泵送早强混凝土墙体充填材料的研究与应用.pdf

l l 8 东 差 舛技 2 0 1 1 年 第2 期 泵送 早强混凝 土墙体 充填材料 的研究与应 用 贾 民 充州煤业股份 有限公 司济宁二 号煤矿 ． 山东 济宁2 7 2 0 7 2 ’ 摘要混凝土的配合比设计取决 于水灰 比、 用水量和 砂率三个参数 ， 由混凝土 的配制 强度和水泥的实 际强度 得到水灰 比， 根据塌落度和 粗骨 料的最大粒径确定 单方混凝土的用 水量 ， 然后根据粗骨料的最大粒径和水灰比选择适 当的砂率， 最后 即可根据容重 法或体 积法确定砂和 石子 的用量 ． 经过试配和调整 完成混凝土 的配合 比。 关键词 充填材料早强混凝土 配合 比 特性 中图分类号 T D 8 2 3 ． 7 文献标识码A 目前， 国内外沿空留巷巷旁支护的充填材料主要 有高水 材料 、 石膏 、 采空区矸石和混凝土等 。高水材料 缺点是后期大量脱水 、 强度锐减 ， 难以适应 二次采动压 力影响 ， 加之成本较 高 ， 限制 了其推广应用。石 膏材料 是国外较多运用的一种巷旁支护充填材料， 国内煤矿 较少使用。矸 石充填 的缺 点是强 度较低 ， 压缩 变形量 大， 加之工作面矸石来源有限， 目前多用于薄煤层工作 面充填。混凝土是近几年新兴的一种巷旁充填材料， 特点是成本低 廉 、 力学性 能优 良、 施工 工艺简单 ， 但是 必须要对其配合 比进行确定 。 1 泵送 早 强混凝 土研究 1 ． 1 性 能要求 巷旁支护充填墙， 主要承受沿空 留巷采空侧顶板 岩层的重量 ， 要 求能够及 时承载 ， 越 早强越好 ， 一般要 求 1 6 h 应达 到设计强度 的 4 0 ％。为此 ， 混凝 土需采用 泵送早 强混 凝 土， 要 求具 备 以下特 点 1 流动 性好 ， 塌落度在 1 8～ 2 2 c m， 水平 泵送时不 低于 1 2 c m， 以便 于 管路输 送 ； 2 “ 快硬 早强 ” ， 要 求抗 压 强度 1 2 h达 到 4 MP a以上 ， 能够及 时承载 ， 以确保施 工速度 ， 尽量避免 充填对生产造成影响； 3 混凝土拌合物均质性好， 集 料与水泥浆必须不能离析及 泌水 ； 4 凝结时 间适 中。 鉴于 国内煤 矿 目前 的施 工工 艺较 为落后 ， 而且 一般不 使用 大批 的特殊施工设备 ， 因此要求初凝 时间长 ， 终凝 时间短， 以保证“ 快硬早强” ； 5 后期性能稳定。要求 使用年限较长， 后期强度和物理力学性能稳定， 能够稳 定承载 ， 以减少维修费用。 目前一般采用三种方法来达到上述要求 1 采 用“ 快硬早强” 型特种水泥； 2 使用普通硅酸盐水泥， 配合早强剂及多种外加剂； 3 掺加特种矿物掺合料。 收稿 日期 2 O l 1 0 41 8 作者简介 贾 民 1 9 6 5一 ， 男 ， 山东邹城人 ， 硕士研究 生学历 ， 现任 济宁二号煤矿矿长、 高级工程师。 为了便于就地取材和降低成本 ， 采用第二种方法。为 此 ， 需要确定基准混凝 土配制。 1 ． 2早 强混凝 土配合 比 混凝土的配合 比设计取决 于水灰 比、 用水 量和砂 率三个参 数 ， 由混凝 土 的配制 强度和水 泥 的实 际强度 得到水灰 比， 根据 塌落度和粗 骨料 的最 大粒径确 定单 方混凝土 的用水 量 ， 然 后根据粗 骨料 的最大粒 径和水 灰比选择适当的砂率， 最后即可根据容重法或体积法 确定砂和石子 的用 量 ， 经过试配 和调整 完成混凝 土的 配合 比。 试验材料主要性能 及要求 如表 1 所 示。其 中， 粗 集料 卵石和碎石 采用 连续级配 ， 针 片状颗粒含量应 不大于 1 0 ％ ， 其最 大粒径与输送 管径 之 比应 符合表 2 要求。砂 子要求 通过 3 ． 1 5 ra m筛 孔 ， 颗 粒含 量应 不少 于 1 5 ％。为降低 成本 ， 一般选 用纯 熟料 硅 酸盐 水泥 、 普通硅 酸盐水 泥、 矿 渣硅酸盐水 泥和粉 煤灰硅 酸盐水 泥 ， 不宜采用火山灰质硅酸盐水 泥。 表 1 材料规格及参数 名称 产地 规格 参数 备 注 水泥 中联牌 R 4 2 ． 5硅酸盐水 泥 砂子 济宁产河砂 平均直径 3 ． 4 r n m 粗砂 I区 石子 济宁产粒径碎石 52 0 ram 粉煤灰 兖矿电厂 自产粉煤灰 复合早强剂 T Z一1型早强剂 复合减水剂 T J 一1型减水剂 水 自 来水 为提高混凝土早期强度 对后期强度无显著影 响 ， 缩短混凝土凝结时间， 一般要添加早强剂 促凝 剂 。同时为了加速水泥水化速度， 提高流动性， 减少 了塌落度损失 ， 促进混凝土早期强度的发展， 一般还需 要添加具有减水增强功能的减水剂。经过大量试验， 选用 T Z一1 型早强剂 和 T J 一1型减水 剂。研究表 明 ， 粉煤灰参量为 1 5 ％ 比较合理。其配 比与塌落度和抗 压强度关系见表 2 。 2 0 1 1 年 第2 期 互瞧晨 甜l技 l l 9 表 2 外加剂参量及试验结 果 I 水胶比 粉煤灰 塌落度 J 抗压强度 M P a 早 强 剂 减 水 剂 m m I 1 6 h I 2 4 h } 0 ． 4 2 1 5 ％ l 6 5 7 ． 6 1 1 ． 2 4 1 ． 3 早 强混凝 土特 性研 究 为了验证 配合 比的合理 性 ， 对 其性能 进行 了 系统 试验。考虑到实 际问题 比较 复杂 ， 包含 因素较 多 ， 各个 因素权重不 同 ， 为 了寻找最佳条件 ， 采用 正交试验方法 挑选 出适量 的具有代表性 的试验点 。试 验水灰 比及外 加剂 早强剂 、 减水剂 都考虑 了 3个水平 ， 其试 验水平 及试验结果见表 3 、 表 4 。 表 3 正 交试验 表 编号 水灰 比 粉煤灰 T Zl T J一1 1 1 0 ． 4 0 1 1 0 ％ 3 3 ％ 2 1 ． 5 ％ 2 2 O ． 4 2 1 1 0 ％ 1 2 ％ 1 1 ％ 3 3 O ． 4 4 1 1 O ％ 2 2 ． 5 ％ 3 2 ％ 4 1 0 ． 4 0 2 1 5 ％ 2 2 ． 5 ％ 1 1 ％ 5 2 0 ． 4 2 2 1 5 ％ 3 3 ％ 3 2 ％ 6 3 0 ． 4 4 1 5 ％ 1 2 ％ 2 1 ． 5 ％ 7 1 O ． 4 0 3 2 O ％ 1 2 ％ 3 2 ％ 3 2 0 ． 4 2 3 2 0 ％ 2 2 ． 5 ％ 2 1 ． 5 ％ 9 3 0 ． 4 4 3 2 0 ％ 3 3 ％ 1 1 ％ 表 4 试 验结果 塌落度 抗压强度 MP a ra m 8 h 1 6 h l d 3 d 7 d 2 8 d 4 0 O． 9 5 1 0 ．1． 1 7 ． 1 2 9． 9 41 ． 3 5 2． 2 5 3 0 1 ． 4 7 8 ． 2 3 l 3 ． 9 2 7 ． 2 3 7 ． 5 4 6． 71 8 0 1 ．1 9 7 ， 6 o 1 3 ． 9 2 6 ． 8 3 7． 8 4 6． 0 8 3 5 1 ． 4 3 7 ． 7 6 1 4 ． 4 2 6 ． 9 3 7． 2 4 9． 7 2 1 o o 1 ． 4 3 5 ． 76 1 0 ． 9 2 3 ． 9 0 3 O． 6 4 0． 2 2 1 2 0 1 ． 9 0 6 ． 1 8 l 0 ． 3 2 3． 1 31 ． 9 8 4 3． 2 3 2 5 1 ． 47 7 ． 4 4 9． 5 2 3． 9 3 3． 4 1 4 5． 9 2 1 0 1 ． 7 1 6 ． 6 5 9． 0 2 2 1 ． 4 3 2． 1 4 4 3． 3 8 8 0 1 ． 7 1 5． 8 6 8 ． 4 6 l 9． 6 2 7． 7 1 4 0． 8 5 分别采用采用综合评分法 和综合平衡 法对试验结 果进行对比分析。试验主要对塌落度 记为 t 与8 h抗 压强度 记为 f 8 进行了评估。 综合评分法的制定评分标准如下， 塌落度以O m m 为基础， 记为0分 ， 每增加 l m i l l 加 1 分； 8 h 抗压强度以 0 ． 1 MP a为基础 ， 记为 1分 ， 每增加 0 ． 1 M P a 加一分。 其综合评分情况及评价指标见表 5 。由计算结果可 知 ， 水胶 比掺量 的极 差最 大为 1 8 9 ， 减水剂掺量 的极差 最小为 5 5 ， 说明主次为 水胶 比一粉煤灰掺量一早强 剂含量一减水剂含量。以第 6号 A 3 B 2 C 1 D 2 试验结 果为最好 。 表 5 综合评分 法计算结果 水灰 比 粉煤灰 早强剂 减水剂 t f 8 编号 综合评分 A B C D il l m MP a l l 0 ． 4 0 l 1 0 ％ 3 3 ％ 2 f 1 ． 5 ％ 4 0 0． 9 5 5 0 2 2 0 ． 4 2 1 1 0 ％ 1 2 ％ l 1 ％ 3 0 1 ． 4 7 4 5 3 3 0 ． 4 4 1 1 0％ 2 2 ． 5 ％ 3 2 ％ 8 0 I _ 1 9 9 2 4 1 0 ． 4 0 2 1 5 ％ 2 2 ． 5 ％ 1 1 ％ 3 5 1 ． 4 3 4 9 5 2 0． 4 2 2 1 5 ％ 3 3 ％ 3 2 ％ l o 0 1 ． 4 3 1 1 4 6 3 0 ． 4 4 2 1 5 ％ 1 2 ％ 2 1 ． 5 ％ 1 2 0 1 ． 9 o 1 3 9 7 1 0． 4 0 3 2 0 ％ l 2 ％ 3 2 ％ 2 5 1 ． 4 7 4 0 8 2 0． 4 2 3 2 0 ％ 2 2 ． 5 ％ 2 I 5 ％ l 0 1 ． 7 I 2 7 9 3 0． 4 4 3 2 O ％ 3 3 ％ 1 1 ％ 8 0 l 7 l 9 7 K1 l 3 9 l 8 7 2 2 4 1 9 l 总和 6 5 3 K 2 1 8 6 3 o 2 l 6 8 2l 6 K 3 3 2 8 l 6 4 2 6 1 2 4 6 R l 8 9 1 3 8 9 3 5 5 综 合平衡法计算结果见表 6所示 。仅从塌 落度 这 一 指标 来看 ， 好 条 件 应 为 A 3 B 2 C 3 D 3 ； 对 于 8 h抗 压 强 度 ， 好条 件应 取 A 3 B 3 C 1 D 2 。但这 样两 个 指标 分 析 出 的条件互不一致 ， 为此 根据顺 序的主次、 影响 的大小 来 综合考 虑 ， 最终选 择 A 3 B 2 C 1 D 2 ， 即第 6号试 验条件。 表 6 综合平衡法计算结果 t mm t 8 MP a A B C D A B C D K1 1 0 o l 5 O 7 5 l 4 5 3． 8 5 3 ． 6 l 4． 8 4 4 ． 6 1 K2 】 4 0 2 5 5 1 2 5 1 7 0 4． 61 4 ． 7 6 4 ． 3 3 4 ． 56 K 3 2 8 0 1 l 5 2 2 0 2 0 5 4． 8 4 ． 8 9 4． 0 9 4 ． 0 9 R 1 8 0 1 4 0 l 4 5 6 0 O ． 9 5 1 ． 2 8 0 ． 7 5 0 ． 5 2 根 据正交试验结果 及试 验评 价分析 ， 可 知第 6号 试验条 件 A 3 B 2 C 1 D 2 符合设计要求 ， 配合 比见表 7 。 表 7外加剂配合 比 【 水灰比 粉煤灰 早强剂 减水剂 0 ． 4 4 l 5％ 2％ 1 ． 5 ％ 2结论 及 建议 根据表 7的配合比， 在环境温度为 1 5 ℃的情况下 进行了强度试验 ， 并最 终将其 作为矿 井沿 空 留巷混 凝 土墙 现场施 工配合 比。本试验的配合 比在兖矿集 团济 宁二号煤矿较薄煤层工作面投入了生产实践， 通过实 际效果表明， 上述配比合理， 混凝土材料流动性好、 凝 结时间适中、 强度合理、 物理力学性能稳定， 满足了矿 井工作面巷旁支护需要。