CN108593434A - 一种喷射混凝土初始强度检测装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种喷射混凝土初始强度检测装置及使用方法。该装置包括插针、弹簧套筒、弹簧力学参数调节杆、手柄。使用时，在混凝土喷射到岩体表面5min后，向混凝土喷层按压，且该装置的5个插针所设置的载荷不同，故会出现有的插针无法插入喷层的情况，根据插入情况确定喷射混凝土的强度范围，从而判断工人是否能够进入巷道作业，并可据此对速凝剂的最佳掺量进行调整。该装置采用多点检测方法，克服了传统的单点设备检测所存在的问题，既可以精确检测混凝土初始强度，也可以确定满足工程设计要求的最优速凝剂添加量。喷射混凝土初始强度的检测对实现地下矿山安全、高效、精确、低成本支护具有重要意义。

Description

一种喷射混凝土初始强度检测装置及使用方法

技术领域

本发明适用于检测喷射混凝土初始强度，可应用于采用喷射混凝土支护技术的地下岩体工程、边坡工程、隧道工程、土建工程等的一种喷射混凝土初始强度检测装置及使用方法。

背景技术

喷射混凝土是地下巷道、露天及公路铁路边坡、水利工程等使用最广泛的一种支护形式，喷射混凝土支护工艺包括干喷混凝土支护和湿喷混凝土支护。喷射混凝土对初始强度的要求很高，喷浆后快速产生一定的强度，可以有效减少喷射混凝土回弹率、增加一次喷射的喷层厚度，同时喷浆2~3h后喷层达到一定的准入强度值，才可以允许下一工序的施工人员、设备进入工作面作业，因此混凝土喷层初始强度对提高井下掘进效率也非常关键。

喷射混凝土初始强度主要取决于水灰比、速凝剂掺量和水泥特性。一个特定的矿山，其喷射用水泥特性及掺量一般是固定的。受骨料粒级组成、骨料含水率等各种因素的影响，为达到预期的喷射料浆流动性要求，喷射混凝土制浆过程中的水灰比是一个变量（一般介于0.37~0.55），由制浆站操作工根据其经验控制。

在达到同样初始强度的条件下，水灰比越大，就需要更高掺量的速凝剂。同时速凝剂掺量也不宜过多，过多的速凝剂掺量不仅增加了喷浆成本，还会导致喷射混凝土后期强度的降低。因此，在喷浆过程中，为了达到良好的喷浆效果（低回弹率和一次喷浆厚度），喷浆操作工人需要根据料浆特性不断调节速凝剂掺量，即对于高水灰比的料浆，可添加较大掺量的速凝剂（如10~13%），以提高喷射混凝土初始强度，对于低水灰比的料浆，则应减少速凝剂掺量（如5~6%）。

喷浆过程中速凝剂掺量的确定主要取决于喷浆工人的现场经验，存在的问题如下：（1）不同的操作工依据其熟练程度不同，对喷浆过程中的速凝剂掺量控制比较随意；（2）虽然有单点贯入型喷射混凝土初始强度检测装置，但它只能根据插针能否被压入喷射混凝土层作出“喷射混凝土初始强度是否达到工程设计要求”的判断，而不能给出初始强度的具体数值；（3）当检测到初始强度未达到工程设计要求时，不能提出具体的速凝剂增加量建议，难以快速调节速凝剂掺量使混凝土初始强度满足工程要求；（4）当检测到初始强度远超过工程设计要求时，不能确定具体的速凝剂减少量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明目的是提供一种可以快速、精确检测喷射混凝土初始强度，并根据检测结果快速提出速凝剂调节量的最优数值的喷射混凝土初始强度检测装置及使用方法。

本发明所采用的技术方案是：一种喷射混凝土初始强度检测装置，该装置包括插针、弹簧套筒、插针套筒的固定板、弹簧力学参数调节杆、手柄和5根弹簧；

其中，5个所述弹簧套筒固定在所述插针套筒的固定板上，5根所述弹簧分别设置在5个所述弹簧套筒内，每个所述弹簧套筒的一端均设置有连接板，所述插针的一端深入到所述弹簧套筒内与所述连接板固接，每个所述弹簧套筒的另一端的端部设置均所述弹簧力学参数调节杆，所述弹簧力学参数调节杆的一端伸入到所述弹簧套筒内与所述弹簧的另一端固接，所述弹簧力学参数调节杆的另一端与所述手柄固接。

进一步，5根所述弹簧的弹性系数为K₁、K₂ 、K₃、K₄、K₅，且K₁=K₂=K₃=K₄=K₅=0.2-1MPa。

进一步，所述弹簧套筒采用均为厚度2.5mm的Q235号钢材制作而成，筒体内径Φ200mm。

本发明的另一目的是提供一种上述的喷射混凝土初始强度检测装置的使用方法，该方法具体包括以下步骤：

首先，将位于中间的弹簧的弹性系数K₃设置为需要检测的喷射混凝土初始强度达到的强度值K，然后通过调节弹簧力学参数调节杆将5根弹簧的弹性系数调节为K₁＜K₂＜K₃＜K₄＜K₅；

其次，向喷射到岩壁上的混凝土层，喷浆5min后，将插针向混凝土喷层按压，根据插针插入情况结合以下条件对混凝土初始强度进行判断：

1）当插针3能插入喷层，存在如下三种情况：

a.而插针2不能压入喷层,则混凝土初始强度介于K₂-K₃之间，混凝土初始强度复合标准；

b.而插针2可以插入喷层，同时插针1不能插入，则混凝土初始强度介于K₁-K₂之间，根据速凝剂添加量、水灰比与混凝土初始强度的关系曲线，确定增加速凝剂添加量，使得混凝土初始强度达到K₃；

c. 而插针1也可以插入喷层，则混凝土初始强度低于K₁，说明速凝剂添加量过低或材料配比设计不合理，需要对整个喷射混凝土材料配比重新进行设计；

2) 当插针3不能插入，存在如下三种情况：

a. 而插针5不能插入喷层,则混凝土初始强度高于K₅，说明速凝剂添加量过高，然而过高的速凝剂掺量虽然会加速混凝土凝固而使得喷层初始强度较大，但是却会降低喷层的后期强度，因此，需要降低速凝剂掺量；

b. 如果插针4不能插入喷层，而插针5可以插入，则混凝土初始强度介于K₄~ K₅之间，根据速凝剂添加量、水灰比与混凝土初始强度的关系曲线，确定减少速凝剂添加量，使得混凝土初始强度达到K₃；

c. 插针4可以插入喷层，则混凝土初始强度介于K₃＜K₄之间，根据速凝剂添加量、水灰比与混凝土初始强度的关系曲线，确定减少速凝剂添加量，使得混凝土初始强度达到K₃。

本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案,本发明具有采用喷射混凝土初始强度检测装置的优势在于：（1）通过多点检测，可以得到精确的混凝土初始强度值区间；（2）由检测所得混凝土初始强度区间值，根据初始强度与速凝剂添加量的对应关系，确定最优的速凝剂添加量；（3）当测得初始强度未达到要求时，由检测所得混凝土初始强度区间值，根据初始强度与速凝剂添加量的对应关系，给出具体的速凝剂增加量，使得初始强度能满足工程要求；（4）当测得初始强度远超过工程设计要求时，根据初始强度与速凝剂添加量的对应关系，给出具体的速凝剂减少量，不仅使得初始强度满足工程设计要求，而且可以减少原材料成本，同时也能减弱最终强度的降低。

本发明的优势在于：该喷射混凝土初始强度检测装置结构简单，便于加工制作，易于操作，检测结果可靠性好，能够通过检测获得混凝土初始强度。该检测装置对评价喷射混凝土力学性能、研究初始强度与速凝剂添加量之间的关系都具有重要意义。同时，根据检测结果，可以准确控制速凝剂的添加量，这对掌握喷射混凝土的力学性能指标、改善原材料配比、控制支护成本都具有非常重要的意义。

附图说明

图1为本发明一种喷射混凝土初始强度检测装置的结构示意图。

图2为为本发明一种喷射混凝土初始强度检测装置的的侧视图。

图3为为本发明一种喷射混凝土初始强度检测装置的的平面图。

图4为弹簧力学参数调节杆刻度。

图5为喷射混凝土初始强度检测装置检测到速凝剂添加量、水灰比与混凝土初始强度的经验关系曲线。

图6为水灰比为0.4时喷射混凝土初始强度检测装置测得强度与速凝剂添加量的关系曲线。

图中：

1-插针；2-连接板；3-弹簧；4-插针套筒固定板；5-弹簧力学参数调节杆；6-测试仪手柄。

具体实施方式

下面结合具体附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

如图1-图4所示，本发明一种喷射混凝土初始强度检测装置，该装置包括：插针、弹簧套筒、插针套筒的固定板、弹簧力学参数调节杆、手柄和5根弹簧；

其中，5个所述弹簧套筒固定在所述插针套筒的固定板上，5根所述弹簧分别设置在5个所述弹簧套筒内，每个所述弹簧套筒的一端均设置有连接板，所述插针的一端深入到所述弹簧套筒内与所述连接板固接，每个所述弹簧套筒的另一端的端部设置均所述弹簧力学参数调节杆，所述弹簧力学参数调节杆的一端伸入到所述弹簧套筒内与所述弹簧的另一端固接，所述弹簧力学参数调节杆的另一端与所述手柄固接。

进一步，5根所述弹簧的弹性系数为K₁、K₂ 、K₃、K₄ 和K₅，且K₁=K₂=K₃=K₄=K₅=0.2-1MPa。

进一步所述弹簧套筒采用均为厚度2.5mm的Q235号钢材制成，筒体内径Φ200mm。

进一步，所述弹簧套筒的顶盖与所述插针套筒的固定板通过螺栓连接。

本发明一种喷射混凝土初始强度检测装置的使用方法，该方法具体包括以下步骤：

首先，将位于中间的弹簧的弹性系数K₃设置为需要检测的喷射混凝土初始强度达到的强度值K，然后通过调节弹簧力学参数调节杆将5根弹簧的弹性系数调节为K₁＜K₂＜K₃＜K₄＜K₅；

其次，向喷射到岩壁上的混凝土层，喷浆5min后，将插针向混凝土喷层按压，根据插针插入情况结合以下条件对混凝土初始强度进行判断：

1）当插针3能插入喷层，存在如下三种情况：

a.而插针2不能压入喷层,则混凝土初始强度介于K₂-K₃之间，混凝土初始强度复合标准；

b.而插针2可以插入喷层，同时插针1不能插入，则混凝土初始强度介于K₁-K₂之间，根据速凝剂添加量、水灰比与混凝土初始强度的关系曲线和强度与速凝剂添加量的关系曲线，增加速凝剂添加量，使得混凝土初始强度达到K₃；

c. 而插针1也可以插入喷层，则混凝土初始强度低于K₁，说明速凝剂添加量过低或材料配比设计不合理，需要对整个喷射混凝土材料配比重新进行设计；

2) 当插针3不能插入，存在如下三种情况：

a. 而插针5不能插入喷层,则混凝土初始强度高于K₅，说明速凝剂添加量过高，然而过高的速凝剂掺量虽然会加速混凝土凝固而使得喷层初始强度较大，但是却会降低喷层的后期强度，因此，需要降低速凝剂掺量；

b. 如果插针4不能插入喷层，而插针5可以插入，则混凝土初始强度介于K₄~K₅之间，根据速凝剂添加量、水灰比与混凝土初始强度的关系曲线和强度与速凝剂添加量的关系曲线，减少速凝剂添加量；

c. 插针4可以插入喷层，则混凝土初始强度介于K₃＜K₄之间，根据速凝剂添加量、水灰比与混凝土初始强度的关系曲线和强度与速凝剂添加量的关系曲线，减少速凝剂添加量，使得混凝土初始强度达到K₃。

实施例：

(一) 假设某工程设计要求喷射混凝土初始强度达到0.6MPa（矿山喷射初始强度没有国家统一标准，取值0.6MPa）则可以通过调节弹簧力学参数调节杆将插针1、插针2、插针3、插针4、插针5荷载分别设置为0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa（插针3的压荷载与混凝土初始强度相当）。

喷射混凝土初始强度检测装置由插针、弹簧套筒及其附件、弹簧力学参数调节杆、手柄四大部分组成，见图1~图4，该测试仪的加工要求如下：

1) 测针部分由5个相同的测针组成，其长度均为20mm，直径5mm，间距为50mm。测针由特种钢制作加工而成，一端与弹簧套筒底盖通过螺纹连接；

2) 5个弹簧置于弹簧套筒内，弹性系数不同（K₁＜K₂＜K₃＜K₄＜K₅），其量程也不同；通过调节其伸缩量控制施加于测针的荷载，以适应不同工程的混凝土强度条件；施加于测针的压力值会显示在弹簧套筒表面的刻度盘上；

3) 弹簧套筒筒体、顶盖、底盖均为厚度2.5mm的Q235号钢材制作而成，筒体内径Φ200mm；套筒顶、底盖与筒体为销连接，便于套筒内弹簧的检修；5个弹簧套筒的顶盖均通过螺栓连接固定于套筒固定板；

4) 手柄推杆与连接杆均为直径Φ10mm的钢筋，手柄推杆长度为350mm；连接杆长度为350mm；手柄推杆与连接杆焊接在一起；连接杆与弹簧套筒通过螺纹连接，便于拆卸。

(二) 将喷射混凝土初始强度检测装置的指针压向喷层，若：

1) 插针3能插入喷层，存在如下三种情况：

a. 插针2不能压入喷层。则混凝土初始强度介于0.4~0.6MPa之间，此时需根据图5添加少量速凝剂，使得混凝土初始强度达到0.6 MPa；

b. 插针2可以插入喷层，而插针1不能插入。则混凝土初始强度介于0.2~0.4MPa之间，此时需根据图5添加适量的速凝剂，使得混凝土初始强度达到0.6 MPa；

c. 插针1可以插入喷层。则混凝土初始强度低于0.2MPa，说明速凝剂添加量过低或材料配比设计不合理，需要对整个喷射混凝土材料配比重新进行设计。

2) 插针3不能插入，存在如下三种情况：

a. 插针5不能插入喷层。则混凝土初始强度高于1.0 MPa，说明速凝剂添加量过高，然而过高的速凝剂掺量虽然会加速混凝土凝固而使得喷层初始强度较大，但是却会降低喷层的后期强度，因此，应根据图5来适当降低速凝剂掺量；

b. 插针4不能插入喷层，而插针5可以插入。则混凝土初始强度介于0.8~1.0 MPa之间，该值相对较大，应根据图5来适当降低速凝剂掺量；

c. 插针4可以插入喷层。则混凝土初始强度介于0.6~0.8MPa之间，该数值在可接受的范围内，施工人员可根据实际情况对速凝剂的掺量进行微调。

(三) 由检测所得混凝土初始强度区间值，根据初始强度与速凝剂添加量的对应关系，确定最佳的速凝剂添加量的区间值。

(四) 假设某矿山喷射现场喷射混凝土的水灰比为0.4，采用喷射混凝土初始强度检测装置检测到5min时混凝土强度为0.6~0.8 MPa，则根据图6，可知速凝剂的添加量超过了6.1%，因此，为保证最佳的喷射混凝土支护效果，应适当降低速凝剂添加量。

力学刻度仪置于套筒外表面，可以显示施加于插针的压荷载大小；根据该刻度可调节压载荷的大小，以适应不同工程的需要。

Claims (5)

1.一种喷射混凝土初始强度检测装置，其特征在于：该装置包括：插针、弹簧套筒、插针套筒的固定板、弹簧力学参数调节杆、手柄和5根弹簧；

其中，5个所述弹簧套筒固定在所述插针套筒的固定板上，5根所述弹簧分别设置在5个所述弹簧套筒内，每个所述弹簧套筒的一端均设置有连接板，所述插针的一端深入到所述弹簧套筒内与所述连接板固接，每个所述弹簧套筒的另一端的端部设置均所述弹簧力学参数调节杆，所述弹簧力学参数调节杆的一端伸入到所述弹簧套筒内与所述弹簧的另一端固接，所述弹簧力学参数调节杆的另一端与所述手柄固接。

2.根据权利要求1所述的喷射混凝土初始强度检测装置，其特征在于：5根所述弹簧的弹性系数为K₁、K₂ 、K₃、 K₄ 、K₅，且K₁=K₂=K₃=K₄=K₅=0.2-1MPa。

3.根据权利要求1所述的喷射混凝土初始强度检测装置，其特征在于：所述弹簧套筒采用均为厚度2.5mm的Q235号钢材制成，筒体内径Φ200mm。

4.根据权利要求1所述的喷射混凝土初始强度检测装置，其特征在于：所述弹簧套筒的顶盖与所述插针套筒的固定板通过螺栓连接。

5.一种根据权利要求1-4任意一项所述的喷射混凝土初始强度检测装置的使用方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

首先，将位于中间的弹簧的弹性系数K₃设置为需要检测的喷射混凝土初始强度达到的强度值K，然后通过调节弹簧力学参数调节杆将5根弹簧的弹性系数调节为K₁＜K₂＜K₃＜K₄＜K₅；

其次，向喷射到岩壁上的混凝土层，喷浆5min后，将插针向混凝土喷层按压，根据插针插入情况结合以下条件对混凝土初始强度进行判断：

1）当插针3能插入喷层，存在如下三种情况：

a.而插针2不能压入喷层,则混凝土初始强度介于K₂-K₃之间，混凝土初始强度复合标准；

b.而插针2可以插入喷层，同时插针1不能插入，则混凝土初始强度介于K₁-K₂之间，根据速凝剂添加量、水灰比与混凝土初始强度的关系曲线，确定增加速凝剂添加量，使得混凝土初始强度达到K₃；

c. 而插针1也可以插入喷层，则混凝土初始强度低于K₁，说明速凝剂添加量过低或材料配比设计不合理，需要对整个喷射混凝土材料配比重新进行设计；

2）当插针3不能插入，存在如下三种情况：

a. 而插针5不能插入喷层,则混凝土初始强度高于K₅，说明速凝剂添加量过高，然而过高的速凝剂掺量虽然会加速混凝土凝固而使得喷层初始强度较大，但是却会降低喷层的后期强度，因此，需要降低速凝剂掺量；

b. 如果插针4不能插入喷层，而插针5可以插入，则混凝土初始强度介于K₄~ K₅之间，根据速凝剂添加量、水灰比与混凝土初始强度的关系曲线，确定减少速凝剂添加量，使得混凝土初始强度达到K₃；

c. 插针4可以插入喷层，则混凝土初始强度介于K₃＜K₄之间，根据速凝剂添加量、水灰比与混凝土初始强度的关系曲线，确定减少速凝剂添加量，使得混凝土初始强度达到K₃。