粉状速凝剂在喷射混凝土中的应用与研发趋势.pdf

2 0 1 1 年第 1 2 期 中州煤炭 总第 1 9 2 期 粉状速凝剂在喷射 混凝 土 中的应用与研发趋 势 吴 文 丰。 ， 齐家根 ， 王 丽娟 ， 赵兵建 ， 张付 涛 ( 1 邯郸君强矿 山科技 有限公司， 河北 邯郸0 5 6 0 0 7 ； 2 中天合创 能源有限责任公 司 葫芦素煤矿 ， 内蒙古 乌审旗0 1 7 3 0 0 ) 摘要 ： 阐述 了粉状速凝 剂在 喷射 混凝土 中的重要性 ， 分析 了粉状速凝 剂影响 喷射 混凝 土质量 的主 要 因素 ， 并 针对这些影响 因素 ， 介 绍 了国内外研 究现状及 目前 国内的研 究成果 ， 对现场 锚喷应用过程 中存在 的问题( 回 弹率、 粉尘浓度、 抗压强度、 抗渗 强度等) 进行 了分析 ， 同时探讨 了今后粉状速凝 剂的研发 方向。 关键词 ： 喷射混凝 土； 速凝剂 ； 回弹率 ； 抗渗 强度 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 2 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 3 0 5 0 6 ( 2 0 1 1 ) 1 2 0 0 3 6 0 3 Ap p l i c a t i o n a nd RD Tr e n d o f Po we r Ac c e l e r a t o r i n S ho t c r e t e Wu We n f e n ， Q i J i a g e n 。 ， Wa n g L i j u a n ， Z h a o B i n g j i a n ， Z h a n g F u t a o ( 1 H a n d a n J u n q i a n g L i mi t e d C o m p a n y o f Mi n i n g T e c h n o l o g y ， H a n d a n 0 5 6 0 0 7 ， C h i n a ； 2 H u l u s u C o a l Mi n e ， Z h o n g t i a n h e c h u a n g E n e r g y L i mi t e d L i a b i l i t y C o m p a n y ， W u s h e n q i 0 1 7 3 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r p o i n t e d o u t t h e i mp o r t a n c e o f p o we r a c c e l e r a t o r i n s h o t c r e t e ， a n d t h e ma i n i n fl u e n c e f a c t o r s o f s h o t c r e t e q u a l i t y we r e a n a l y z e d Ai mi ng a t t he s e f a c t o r s， t he c u r r e n t r e s e a r c h s i t ua t i o n a t h o me a n d a br o a d we r e i nt r o d u c e d， t h e ma i n a c h i e ve me nt s f r o m t h e r e s e a r c h i n o ur c o u n t r y we r e a l s o p r o po s e d T he a u t h o r a n a l y s e d s o me p r o b l e ms e x i s t i n t h e a p p l i c a t i o n p r o c e s s o f fie l d b o l t i n g a n d s h o t c r e t i ng， s u c h a s r e bo u n d r a t e， d us t d e n s i t y， c o mpr e s s i v e s t r e n g t h， a n t i - pe r me a bi l i t y s t r e n g t h a n s o o nMe a n wh i l e， t he r e s e a r c h a n d de v e l o p me nt t r e n d o f p o we r a c c e l e r a t o r wa s d i s c u s s e d Ke ywo r ds： s h o t c r e t e； a c c e l e r a t o r； r e bo u n d r a t e； a nt i - p e rm e a b i l i t y s t r e n g t h 近年来， 随着喷射混凝 土技术在岩土工程和地 下工程等建筑领域的广泛应用和迅猛发展 ， 越来越 多的科研工作者投入喷射混凝土速凝剂的研究 中。 此外 ， 锚喷在煤矿巷道中的应用也越来越广泛 ， 由于 煤矿开采的深度逐渐加大， 水文地质条件变得越来 越复杂 ， 从而对速凝剂性能提出了更高的要求 ， 如凝 结 时间 、 回弹 率 、 抗压 强度 、 抗渗 性等性 能指标 。 速凝剂属于混凝土外加剂的一种 ， 其反应机理 主要是通过与水泥的水化反应调节缩短混凝土凝结 时间并加快硬化速度 ， 使之失去流动性 ， 提高早期强 度。喷射混凝土按其施工方式可分为干式喷射混凝 土和湿式喷射混凝 土 2种。其 中， 粉状速凝剂用于 干式喷射混凝土 ， 液体速凝剂主要用于湿式喷射混 凝土。目前 ， 我国大多数煤矿工程均采用 干式喷射 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 7 2 7 作者简 介 ： 吴 文丰 ( 1 9 7 9 一 ) ， 男 ， 河 北邯郸人 ， 高级工程师 ， 1 9 9 8年 毕业 于徐州建筑职业技术学校 ， 长期从事 高强高性 能混凝土外加 剂 的研究 与应用工作 。 3 6 混凝土 ， 即使用粉状速凝剂 。 由于喷射混凝土过程中需要喷射出的混凝土能 在很短的时间内凝结 ， 素混凝土 由于凝结时间过长 不能满足设计要求 ， 这就需要缩短水泥凝结时间 ， 速 凝剂的特殊性能使它成为喷射混凝土必不可少的组 分之一。喷射混凝土施工过程中添加速凝剂的主要 作用在于使混凝土与岩面有 良好的黏结性 ， 防止因 重力作用而大片脱落， 有效减小回弹率 ， 从而可以起 到补强加 固、 抗水渗透的作用。 1 粉状速凝剂 的种类 国内粉状速凝剂的种类和牌号很多， 按其主要 成分分类 ， 大致可以分为以下 3种 ： ( 1 ) 铝氧熟料加碳酸盐系。这类速凝 剂主要 由 铝氧熟料、 碳酸钠以及生石灰组成 ， 其中铝氧熟料 由 铝矾土矿经过高温煅烧而成。铝矾土矿的主要成分 是偏铝酸钠 ( N a A I O ： ) ， 含量在 6 0 一8 0 。该速 凝剂 常规 掺 量 为 水 泥 总 量 的 2 5 6 0 。 由于 碱性高， 使得混凝 土 2 8 d强度下降较快 ， 若加人适 2 0 1 1年第 1 2期 吴文丰， 等 ： 粉状速凝剂在喷射混凝土中的应用与研发趋势 总第 1 9 2期 量的无水石膏 ， 可以有效提高后期强度。 ( 2 ) 铝 氧熟料 加 明矾 石 系 。 它 的主 要成 分 为 铝 矾 土 和芒 硝 ( N a S O H： 0) 。经 高 温煅 烧 后 生 成 铝 酸盐 ， 再加入一定 比例的生石灰和氧化锌进行研磨 而成 。该 速凝 剂 的 化学 成 分 为 ： 铝 酸钠 、 硅 酸三 钙 、 硅酸二钙、 氧化钙 、 氧化锌。此类速凝剂的碱性略低 于铝氧熟料加碳酸盐系， 由于氧化锌的加入提高了 混凝土的后期强度 ， 但早期强度提高得较慢 。 ( 3 ) 非碱性粉末状速凝剂。该类速凝剂一般是 铝酸钙外加剂 ， 其掺量一般控制在 6 1 2 。与 其他碱性外加剂不同， 该速凝剂可直接与水反应 ， 而 非与水泥发生水化反应。无碱速凝剂的新产品主要 是氢氧化铝或硫酸铝的复合产 品， 掺量为 4 时 ， 就 可 以产 生 足够 的早 期强 度 ； 掺量 大 于 8 时 ， 后 期 强 度无损失 ； 掺量大于 1 0 时 ， 则会 出现 明显的后期 强 度 损失 。 2粉状速凝剂 的研发现 状 早在 2 0世 纪 3 0年代 ， 国外 就 开 始 对 速 凝 剂 进 行研发 ， 其中大多数产品是通过低成本的工业副产 品生产 而来 的， 已有 7 0多年历史。我 国开展得较 晚， 自2 0世纪 6 0年代开始对速凝剂的研究 ， 至今已 有 4 0多年 ， 并相 继研发 出许多科技成果 ， 其 中多数 为粉状速凝剂 。直至现在 ， 粉状速凝剂在 我国喷射 混凝土用速凝剂中仍占据非常重要 的地位。 ( 1 ) 红星一型速凝剂。该速凝剂是国内 目前应 用最为普遍的一种粉状速凝剂 ， 属于铝氧熟料加碳 酸盐系， 其主要成分为铝氧烧结块 、 碳酸钠、 生石灰 ， 质量比为 1 O ： 1 0 ： 0 5 。在该产 品掺量为 2 5 时 ， 初凝时间为 9 0 s ， 终凝时间为 4 5 0 s ； 1 ， 3 ， 2 8 d的抗 压强度值分别为 8 4 ， 2 2 0 ， 3 0 0 M P a 。然而该速凝 剂速凝和早强效果受环境 、 温度影响较大。 而且由于 碱性高 ， 对人体皮肤有一定 的腐蚀伤害作用。在潮 湿环境下 ， 喷射混凝土后期强度受一定影响。 ( 2 ) 7 1 1型速凝剂。该产品也属于铝氧熟料加 碳酸盐系 ， 其主要成 分为铝酸钠 、 硅酸二钙 和铁酸 钠。当掺量为 3 5 时 ， 水泥净浆的终凝时间为 1 8 0 s ； 1 ， 2 8 d的抗压强度值分别为 8 1 ， 4 3 1 MP a 。该 产品对混凝土后期强度有一定 的损失， 同样 由于碱 性高 ， 对人体皮肤有腐蚀伤害作用。 ( 3 ) 阳泉 1型速凝剂。该产品属于铝氧熟料加 明矾石系， 掺量在 2 时 ， 水泥净浆初凝 时间 I 1 5 s ， 终凝时间 3 4 5 8 。1 ， 3 ， 2 8 d的抗压 强度 值分别 为 8 8 ， 2 1 0 ， 2 8 0 MP a 。该产品对人体皮肤有腐蚀 伤 害作用， 并对混凝土后期强度有一定影响。 ( 4 ) 7 8 2型速凝剂 。该产品的主要成分为矾泥。 当掺量为 5 7 时 ， 水泥 的初凝时间为 3 0 0 S ， 终 凝时间在 6 0 0 S ， 2 8 d抗压强度 为不掺者的 9 0 以 上。该产品的优点在于碱性小， 对人体皮肤只有轻 微的腐蚀作用 。缺点是产品掺量大 ， 并对某些矿渣 水 泥 的适应性 较 差 。此 后 ， 长 沙 矿 山研 究 院 又先 后 研 制 出 了 wJ 1型 速凝剂 和 A C型速凝 剂 ， 均得 出 了 良好的性能指标 。 ( 5 ) J Q MP C锚 喷专用高 性能混 凝土外 加剂。 该产品是以多种超细矿物外加剂 、 无碱速凝剂、 高分 子化学外加剂为主要成分 ， 辅以高分子改性剂而成 的高效复合外加剂 ， 在满足喷射混凝土速凝要求的 同时 ， 还能改善和提高喷射混凝土的综合性能。其 初凝时间为 1 5 6 S ， 终凝时间为 2 8 5 s ， 掺入锚喷混凝 土后 回弹率将为 5 8 ， 粉尘浓度 降低 6 0 左 右 ， 抗 压和抗 渗性能都有 显著提高 ， 3 d强度 可达 C 2 0以上 ， 抗渗能力可达 P 2 5 。 ( 6 ) 用 于喷射混凝土 的 D H T复合 外加剂。该 产品中减水组分 占 1 ， 速凝剂 占4 ， 增黏无机组 分掺量为 3 。增黏无机组分 为阜新当地原料磨细 加工 而成 ， 其 化 学成 分 为 S i O 、 A I 0 、 C a O、 F e ： 0 ， 等。水泥的初凝 时间为 9 0 S ， 终凝时间为 1 2 0 s 。在 阜新矿务局东梁矿开拓区实施了首次井下现场喷射 混凝 土试 验 。回 弹率为 9 6 3 ， 3 ， 7， 2 8 d抗压 强 度 分别为 1 1 7 ， 1 6 6 ， 2 5 4 MP a 。素喷射混凝土 回弹 率达到 3 5 ， 2 8 d 抗压强度仅为 l 7 8 MP a 。 3粉状速凝剂存在 问题 考虑到施工的特殊性 ， 我 国煤矿井下锚喷过程 中普遍采用干法喷射混凝土掺人粉状速凝剂 ， 在井 下锚 喷过 程 中除水 泥的预 先水化 、 温 度 、 速 凝剂受 潮 湿程度 、 操作人员水平等因素影响外 ， 速凝剂本身的 特性和工艺特点也是影响现场施工质量 的主要 因 素 。其 中， 在工程应用 中速凝剂存在的主要问题有： ( 1 ) 碱性大 ， 腐蚀性强。碱性大 ， 增加了与砂 中 二氧化硅的反应机会 ， 容易使混凝土发生碱一骨料 反应。此外 ， 碱性较大 ， 容易对人体皮肤 、 感觉器官 造成严重腐蚀。 ( 2 ) 后期强度损失较大。普通速凝 剂虽然具有 速凝的特性 ， 但是其对混凝土后期强度影响较大， 混 凝土 2 8 d强度损失在 3 0 一 5 0 。 3 7 2 0 1 1 年第 1 2期 中州煤炭 总第 1 9 2 期 ( 3 ) 回弹率大。现场施工 中回弹率一般在 3 0 4 0 ， 远远不能满足规定边墙及拱部 回弹不大于 1 5 和 2 5 要求。混凝土回弹率过大， 不仅浪费原 料 ， 间接增加了成本和施工人员的工作量 ， 而且降低 了工作效率 ， 影响施工进度。 ( 4 ) 粉尘大。普通速凝剂施工现场粉尘浓度高 达 4 7 3 m g m 甚至更高 ， 造成工作环境 恶劣 ， 对施 工人员 的身体健康危害很大。 ( 5 ) 密实防水。喷射混凝土 的抗渗性主要取决 于孔隙率和孔隙结构。由于喷射混凝土本身工艺以 及煤矿水文地质的复杂性 ， 在巷道施工中常常会遇 到含水层 ， 普通速凝剂造成 喷射混凝土的微孔结构 重新排列 ， 达不到设计的防渗等级要求 。 ( 6 ) 耐久性 差。在煤矿 巷道 等复杂环境 中， 掺 入普通速凝剂的喷射混凝土容易锈蚀锚杆和锚网， 从而大大缩短锚喷支护混凝土的寿命 ， 降低支护强 度 ， 需 重新进行 二 次支 护 。 4粉状速凝剂研 发趋 势 根据 目前矿井巷道建设等工程对喷射混凝土外 加剂性能的要求 ， 应研发低碱或无碱速凝剂 ， 使喷射 混凝土后期具有强度高、 回弹率低 、 减少粉尘 、 黏聚 性能好 、 密实防水抗渗 、 减少开裂 、 抗化学侵蚀 、 耐久 性强、 对水泥各龄期强度无较大负影 响等特点。 目 前国内速凝剂的研发趋势 由液体速凝剂逐步取代粉 状速凝剂 ， 并且在隧道和地铁等工程方面湿喷法 已 经逐步替代 了干喷法。根据有关报道， 到 2 0 1 3年煤 矿巷道的锚喷也将逐步由湿喷法代替干喷法。速凝 剂的研发也将逐步由单一性能向多性能复合速凝剂 方 向发展 。现 国 内在 巷道 锚 喷过程 中应 用 比较 成功 的产品有 J Q MP C锚喷高性能混凝土外加剂 ， 该外 加剂具有速凝 、 早强 、 抗渗、 降尘、 回弹率低等优点 ， 同时具有无碱速凝和高耐久 性等特点 ， 广泛适用于 煤矿各种巷道 的锚喷。 5 结语 在对喷射混凝土中粉状速凝剂 的应用情况进行 具体阐述的基础上 ， 对 国内常用粉状速凝剂的组分 及其性能指标进行了比较 。比较结果显示 ， 普通速 凝剂 在锚 喷过 程 中具 有 粉尘浓 度大 、 抗渗 能力低 、 回 弹率高、 后期强度损失大等缺点 ， 而国内研发的新型 复合型速凝剂可以克服以上缺点 ， 所 以新型复合速 凝剂将取代传统速凝剂是必然趋势。 参考 文献 ： 1 赵文 彬， 谭允 祯 ， 商岩 冬 矿用 喷 射混 凝土 外加 剂 机理 分析 J 煤炭学报 ， 2 0 0 9 ， 3 4 ( 4) ： 5 2 6 - 5 3 0 2 王坚 喷射混凝 土添 加剂 的新发 展 J 世 界采矿 快报 ， 1 9 9 2 ( 2 ) ： 2 1 - 2 5 3 熊大玉 ， 王小虹 混 凝土外加 剂 M 北京 ： 化学工业 出版社 ， 2 0 0 4 4 陈建奎 混凝土外加剂原 理与应用 M 北 京 ： 中 国计 划 出版 社 2 0 0 4 5 杨仁树 ， 肖同社 喷射混凝土速凝剂的应用与发展 J 中国矿 业 ， 2 0 0 5 ， 1 4( 7 ) ： 7 9 8 1 6 青 义琢 混凝 土 速凝 剂 的 研究 成 果 与展 望 J 云南 冶金 ， 1 9 9 8， 2 7 ( 1 ) ： 1 6 - 2 0 7 唐明 ， 佟钰 ， 王博 低 回弹 喷射 混凝 土复合外 加剂 的研 究与应 用 J 沈阳建筑工程学院学报 ， 1 9 9 8 ， 1 4( 3 ) ： 2 0 9 - 2 1 4 8 杨 国安 喷射混凝土用 速凝剂 的特 性 J 淮北 职业技术学 院 学报 ， 2 0 0 3， 2 ( 3 )： 8 2 - 8 3 9 郑嘉贤 喷射混凝 土用速凝剂发展概况及趋势 J 福建建 筑， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 5 5 - 5 7 1 O高 占武 喷射 混凝 土施工工 艺 J 铁 道建筑 技术 ， 1 9 9 4( 5) ： 1 4 1 6 1 1 曾文渊 ， 黄煜镔 速凝剂对喷射混凝土耐久性 的不利影 响浅析 J 广东建材 ， 2 0 0 2 ( 1 1 ) ： 3 2 - 3 4 ( 责任编辑 ： 秦爱新) ( 上接第 2 3页) 节油率超 过 6 0 。另外 ， 在表面 活性剂的作用下 ， 该药剂捕收性能和选择性都有所 提高 ， 在精煤灰分基本不变的情况下 ， 可以大大提高 尾煤灰分 ， 经济效益显著。 参考文献 ： 1 丁立 亲 浮选 的 理论 与实 践 M 北 京 ： 煤 炭 工业 出版 社 ， l 9 8 4 2 赵 鸣， 皇甫京华 ， 刘翼州 R P乳化剂在煤 泥浮选中的作用 J 3 8 煤炭转化 ， 1 9 9 8 ， 2 1 ( 1 )： 9 4 - 9 6 3 吕玉庭 ， 王劲草 ， 吕一 波 D R煤油乳 化液 的制备与应用 j 选 煤技术 ， 2 0 0 3 ( 6 ) ： 7 6 - 7 8 4 曲剑午 乳化煤油捕收剂 的浮选效果 J 选煤技术 ， 2 0 0 2( 4 ) ： 1 5 吕玉庭 ， 王劲草 ， 吕一波 煤油捕 收剂的乳 化与浮选 j 煤 炭 科学技术 ， 2 0 0 4( 8 ) ： 5 7 - 5 9 ( 责任编辑 ： 郭海霞)