陕西王峰煤矿高性能混凝土的配制.pdf

2 0 1 3 年第 1 2 期 中州煤炭 总第2 1 6 期 陕西王峰煤矿 高性 能混凝 土的配制 张 萍 ， 吴将 丰 ， 吴文 丰， 王 丽娟 ( 邯郸君 强矿 山科技有 限公 司， 河北 邯郸0 5 6 0 0 3 ) 摘要 ： 陕西陕煤 韩城矿 业有限公 司投建 的王峰矿 井采用普通钻井法 ， 混凝土设计 强度等级 为 C 4 0 - C 5 0 ， 受 当 地原材料 的限制 ， 选 用细度模数 M =1 5的特细砂 配制 混凝 土。根据其 施工要求 以及水 文地质情况 ， 进行 了外加 剂与原材料适应性试配工作 的研究。掺入 J Q H P C 6 0井筒专用高性 能混凝 土外加剂 ， 通过调整 、 优化 配合 比， 确定 井筒用高性 能混凝 土的 C 4 0 -C 5 0应用 配合 比， 满足设计 强度 等技术指标 ， 解决 了细 骨料不符 合标 准时高性 能混凝土 的配制 问题。 关键 词 ： 配 合 比 ； 外加 剂 ； 混凝 土 中图分类 号： T U 5 2 8 文献标志码 ： A 文章编 号 ： 1 0 0 3 0 5 0 6 ( 2 0 1 3 ) 1 20 0 2 2 0 3 Pr e pa r a t i o n o f Hi g h Pe r f o r m a n c e Co nc r e t e i n W a ng f e n g Co a l M i ne o f Sh a a n x i Pr o v i nc e Z h a n g P i n g ， Wu J i a n g f e n g， Wu We n f e n g ， Wa n g L i j u a n ( Ha n d a n J u n q i a n g Mi n e T e c h n o l o g y C o ， L t d ， H a n d a n 0 5 6 0 0 3， C h i n a) Abs t r ac t： Th e c o nv e n t i o n a l d r i l l i n g me t h o d wa s u s e d i n Wa n g f e n g Co a l Mi ne o f S h a a n x i Ha n c h e n g Mi ni n g Co ， L t d， a n d t h e de s i g n e d s t r e ng t h g r a d e s o f c o n c r e t e a r e C4 O C5 0 Be c a us e o f t h e l i mi t a t i o n o f r a w ma t e r i a l s i n l o c a l r e g i o n s u p e r fine s a nd wi t h fi ne n e s s mo d u l u s M =1 5 wa s c ho s e n Ac c o r d i n g t o t h e c o n s t r u c t i o n r e q ui r e me n t s a n d hy dr o g e o l o g i c a l c o nd i t i o n s， t h e t e s t a d a pt a b i l i t y o f a d mi x t u r e a nd r a w ma t e r i a l s w a s s t u d i e d T h r o u g h i n c o r p o r a t i o n o f J Q H P C 6 0 s h a f t s p e c i a l h i g h p e r f o r m a n c e c o n c r e t e a d m i x t u r e a n d t h e a d j u s t m e n t a n d o p t i mi z a t i o n o f mi x t u r e r a t i o， t h e pr e pa r a t i o n o f hi g h p e r f o r ma n c e c o nc r e t e u s i n g fi ne a g g r e g a t e wa s de t e r mi n e d， wh i c h c a n me e t t h e s t a n da r d o f a l l wo r ki n g p e r f o r ma n c e a n d d e s i g n e d s t r e n g t h， a n d s o l v e t h e p r e pa r a t i o n p r o b l e ms o f h i g h p e r f o rm a nc e c o nc r e t e whe n f i n e a g g r e g a t e i s n o t s t a n d a r d Ke ywo r ds： mi x p r o p o r t i o n； a dmi x t u r e； c o n c r e t e 煤 炭是 我 国主要 一 次 性 能源 ， 而 在 国 内一些 地 区浅 部资源 渐趋枯 竭 ， 为缓解 13 益 突 出的能源 瓶颈 ， 今后煤炭开发主要为深部资源 。 。随着矿井建设 深 度 的增加 ， 井壁 受到 的地层 压力越 来越 大 ， 如果采 用传统混凝土井壁材料 ， 井壁设计厚度必然越来越 大 。加大井 壁厚度 不但 增加井 筒 开挖工 程量 和混凝 土用 量 ， 提 高施 工成本 ， 而且 大体 积混凝 土施 工 中容 易产 生温度 裂缝 ， 影响 井壁质 量 ， 故 研制 并采用 高性 能混凝 土是 深井施 工支 护 的有 效 手段 。 目前 ， 国家 正在 大力开 展西 部大开 发 战略 ， 煤 炭 资源开发正在大规模进行中。为 了保证井筒的质量 及 使用 寿命 ， 采 用 高性 能 混 凝 土是 大 势 所 趋 。而 配 制高 性能混 凝 土对 于 原材 料 则 提 出 了更 高 的要 求 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 30 81 6 作者简介 ：张 萍 ( 1 9 8 6 一 ) ， 女 ， 安徽 宿州 人 ， 助理 工程 师 ， 硕 士 ， 2 0 1 1年毕业于安徽工业 大学 ， 现从事煤矿建井用 混凝 土外加剂的复 配 、 研 究及技术服务支持工作。 22 特别是对砂的要求更高 ， 其细度模数最好在 3以上 。 J G J 5 2 -2 0 0 6 ( 普通混凝土用砂 、 石质量及检验方法 标准 中规定细度模数小于 1 6的为特细砂 ， 有关 文献 用高含泥量特细砂配制混凝土 ， 最高配制出 的强度为 3 5 5 MP a ， 坍落度小于 5 0 m m。随着混凝 土配制技术的不断提高 ， 重庆建筑大学蒲心诚采用 P 0 6 2 5硅 酸盐水 泥 、 特细 砂 配制 出高强 高 性 能 混 凝土 。王峰 矿井位 于陕 西韩城 ， 当地周边 缺少 中 、 粗 砂 资 源 ， 砂 子 为 细砂 、 特 细 砂 。能 不能 用 王 峰 煤矿周边的特细砂配制出高性能混凝土并满足施工 要求 ， 未见到这方面的试验和研究 ， 笔者试图就此问 题进行新的探索。 1 工 程 概 况 王峰 煤 矿井 田开拓 方 式 为斜 立 井 开拓 ， 矿 井 投 产时布置主斜井、 副立井 、 中央 回风立井 和措施立 井 。其 中 ， 中 央 回 风 立 井 净 直 径 7 5 I n ， 井 筒 深 度 2 0 1 3年第 1 2期 张萍 。 等 ： 陕西王 峰煤 矿高 性能 混凝 土的 配制 总第 2 1 6期 5 2 7 m； 副立井 净 直 径 9 2 i n ， 井 筒 深度 5 1 0 m； 措 施 立井 净 直 径 5 5 m， 井 筒 深 度 3 4 5 n l ； 3个 立井 均 采 用普 通钻 井法 施工 ， 砌碹 支 护 ， 混 凝 土强度 等级 要求 C 4 0 C 5 0 。井 筒施 工过 程 中会 穿 越 含水 层 ， 岩层 硬 度 变 化频 繁 ， 井 筒 自井 口起垂 深 1 6 53 0 0 i n范 围内 的上石盒子组基岩裂缝承压水 酸性较强 ， 为确保工 程 质量 ， 在施 工 中采取 一 定 的防护 措施 。 2 高性 能混凝土的原材料选择 ( 1 ) 水泥 。水 泥是混凝土 中主要 的胶凝材料 ， 水泥水化热是产生温度应 力的主要影响 因素之一， 水泥的选择是高性能混凝土 的关键环节 ， 对混凝土 质量影响重大。高性能混凝土所用的水泥要求质量 稳定 、 需水量低、 活性较高 ， 有较高的 2 8 d抗压强度 和 良好 的 流 变 性 能 ， 因 此 ， 选 用 强 度 不 低 于 4 2 5 MP a的普 通 硅 酸 盐 水 泥 。考 虑 到 经 济 成 本 与工 程质 量 ， 根据 就 近 选 材 原 则 并 通 过 试 配 ， 确 定 选 用 P 0 4 2 5水 泥 。 ( 2 ) 骨料及水。配制高性能混凝 土的骨料与普 通混凝土的要求不 同， 一般选用结构致密 、 膨胀系数 比较 小 的 、 表 面干净 且 没有 弱包 裹层 、 岩石 弹性 模量 比较 低 、 级 配 比较 好 并 有 足 够 强 度 的 优 良骨 料 。 石子粒径、 含泥量须严格按照 J G J 5 2 -2 0 0 6 普通混 凝土用砂 、 石质量及检验方法标准 进行 ， 可使混凝 土获 得 良好 的和易 性 及 抗 压 强 度 ， 并 通 过 减 少用 水 量及水泥用量降低水泥水化热 ， 达到降低温升的 目 的。为节约成本 ， 该矿选用当地相对优质粗细骨料 ， 粗骨 料 为 1 0 3 0 mm 碎 石 ； 细 骨料 选 用 特 细 砂 ， 细 度模数 M =1 5 ； 水 选 用 自来水 ， 其 性 能 应符 合 J G J 6 3 -8 9 ( 混凝土拌合 用水标准 的要求 。由标准 C E C S 2 0 7 ： 2 0 0 6 高性 能混 凝土 应 用技 术 规程 可 知 ， 关于混凝土细骨料选择要求 中粗河砂或人工 砂。由于细骨料条件 的限制 ， 该矿对细骨料的选择 不符合上述标准要求 ， 因此如何用特细砂并结合 当 地的其他原材料配制出满足施工要求 的高性能混凝 土 ， 是本 文研 究 的重点 。 ( 3 ) 外 加剂 。外 加 剂是 混 凝 土 中不 可缺 少 的一 部分 ， 为保证高性能混凝 土工程质量 、 防止开裂 、 提 高混凝土的耐久性 、 改善混凝土性能 ， 外加剂选择应 根据 混凝 土性 能要 求 、 施工 需要 ， 并结 合工 程选 定混 凝土 原材 料进 行 适应 性 试 验 ； 考虑 到 强 度 、 防水 、 抗 化学腐蚀等 因素 ， 确定选用 J Q H P C 6 0井筒专用 高 性能混凝土外 加剂， 其减水率 在 3 0 以上 ， 抗渗 等 级在 P 3 0以上 ； 其他性 能指标 均符合 混凝 土外加 剂 ( G B 8 0 7 6 -2 0 0 8 ) 相关规定。 3 高性能混凝土配合 比的设计与优化 根据混凝土设计强度等级 以及其他技术指标 ， 提 前完 成混 凝 土试 配工作 。混凝 土 配合 比参 照 国家 现行 混凝土结构工程施工及验收规范 、 普通混 凝土配合比设计规程中的规定进行试 配。在保证 混凝 土密实 度及 满 足施 工 和易 性 的 前 提下 ， 应 尽 量 减少水泥用量， 以减少水化热、 收缩等负面效应 。 3 1试 配强 度 的确定 高性能 混凝 土施工 配 制强度 可按 式 ( 1 ) 确定 ： k +1 6 4 5 o r ( 1 ) 式 中 。为混 凝 土 的施 工配 制强 度 为设计的混 凝土强度标准值 ； o r 为混凝土强度标准差。 由此 得 到 C 4 0 - C 5 0混 凝 土 配 制 强 度 分 别 为 48 2， 5 3 2， 5 9 9 MP a。 3 2 配 合 比的优化 根据施工要 求 ， 高性 能混 凝 土坍 落度 控制 在 1 5 01 7 0 m i l l ， 3 0 m i n坍落度控制在 1 5 0 m m， 尽量 缩短 脱模 时 间 。为 保证 混凝 土强 度 、 耐 久性 、 施工 和 易性 ， 并关注井壁防水效果 ， 通过查 阅相关资料及实 验室 以往 的试 验记 录数 据 ， 针 对 混凝 土各 设 计 强 度 进行大量配合 比试验 ， 确定最优配合比。 实验采用 内掺法 ( 外加剂 占胶凝材料 的质量百 分比) ， 进行配合比试验时应注意 ： 根据施工配合 比把各材料投入搅拌机中 ， 投料顺序 为碎石一砂一 水泥 一 外 加 剂 ( J Q H P C 6 0 ) 一 水 ； 将 石 子 、 砂 子 、 水 泥、 外加剂搅拌 3 0 S 后将水慢慢加入 ， 其搅拌时间 不得少于 1 2 0 s 。计量要准确 ， 其 中外加剂用量、 水泥用量以及用水量偏差控制在 1 以内； 砂石质 量偏 差控 制在 2 以 内 。 综上 所 述 ， 确 定 配合 比并 重复 3次 以上 进 行 验 证 ， 以达 到状 态 、 性 能稳 定 。确定 的最优 配 合 比见 表 1 ， 随着配 制强 度 的升高 ， 水泥 用量 也 随之升 高 ； 用 水 量降低 ； 外加剂掺量也随之升高。C 4 0 -C 5 0的配合 比试 验坍 落度 均在 2 0 0 m i l l 以上 ， 混凝 土 和 易 性 较 好 ； 并且初始坍落度与 3 0 rai n坍落度相同 ， 这说明 坍落度无损失 ， 混凝土和易性经 3 0 ra i n后无变化 。 完成配合 比试验后按照 普通混凝土力学性能 试验方法标准 ( G B T 5 0 0 8 1 2 o 0 2 ) 相关规定进行 试件制作 、 测试 、 养 护以及计算 ， 其结果见表 2 。各 设计 强 度 至 少 留有 1 2块 1 0 0 m m 】 0 0 mm 1 0 0 2 3 2 0 1 3 年第 1 2 期 中州煤炭 总第 2 1 6 期 m m试 件 ， 分 别待测 1 ， 3 ， 7 ， 2 8 d各 龄期 的抗压 强度 ， 每个 龄期 至少测 试 3块 试件 以上 。 表 1 C 4 0 - C 5 0高性能混凝土配合 比 强度 水胶 砂率坍落度 mm 等级比 ( 初始 3 0 mi n ) 堡盒 ： 竺 ： ： C W S G J Q HP C 6 0 表 2 C 4 0 -C 5 0高性 能混凝土各龄期抗压强度 由表 2可 知 ， C 4 0 、 C 4 5 、 C 5 0的 7 d抗 压强 度 分 别 为 4 6 8 ， 4 4 8 ， 5 2 9 MP a ， 几乎 达 到甚 至 超 出其 设 计 强度 ； 相 比 7 d强度 ， 2 8 d强度 增 长缓 慢 ， 达 到配 制 强度 。 图 1为 各 龄 期 强 度 增 长 趋 势 ， C 4 0 、 C 4 5、 C 5 0 的7 d 强 度 分 别达 到设 计 强度 的1 1 7 、 1 0 0 、 冰 羞 赵 骥 士 嘿 嚣 林 图 1 高性能混凝土强度增长趋势示意 1 0 6 ， 并且 1 ， 3 ， 7 d强 度 增 长 趋 势 均 衡 。综 上 所 述 ， 选 择细 度模 数 为 1 5的特 细砂 ， 通 过 优 化 配 合 比 试 验 、 调 整 外 加 剂 J Q H P C 6 0掺 量 ， 仍 满 足 C 4 0 - C 5 0的设计 强度 。 4 结语 ( 1 ) 掺 人 J Q H P C 6 0井 筒专 用 高 性 能混 凝 土 外 加 剂 ， 能够利用 王 峰 煤 矿 周 边 细骨 料 ( M =1 5 ) 配 制 出高性 能混 凝土 。 ( 2 ) 通过配制试 验研 究， 得到井壁高性能混凝 土 C 4 0 - C 5 0工程 配合 比。 ( 3 ) 掺 人 J Q HP C 6 0井 筒 专用 高 性 能 混凝 土 外 加剂的混凝土工作性较好 ， 3 0 mi n经时坍落度无损 失 ， 7 d强度几 乎达 到甚 至超 过设 计 强 度 ； 2 8 d强 度 达 到配 制强度 ， 符合 工程 需要 。 参考文 献 ： 姚直 书， 程桦 ， 荣传新 深冻 结井筒 内层钢板 高强钢 筋混凝 土 复合井壁试验研究 J 岩石力 学与 工程学 报 ， 2 0 0 8， 2 7 ( 1 ) ： 1 5 3 1 6 0 吕广同， 李振 民， 钟 占 良 高性能混 凝土在 冻结井 筒施工 中的 应用 J 煤 ， 2 0 1 0 ， 1 9 ( 7 ) ： 2 3 - 2 6 李 晓 高含泥量特细 山砂混凝 土的配制 J 混 凝土与水 泥制 品 ， 1 9 9 4， 5 ( 1 0 ) ： 2 1 2 3 蒲心诚 ， 严吴男 ， 王冲 ， 等 特细砂超 高强高性能混凝 土的配制 技术 J 重庆建筑大学学报 ， 1 9 9 9， 2 1 ( 1 ) ： 1 - 4 吴 中伟 高性能混凝土 M 北京 ：中国铁道 出版社 ， 1 9 9 9 周龙生 某矿冻结井 筒外壁高性 能混凝土 配合 比研究 J 山 西建筑 ， 2 0 0 7， 3 3 ( 5 ) ： 1 7 1 1 7 2 姚直 书， 程桦 ， 宋海清 特厚 冲积层 钻井井 壁高强 高性能混 凝 土配制研究及其应用 J 中国矿业 ， 2 0 0 7 ， 1 6 ( 3 ) ： 7 7 _ 7 9 ( 责任编 辑 ： 秦 爱新 ) ( 上接 第 2 1页) 参 考文献 ： 1 钱鸣高 ， 石平五， 许家林 矿 山压力 与岩层控 制 M 徐州 ： 中 国矿业大学出版社 ， 2 0 1 0 2 黄长 国， 华心祝 运用弹性 薄板理论预测 采煤工作面基本顶来 压步距 J 煤矿安全 ， 2 0 1 3， 4 4 ( 5 )： 2 0 6 0 9 3 索永录 ， 程书航 ， 杨占国， 等 坚硬石灰岩 顶板 破断及来压规律 模拟实验研究 J 西安科技大学学报 ， 2 0 1 1 ， 3 1 ( 2 ) ： 1 3 7 1 4 0 4 卢国志 ， 汤建泉 ， 宋振骐 传 递岩梁周 期裂断 步距与周 期来压 步距差异分析 J 岩土工程学报 ， 2 0 1 0 ， 3 2 ( 4 ) ： 5 3 8 5 4 1 5 连清望 ， 宋选民， 顾铁风 矿 井顶板失稳 及来压 预警 的数学模 型及应用 J 采矿与安全工程学报 ， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 4 ) ： 5 1 7 5 2 3 6 杜锋 ， 白海波 ， 黄汉 富， 等 薄基岩综放采 场基本顶周期来压力 2 4 7 8 9 1 O 1 2 学分析 J 中国矿业大学学报 ， 2 0 1 3 ， 4 2 ( 3 ) ： 3 6 3 3 6 9 宣 以琼 薄基岩浅埋煤 层覆岩破坏 移动演化规 律研究 J 岩 土力学 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 2 ) ： 5 1 2 5 1 6 滕永海 ， 阎振斌 采动过程 中覆岩离层发育规律的研究 J 煤 炭学报 ， 1 9 9 9 ， 2 4 ( 1 ) ： 2 5 2 8 陈亮 ， 孟祥 瑞 ， 靳俊 恒 ， 等 工 作面老 顶来压步 距 的数 值模拟 J 煤炭技术， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 3 ) ： 7 3 G5 谢文兵 ， 陈晓祥 ， 郑 百生 采矿工程 问题数值模 拟研究 与分析 M 徐州 ： 中国矿业大学 出版社 ， 2 0 0 5 岑传鸿 ， 窦林 明 采场顶板控制及 监控技 术 M 徐州 ： 中国矿 业大学出版社 ， 2 0 0 5 侯波 ， 宋建成 ， 郑丽君 矿井顶 板状态监测 系统 的研究 J 仪 表技术与传感器 ， 2 0 0 9 ( 1 ) ： 5 3 65 ( 责任 编 辑 ： 刘光雨 ) 心