺入水泥质量的5/9。

所述钢纤维为弹性模量为200GPa、抗拉强度为1100MPa、延伸率为20％、长度25mm的端勾型纤维，其长度不超过混凝土喷射管径的一半。

所述水为矿山用水。

由这些组分制得的喷层材料抗拉强度为6.7MPa，抗压强度为40MPa，极限抗弯强度为13.75MPa，初裂抗弯强度为7.5Mpa，初裂强度为43N.m，冲击疲劳强度为91J/㎡，抗渗等级为P9。而同级普通混凝土的抗拉强度为3.5MPa，抗压强度为31.2MPa，极限抗弯强度为5.5MPa，初裂抗弯强度为4.88Mpa，初裂强度为8.85N.m，冲击疲劳强度为5.96J/㎡，抗渗等级为P4。

实施例3

一种新型柔性复合混凝土喷层支护材料，将水泥180份，砂子200份，石子220份，橡胶颗粒150份，粉煤灰100份，端勾型钢纤维50份，水140份，交联剂14份，外加剂14份，固含量为20％的聚酰胺酸树脂13份，浓度1％的硅烷偶联剂溶液8份在常温下均匀混合搅拌。

所述水泥为普通硅酸盐水泥P·O42.5。

所述橡胶颗粒为表面改性橡胶颗粒，粒径为3mm。

所述表面改性橡胶颗粒的橡胶界面改性剂为有机硅。

所述橡胶颗粒表面改性的方法为：：用浓度为1.5％的乙酸水溶液和浓度1.4％的乙醇水溶液按体积比1:1混合得到乙酸-乙醇的混合水溶液，用该混合水溶液将硅烷偶联剂稀释成浓度为1％，pH值为4的稀溶液；采用浓度1％，PH值为4的硅烷偶联剂稀溶液浸泡橡胶颗粒半小时，自然风干。

所述钢纤维为弹性模量为200GPa、抗拉强度为1100MPa、延伸率为25％、长度30mm的端勾型纤维，其长度不超过混凝土喷射管径的一半。

所述外加剂为速凝剂和减水率为20％的萘系高效减水剂。该外加剂中速凝剂和减水剂的质量之比为2:1。

所述水为矿山用水。

由这些组分制得的喷层材料抗拉强度为7MPa，抗压强度为40MPa，极限抗弯强度为15.75MPa，初裂抗弯强度为8Mpa，初裂强度为53N.m，冲击疲劳强度为98.4J/㎡，抗渗等级为P11。而同级普通混凝土的抗拉强度为3.5MPa，抗压强度为31.2MPa，极限抗弯强度为5.5MPa，初裂抗弯强度为4.88Mpa，初裂强度为8.85N.m，冲击疲劳强度为5.96J/㎡，抗渗等级为P4。

实施例4

一种新型柔性复合混凝土喷层支护材料，将水泥200份，砂子220份，石子230份，橡胶颗粒180份，粉煤灰110份，端勾型钢纤维60份，水160份，交联剂14份，外加剂15份，固含量为20％的聚酰胺酸树脂14份，浓度1％的硅烷偶联剂溶液10份在常温下均匀混合搅拌。

所述水泥为普通硅酸盐水泥P·O42.5。

所述橡胶颗粒为表面改性橡胶颗粒，粒径为3mm。

所述表面改性橡胶颗粒的橡胶界面改性剂为有机硅。

所述橡胶颗粒表面改性的方法为：用浓度为2.0％的乙酸水溶液和浓度2.0％的乙醇水溶液按体积比1:1混合得到乙酸-乙醇的混合水溶液，用该混合水溶液将硅烷偶联剂稀释成浓度为1％，pH值为3的稀溶液；采用浓度1％，PH值为3的硅烷偶联剂稀溶液浸泡橡胶颗粒半小时，自然风干。

所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，掺入粉煤灰的质量是掺入水泥质量的1/2。

所述钢纤维为弹性模量为200GPa、抗拉强度为1300MPa、延伸率为30％、长度35mm的端勾型钢纤维，其长度不超过混凝土喷射管径的一半。

所述水为矿山用水。

由这些组分制得的喷层材料抗拉强度为8MPa，抗压强度为45MPa，极限抗弯强度为14.23MPa，初裂抗弯强度为8.5Mpa，初裂强度为63N.m，冲击疲劳强度为112J/㎡，抗渗等级为P12。而同级普通混凝土的抗拉强度为3.5MPa，抗压强度为31.2MPa，极限抗弯强度为5.5MPa，初裂抗弯强度为4.88Mpa，初裂强度为8.85N.m，冲击疲劳强度为5.96J/㎡，抗渗等级为P4。

本发明可有效地利用废弃橡胶颗粒和钢纤维，从而生产出高质量的新型柔性复合混凝土喷层支护材料，为复杂岩层或其他动压巷道的围岩支护领域提供一种新材料。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种柔性复合混凝土喷层支护材料，其特征在于：由以下组分组成：水泥80~100份，砂子80~120份，石子100~120份，橡胶颗粒60~100份，粉煤灰40~60份，端勾型钢纤维20~30份，水50~80份，交联剂6~7份，速凝剂和减水率为20%的萘系高效减水剂的混合物5~8份，其中速凝剂和减水剂的质量之比为2:1，固含量为10%~25%的聚酰胺酸树脂2~10份，浓度 1%的硅烷偶联剂溶液3~5份；所述橡胶颗粒为表面改性橡胶颗粒，粒径为 2~3mm；所述表面改性橡胶颗粒的橡胶界面改性剂为硅烷偶联剂；

所述砂子为细度模数为2.5~3.0的中河砂，平均粒径为0.40~0.50mm；所述石子的不均匀系数C_u>5、曲率系数1<C_c<3，且最大粒径不超过10mm；

所述粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰，掺入粉煤灰的质量是掺入水泥质量的1/2~3/5；

所述钢纤维为端勾型钢纤维，弹性模量为200GPa、抗拉强度为380~1300MPa、延伸率为3%~30%、长度20~35mm的工程钢纤维，其长度不超过混凝土喷射管径的一半；

橡胶颗粒表面改性的方法为：用浓度为0.1%~2.0%的乙酸水溶液和浓度0.1%~2.0%的乙醇水溶液按体积比1:1混合得到乙酸-乙醇的混合水溶液，用所述混合水溶液将硅烷偶联剂稀释成浓度为1%，pH值为3~5的稀溶液；采用浓度 1%，pH值为3~5的硅烷偶联剂稀溶液浸泡橡胶颗粒半小时，浸泡好的橡胶颗粒自然风干，即得表面改性的橡胶颗粒。

2.根据权利要求1所述的柔性复合混凝土喷层支护材料，其特征在于：所述水泥为普通硅酸盐水泥P·O42.5。

3.根据权利要求1所述的柔性复合混凝土喷层支护材料，其特征在于：所述水为矿山用水。