CN112174607A - 一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土技术领域，具体公开一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土及其制备方法。所述混凝土包括如下质量份数的原料组分：水泥40～55份；磨细矿渣粉30～35份；磨细粉煤灰40～45份；硅灰50～60份；河砂225～250份；钢纤维8～15份；减水剂2～4份和水30～45份。本发明提供的井壁混凝土具有优异的力学性能、耐久性能和抗渗性能，均满足深部矿井建设要求，适用于滨海地区深部矿井建设。

Description

一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土及其 制备方法

技术领域

本发明涉及混凝土技术领域，尤其涉及一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土及其制备方法。

背景技术

随着滨海地区矿井开采深度的增加，特别是超过1500米之后，地层深部“三高一强”(即高应力、高水压、高地温、强盐类腐蚀)的恶劣环境，给深部矿井建设带来前所未有的挑战。深部高地应力、高温、高渗透压等复杂的地质环境和应力条件易影响井壁混凝土的冲击倾向性，往往会引发冲击地压等动力灾害。因此，这些外部因素给深部矿井井壁混凝土的力学性能、抗渗性能及耐久性能带来严峻考验，给深部矿井的建设及安全开采带来巨大风险。

滨海地区深部矿井井壁混凝土所处服役环境复杂，其服役性能和寿命不仅受地压、扰动等地质条件制约，还与地下水、离子浓度等环境因素的长期作用密不可分。滨海地区深部矿井水中富含可溶性盐，如硫酸盐和氯盐，容易对井壁混凝土造成多重化学腐蚀破坏。同时，地下水位的变化和矿井水的流动也会对井壁混凝土产生干湿交替的加速破坏作用。因此，井壁混凝土往往面临力学过程和化学过程的双重破坏，导致其服役状态和性能出现劣化，无法满足深部矿井建设需求。

发明内容

针对现有滨海地区深部矿井井壁混凝土的服役状态和性能易出现劣化的问题，本发明提供一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土及其制备方法。

为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：

一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，包括如下质量份数的原料组分：水泥40～55份；磨细矿渣粉30～35份；磨细粉煤灰40～45份；硅灰50～60份；河砂225～250份；钢纤维8～15份；减水剂2～4份和水30～45份。

相对于现有技术，本发明提供的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，首先，将磨细矿渣粉、磨细粉煤灰和硅灰复配形成复合矿物掺合料，复合矿物掺合料不仅能够改善井壁混凝土的和易性能，还可以优化井壁混凝土的孔结构特征，提升混凝土的耐高温性能、抗渗性能以及抗可溶性盐腐蚀性能；其次，采用河砂替代传统的碎石粗骨料，与复合矿物掺合料协同作用，改善混凝土的匀质性，使浆体与骨料界面过渡区的缺陷减少，进而提升混凝土的力学性能；再者，钢纤维的加入，显著改善了井壁混凝土的韧性，减水剂则有效提升了井壁混凝土强度。此外，较低的水胶比和不同粒径的固相胶凝材料颗粒的紧密堆积，直接降低了混凝土的孔隙率，阻碍了水分在混凝土内部孔隙中的扩散，进一步地提高混凝土结构的耐久性能和抗渗性能。本发明提供的井壁混凝土在深部矿井服役环境中具有优异的力学性能、耐久性能和抗渗性能。

进一步地，所述水泥为P.O.42.5级普通硅酸盐水泥。

进一步地，所述磨细矿渣粉的比表面积≥400m²/kg，如S95级磨细矿渣粉，参与混凝土的二次水化反应，优化混凝土的微观孔隙结构，从而提高混凝土的强度和抗渗性能。

进一步地，所述磨细粉煤灰的比表面积≥310m²/kg，如Ⅱ级磨细粉煤灰，磨细粉煤灰可以降低混凝土拌合物的单位体积用水量，还可以大幅度改善混凝土拌合物的颗粒级配、保水性、和易性和密实度。同时，磨细粉煤灰的“形态效应”、“活性效应”和“微集料效应”，有助于改善混凝土中薄弱的界面过渡区(水泥浆与骨料间的过渡区域)，进而提高混凝土的强度和耐久性。

进一步地，所述硅灰的比表面积≥20m²/kg，且所述硅灰中SiO₂含量≥96％，硅灰不仅有助于加快混凝土的水化速度，提升井壁混凝土的早期强度，还可以与Ca(OH)₂发生二次水化作用，生成C-S-H凝胶体，改善混凝土的孔结构，与磨细矿渣粉、磨细粉煤灰复配成复合矿物掺合料(主要矿物成分有CaO、SiO₂、Al₂O₃等)，进一步地提升抗渗性能以及抗硫酸盐、氯盐腐蚀性能。

进一步地，所述河砂的细度为2.3～2.8mm，其含泥量低、化学性质稳定、颗粒级配连续且粒型良好，用河砂替代了传统的碎石粗骨料，因不含粗骨料，故混凝土匀质性优于普通碎石粗骨料混凝土，浆体与骨料界面过渡区的缺陷较少，有助于力学性能的提升。

进一步地，所述钢纤维为镀铜微丝钢纤维，长度为13～15mm，直径为0.18～0.25mm，抗拉强度≥2850Mpa，有助于改善井壁混凝土的韧性，避免受到冲击地压作用后立刻碎落破坏，并能够有效阻止裂缝的进一步发展。同时，钢纤维与复合矿物掺合料相互配合，降低孔隙率，提高混凝土内部的密实度，有害孔数量减少，孔连通性能降低，有助于提高混凝土的耐久性和抗渗性。此外，钢纤维具有很高的抗拉强度且较为细小，配合良好级配的河砂在混凝土中均匀分布，可将应力更加均匀分布于混凝土各处，显著提升混凝土的力学性能。

进一步地，所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂，减水率≥30％，固含量≥25％，减水剂在改善混凝土工作性能的同时减少了水的用量，有助于提升井壁混凝土的强度。

本发明还提供了上述应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土的制备方法，包括以下步骤：

S1：将所述磨细矿渣粉、磨细粉煤灰和硅灰预混，得到复合矿物掺合料；

S2：将所述复合矿物掺合料与所述河砂混合后，加入所述水泥混合均匀，得混合物料；

S3：将所述减水剂加入到水中混合均匀得混合液；

S4：将所述混合物料与所述混合液进行混料处理，得混合浆料；

S5：向所述混合浆料中加入所述钢纤维，搅拌至均匀，得混凝土。

相对于现有技术，本发明提供的用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土的制备方法，将磨细矿渣粉、磨细粉煤灰和硅灰预混形成复合矿物掺合料，加入河砂混料后，再与水泥混合，以避免细颗粒的聚集，随后加入溶有减水剂的拌合水，搅拌均匀后，加入钢纤维，搅拌得到所述的混凝土。该方法工艺简单，操作方便，且制得的混凝土在深部矿井服役环境中具有优异的力学性能、耐久性能和抗渗性能，能够满足深部矿井建设需求。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了更好的说明本发明提供的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，下面通过实施例做进一步的举例说明。

实施例1

一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，包括如下质量份数的原料组分：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥48份；S95级磨细矿渣粉32份；Ⅱ级磨细粉煤灰41份；硅灰52份；河砂240份；镀铜微丝钢纤维10份；聚羧酸系高性能减水剂3份和水37份。

上述应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土的制备方法，包括如下步骤：

S1：将上述S95级磨细矿渣粉、Ⅱ级磨细粉煤灰和硅灰预混，得到复合矿物掺合料；

S2：将所得复合矿物掺合料与河砂混合，搅拌5min后，加入P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，继续搅拌5min至物料混合均匀，得混合物料；

S3：将上述聚羧酸系高性能减水剂加入到水中混合均匀得混合液；

S4：将所得混合物料与混合液进行混料处理，搅拌均匀，得混合浆料；

S5：向所得混合浆料中加入镀铜微丝钢纤维，继续搅拌10min至均匀，得混凝土。

将所得混凝土填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件(20±2℃，95％相对湿度)下进行养护28d，得到高性能深井井壁混凝土试块HUC1。

实施例2

一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，包括如下质量份数的原料组分：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥50份；S95级磨细矿渣粉33份；Ⅱ级磨细粉煤灰45份；硅灰52份；河砂240份；镀铜微丝钢纤维10份；聚羧酸系高性能减水剂3份和水37份。

上述应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土的制备方法，包括如下步骤：

S1：将上述S95级磨细矿渣粉、Ⅱ级磨细粉煤灰和硅灰预混，得到复合矿物掺合料；

S2：将所得复合矿物掺合料与河砂混合，搅拌5min后，加入P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，继续搅拌5min至物料混合均匀，得混合物料；

S3：将上述聚羧酸系高性能减水剂加入到水中混合均匀得混合液；

S4：将所得混合物料与混合液进行混料处理，搅拌均匀，得混合浆料；

S5：向所得混合浆料中加入镀铜微丝钢纤维，继续搅拌10min至均匀，得混凝土。

将所得混凝土填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件(20±2℃，95％相对湿度)下进行养护28d，得到高性能深井井壁混凝土试块HUC2。

实施例3

一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，包括如下质量份数的原料组分：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥48份；S95级磨细矿渣粉33份；Ⅱ级磨细粉煤灰40份；硅灰52份；河砂240份；镀铜微丝钢纤维10份；聚羧酸系高性能减水剂3份和水37份。

上述应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土的制备方法，包括如下步骤：

S1：将上述S95级磨细矿渣粉、Ⅱ级磨细粉煤灰和硅灰预混，得到复合矿物掺合料；

S2：将所得复合矿物掺合料与河砂混合，搅拌5min后，加入P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，继续搅拌5min至物料混合均匀，得混合物料；

S3：将上述聚羧酸系高性能减水剂加入到水中混合均匀得混合液；

S4：将所得混合物料与混合液进行混料处理，搅拌均匀，得混合浆料；

S5：向所得混合浆料中加入镀铜微丝钢纤维，继续搅拌10min至均匀，得混凝土。

将所得混凝土填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件(20±2℃，95％相对湿度)下进行养护28d，得到高性能深井井壁混凝土试块HUC3。

实施例4

一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，包括如下质量份数的原料组分：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥40份；S95级磨细矿渣粉30份；Ⅱ级磨细粉煤灰42份；硅灰50份；河砂225份；镀铜微丝钢纤维8份；聚羧酸系高性能减水剂2份和水30份。

上述应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土的制备方法，包括如下步骤：

S1：将上述S95级磨细矿渣粉、Ⅱ级磨细粉煤灰和硅灰预混，得到复合矿物掺合料；

S2：将所得复合矿物掺合料与河砂混合，搅拌5min后，加入P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，继续搅拌5min至物料混合均匀，得混合物料；

S3：将上述聚羧酸系高性能减水剂加入到水中混合均匀得混合液；

S4：将所得混合物料与混合液进行混料处理，搅拌均匀，得混合浆料；

S5：向所得混合浆料中加入镀铜微丝钢纤维，继续搅拌10min至均匀，得混凝土。

将所得混凝土填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件(20±2℃，95％相对湿度)下进行养护28d，得到高性能深井井壁混凝土试块HUC4。

实施例5

一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，包括如下质量份数的原料组分：P.O.42.5级普通硅酸盐水泥55份；S95级磨细矿渣粉35份；Ⅱ级磨细粉煤灰45份；硅灰60份；河砂250份；镀铜微丝钢纤维15份；聚羧酸系高性能减水剂4份和水45份。

上述应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土的制备方法，包括如下步骤：

S1：将上述S95级磨细矿渣粉、Ⅱ级磨细粉煤灰和硅灰预混，得到复合矿物掺合料；

S2：将所得复合矿物掺合料与河砂混合，搅拌5min后，加入P.O.42.5级普通硅酸盐水泥，继续搅拌5min至物料混合均匀，得混合物料；

S3：将上述聚羧酸系高性能减水剂加入到水中混合均匀得混合液；

S4：将所得混合物料与混合液进行混料处理，搅拌均匀，得混合浆料；

S5：向所得混合浆料中加入镀铜微丝钢纤维，继续搅拌10min至均匀，得混凝土。

将所得混凝土填充至模具中，1d后脱模成型，在标准养护条件(20±2℃，95％相对湿度)下进行养护28d，得到高性能深井井壁混凝土试块HUC5。

为了更好的说明本发明实施例提供的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土的特性，下面将实施例1～5制备的混凝土试块放置在NaCl质量浓度为10％的和Na₂SO₄质量浓度为5％的复合溶液中腐蚀300d后测试其各项性能指标，检测结果如表1所示。

表1

由表中数据可知，腐蚀前，混凝土试块的抗压强度和劈裂抗拉强度分别为95.2MPa、9.43MPa，经氯盐和硫酸盐耦合腐蚀300d后，抗压强度和劈裂抗拉强度分别为113.3MPa、10.69MPa，表明其具有较为优异的力学性能和抗盐类腐蚀性能。同时，混凝土试块经氯盐和硫酸盐耦合腐蚀300d后，其质量损失为-0.20％，线膨胀率为-0.12％(负数代表质量和线膨胀率降低)，质量及体积变化可以忽略不计，表明其具有优异的抗腐蚀性能和稳定性。

冲击倾向性是衡量冲击式破坏的指标，规范约定，以脆性指数(阈值14.5)、动态破坏时间(阈值200ms)及冲击能量指数(阈值4.5)来评价混凝土的冲击倾向性。本发明实施例提供的混凝土试块在腐蚀前，其脆性指数、动态破坏时间、冲击能量指数分别为8.87、3500ms、1.019，经氯盐和硫酸盐耦合腐蚀300d后，其脆性指数、动态破坏时间、冲击能量指数分别为8.52(小于14.5)、2700ms(大于200ms)、1.496(小于4.5)，各指数均属于无冲击倾向性的范畴。

采用氯离子扩散系数(即电通量)用来评价混凝土的抗渗性，规范约定，电通量越小，混凝土密实度越好，抗渗性能越好。本发明实施例提供的混凝土试块腐蚀前的电通量为36C，经氯盐和硫酸盐耦合腐蚀300d后，电通量为26C，表明其具有较好的的抗渗性能。

由此可见，本发明实施例提供的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，经氯盐和硫酸盐耦合腐蚀300d后，力学性能和抗渗性能均有所提高，冲击倾向性略有增强。这是由于溶液中的氯离子会率先与混凝土中的C₃A结合生成不能溶解的Friedel’s盐并填补孔隙，在一定程度上提高混凝土强度和耐久性。本发明提供的井壁混凝土具有优异的力学性能、耐久性能和抗渗性能，均满足深部矿井建设要求，适用于滨海地区深部矿井建设。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，其特征在于：包括如下质量份数的原料组分：水泥40～55份；磨细矿渣粉30～35份；磨细粉煤灰40～45份；硅灰50～60份；河砂225～250份；钢纤维8～15份；减水剂2～4份和水30～45份。

2.如权利要求1所述的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，其特征在于：所述水泥为P.O.42.5级普通硅酸盐水泥。

3.如权利要求1所述的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，其特征在于：所述磨细矿渣粉的比表面积≥400m²/kg。

4.如权利要求1所述的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，其特征在于：所述磨细粉煤灰的比表面积≥310m²/kg。

5.如权利要求1所述的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，其特征在于：所述硅灰的比表面积≥20m²/kg，且所述硅灰中SiO₂含量≥96％。

6.如权利要求1所述的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，其特征在于：所述河砂的细度为2.3～2.8mm。

7.如权利要求1所述的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，其特征在于：所述钢纤维为镀铜微丝钢纤维，长度为13～15mm，直径为0.18～0.25mm。

8.如权利要求1至7任一项所述的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。

9.一种权利要求1至8任一项所述的应用于滨海地区深部矿井建设的高性能井壁混凝土的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将所述磨细矿渣粉、磨细粉煤灰和硅灰预混，得到复合矿物掺合料；

S2：将所述复合矿物掺合料与所述河砂混合后，加入所述水泥混合均匀，得混合物料；

S3：将所述减水剂加入到水中混合均匀得混合液；

S4：将所述混合物料与所述混合液进行混料处理，得混合浆料；

S5：向所述混合浆料中加入所述钢纤维，搅拌至均匀，得混凝土。