喷射聚丙烯纤维混凝土在矿业工程中的应用.pdf

2 0 1 1 年第 8期 8月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 011 No 8 Au g u s t 喷射聚丙烯纤维混凝土在矿业工程 中的应用 桑普天 ， 庞建勇 ， 间 沛 ( 安徽 理工 大学 土木建筑 学 院 ， 淮南 2 3 2 0 0 1 ) 摘要 ： 结合 淮 南 某矿 区典 型锚 啧 巷 道 工 程 ， 进 行 了聚 丙烯 纤 维 混凝 土喷 层 抗 拉 、 抗 压 、 抗 剪及 弯 曲性 能 试 验研 究和工业试验 。结果表 明， 聚丙烯 纤维的掺入大幅度提 高了喷层的极限变形量， 同时使 喷层 具有较 强的抗 弯能力和 让压能力。 喷射聚丙烯纤维混凝 土施 工工 艺简单 ， 回弹率低 ， 喷层成形较好 ， 可增加一次喷射 厚度 ， 减少复喷量 ， 有利 于提 高施 工 效 率 。 关键词 ： 聚丙烯纤 维； 喷射 混凝土 ； 柔性喷层 ； 矿业 工程 Ab s t r a c t ： C o m b i n i n g w i t h a t y p i c a l p r o j e e t f o r a n c h o r s p r a y i n g r o a d w a y s i n H u a i n a n mi n i n g a r e a ， t h e t e s t r e s e a r c h e s a n d i nd us t r i a l t e s t s f o r t e ns i l e s t r e n g t h ，c omp r e s s i v e s t r e n g t h，s he a r s t r e n g t h a n d fle x u r a l pr o p e r t y wi t h s h o t c r e t e l a y e r for p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e a r e a c c o mp l i s h e d I e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t s h o t c r e t e l a y e r f o r p o l y p r o p y l e n e fi b e r r e i n for e e d c o nc r e t e c a n g r e a t l y i nc r e a s e t he ul t i ma t e de flec t i o n o f s h o t c r e t e l a y e r ，a t t h e s a me t i me ，s ho t c r e t e l a ye r ha s g r e a t e r fl e x u r a l c a p a c i t y a n d y i e l d i n g c a p a c i t y T h e p r o c e s s o f s p r a y i n g p o l y p r o p y l e n e f i b e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n i s e a s y ，r e b o u n d r a t e i s l o w， a n d t h e f o u n d a t i o n o f s h o t c r e t e l a y e r i s g o o d ， wh i c h c a n a d d t h e o n c e t h i c k n e s s o f s p r a y i n g a n d r e d u c e t h e c o n t e n t o f c o m b i n e d i n j e c t i o n ， w h i c h i s u s e f u l f o r i m p r o v i n g t h e c o n s t r u c t i o n e ffic i e n c y Ke y wo r ds ：Po l y pr o py l e ne f i be r； S ho t c r e t e； F l e xi b l e s h o t c r e t e l a y e r ； Mi ne r a l e n g i n e e r i ng 中图分类号： T U 5 2 8 5 7 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 0 4 6 3 7( 2 0 1 1 ) O 8 3 8 0 4 0前 言 喷射混凝土 已广泛应用于煤矿巷道锚喷支护 工程 ， 但在高地应力 、 松散 、 破碎围岩 以及受采动影 响的巷 道 中 ， 这种 支护 形 式受 到 限制 。因传 统 的 喷 层多为 昆凝土或水泥砂浆 ，凝结硬化后 为脆性材 料 ， 柔 性差 ， 只能 承受 压 力 ， 抗 拉强 度 和抗 折 强 度很 低。另外 ， 由于普通混凝土喷层极 限变形量与巷道 围岩变形量 不匹配 ，喷层施_丁后不久就会 出现裂 缝 ， 逐渐丧失对围岩的封 闭和支护作用 ， 这是造成 锚喷支护失效的主要原 因。为此 ， 目前 午 多从 事软 岩 锚 喷支 护 的人 员 都 在 致力 于柔 性 喷 层 的 实 验 研 究 ， 而聚丙烯纤维混凝土作为巷道喷层能有效解决 混凝 土的开 裂 问题 。纤维 混凝 土有较 强 的抵 抗 变形 的 能力 ， 有利 于 围岩 压 力 的释 放 ， 可充 分 发 挥 锚 喷 支护体 系 的力学性 能 。本文重 点介绍 聚丙烯 纤维 柔 性 喷 层 的力 学性 能测 试 与其 适用 软 岩 支护 的 机理 ， 并 通过 在 淮南 某矿 软 岩巷 道 中 的应 用试 验 ， 介 绍 了 该 喷层 形式在 工程 实 际中的应 用情 况 。 1 聚丙烯 纤维 作用 的机理 聚丙 烯 纤 维 加 入水 泥 基 体 中 ，可起 到 的作 用 有 ： 提高基体 的抗拉强度。 阻止基体 中原有缺 陷 ( 微 裂缝 ) 的扩 展 ， 并 延 缓裂 缝 的 出现 。 提 高基 体 的变形 能力 ， 改善其 韧性 与抗 冲击性 等 。 一 38一 如 果在 喷 射混 凝 土 中掺 入一 定 数量 的纤维 ， 混 凝土在受力开裂过程 中， 由于存在三维乱向均匀分 布的纤维 ， 可使构件的受拉边缘和裂缝尖端传递的 力受到纤维 的约束 ，并 由集中受力变成分散受力 ， 阻 止 了基体 中裂纹 的 扩展 和张 开 ， 且 纤 维在 拔 出过 程 中能够吸收大量 的能量 ， 与素混凝土相 比， 这一 特性使其延性和韧性都可以得到大幅度的提高。 2喷射 聚丙 烯纤维 混凝 土试 验研 究 聚丙烯纤维混凝土喷层 力学试验 的依托工程 为淮南矿业集团某煤矿井底车场轨回二联巷 ， 在巷 道中施工了 1 0 0 m长的聚丙烯纤维混凝土喷层试验 段 。 2 1 聚丙 烯纤 维混凝 土 的配制 及试件 制作 ( 1 ) 原材 料 的选 择 水 泥 ： 4 2 5级 普通硅 酸盐水 泥 。 细骨料 ： 中粗砂 ， 细度模数 大于 2 5 ， 考虑到砂 子过细 ， 会使 混凝土 的干缩增大 ， 过粗则会增加回 弹 ， 因此 ， 砂 子 中小 于 0 0 7 5的颗 粒不宜 超过 2 0 。 粗 骨料 ： 粒 径 为 5 1 6 m m 瓜 子 片 ， 由于是 喷射 ， 因此粗骨 料粒 径不 宜过大 。 纤维 ： 束状单丝聚丙烯纤维 。 速 凝 剂 ： 为 了使 混凝 土 喷层 速 凝 快 ， 并 提 高早 期强度 ， 掺入水泥重量 2 - 4 的速凝剂， 施工 中， 喷 桑普天 ， 庞建勇， 阊 沛 喷射聚丙烯纤维混凝土在矿业工程中的应用 拱部时速凝剂掺量为 3 4 ， 喷边墙 时掺量为 2 3 。 ( 2 ) 配合 比设 计 根据实验室多次试配和现场工程实践经验 ， 确 定 喷射 混 凝 土配 合 比为 ： 水 泥 ： 砂 ： 石 子 ： 水 =1 ： 1 8 4 ：1 8 4 ： 0 4 5 ， 外加剂掺量 占水 泥重量 的 2 。保持混 凝 土 配 合 比不 变 ， 只 改 变 聚 丙 烯 纤 维 的 掺 量 ( 掺 量 分 别为 0 6 、 0 9 、 1 2 、 1 5 k g m ) 。通过 正 交试 验 ， 最 终 确 定 聚丙 烯纤 维 掺 量 为 0 9 k g m ，聚 丙稀 纤 维 长度 为 1 2 ram。 ( 3 ) 试件的制作 为了使室 内试验能说 明现场喷射混凝 土的实 际情况 ， 在现场喷射试验时进行 了大板取 样 ， 将 大 板模( 4 5 0 mmx 3 5 0 m mx 1 5 0 m m木盒 ) 置于试验部位 ， 摆 放角 度与 需要 支护 的边 坡 角度 相 同 。聚 丙烯 微纤 维混凝土拌 和均匀后 ， 用 H P J 一 1 型干喷机对准木模 喷射 ， 直至喷满， 养 护 1 d后拆掉木模 ， 2 8 d后用岩 石 切割机切割成标准尺寸试件 。试验结果以现场大板 取 样测 试结 果 为主 。 2 2 试验 结果 与分 析 对 聚 丙烯 纤 维 ? 昆 凝 土 试 件 进 行 了单 轴 抗 压 、 抗 拉 、 抗剪和三点弯曲试验 ， 试验结果见表 1 。 表 1 混凝土力学性能对 比试验结果 ( 1 ) 抗压 、 抗拉强度 从试验结果来看 ， 聚丙烯纤维混凝土的抗压强 度提高幅度不大 ， 这是 由聚丙烯纤维的特性所决定 的。当聚丙烯纤维呈二 向分布或三维随机分布时 ， 一 部分横 向纤维的粘结作用使复合体 的抗 压强度 有所 提 高 ，但 由于 聚丙 烯纤 维 的弹 性模 量 较小 ， 当 复合体承受压应力作用时 ，基本上 由基体来 承担 ， 因此 ， 其抗压强度就不会提高得太多。然而 ， 聚丙烯 纤维 混 凝 土具 有 一个 明显 的优 点 ， 即 聚丙 烯 纤 维 ? 昆 凝土喷层受压开裂后 ，仍具有一定 的承载能力 ， 且 具有 明显 的 “ 柔性 ” ， 允许 围岩 有 较 大 的变 形 。从 试 验结 果 看 ，聚 丙 烯纤 维 混 凝 土 的抗 拉 强 度 明 显 提 高 ， 比 同配 比的素 混凝 土提 高 了 4 8 5 6 。 ( 2 ) 抗剪 强度 图 1和图 2分别 为普 通混凝土及聚丙 烯纤维 混凝 土 的位 移一 荷载 曲线 。 1 40 0 0 1 2 0 o 0 1 0o 0 0 z 8 0 0 0 6 0 0 =叵 4O 0 0 苣 舔 柱 2O 0 0 O 一2 0 o o 0 O 0 _ 3 O 6 0 9 1 2 1 _ 5 位移 mm 图 1 普通 混凝 土位移一 荷载曲线 位移 m m 5 2聚 冈 烯 纤 维 混 凝 土 位 移 一 荷 载 曲线 由图 1和 图 2可 以看 出 ， 加 入 纤 维 后 ， 混 凝 土 荷载下降幅度明显降低 ， 位移量增加 。表明加入聚 丙烯 纤 维 后 ， 纤 维混 凝 土 的 残余 强 度 明 显 大 于普 通 混凝 土 ， 纤维 增 强 了混凝 土 的韧性 。 聚丙 烯 纤 维 混 凝 土 抗 折 强 度 之 所 以 较基 准 混 凝 土高 ， 其原理 即是纤维在混凝土折断时对折断面 两侧 的混凝土起到牵扯作用 ， 延缓 了混凝土的开裂 破坏 ， 增强了混凝土的抗折强度及受拉延性 。 ( 3 ) 三点 弯 曲试验 结果 在个别情况下 ，喷射混凝土层承受弯矩作用 ， 如 由突 出 的岩石 产生 的应 力集 中。纤 维 混凝 土试 件 ( 试件尺寸 4 m mx 4 mm x l 6 m m) 三点弯曲试验结果表 明 ， 聚丙烯纤维混凝土的抗弯强度要 比同样配 比素 混 凝土提高 2 6 。图 3为三点弯曲试验测定 的荷 载一 挠度曲线。由图 3可以看出， 素混凝土在达到极 限抗 弯强 度后 ， 试 件立 即折 断 ， 呈脆 性破 坏 。聚丙烯 纤 维 混凝 土 在 达 到 较 素 混 凝 土 大 得 多 的开 裂 挠 度 ( 约为素混凝土 的 6倍 ) 后 ， 承载力才开始下降 ， 其 韧性显著提高。这说明由于纤维的掺入 ， 使混凝土 的特 性 发 生 了根 本 的变 化 ， 由 “ 脆 性 承 载 结构 ” 变 成 了 “ 柔 性 承载 结构 ” 。 一 3 9 2 0 1 1年第 8期 混凝 土与水泥 制 品 总第 1 8 4期 O 5 0 1 O O 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 挠 度 x 7 6 x l O mm 图 3三点 弯 曲试 验 测 定 的 荷 载一挠度 曲线 3工程应 用 3 1 工 程地 质概 况 淮南矿业集团某煤矿井 底车场轨 回二联巷穿 过 的岩 层 以泥 岩为 主 ， 个别 地 段有 小 断层 。巷道 顶 板 为粗砂 岩 。该砂 岩 含水层 较厚 ， 垂 直裂 隙较 多 ， 裂 隙连 通性较 差 。该 岩巷 掘进 时 ， 由于地压来 压早 、 压 力大 ， 造成 了混凝土喷层 的开裂甚至剥落 ， 局部 出 现顶板渗水现象。 3 2 现 场试 验监 测 为 研究 聚丙 烯 纤 维 混 凝 土 喷 层 在 巷 道 中的 实 用 性 和推 广 的 可能性 ， 以及 实 际力 学性 能 和 巷道 围 岩 稳 定情 况 ， 在进 行 工业 试 验 的 同时对 聚 丙烯 纤 维 混 凝 土喷 层试 验段 进 行 了现 场监 测 。监 测 时 ， 选择 了加纤维喷层段和普通混凝土喷层段进行对比。监 测 的主要内容包括 回弹损失率测试 、围岩压力 、 昆 凝 土应力 及巷 道周边 收敛 。 ( 1 ) 喷射 混凝土 回弹损 失率 喷射混凝土回弹损失率检测结果见表 2 。由表 2可 见 ，掺人 聚丙烯 纤维 可 提高 喷射 混凝 土 的粘 聚 性 ， 有效 降低混凝土的 回弹率 ， 比普通 昆凝土喷层 的回弹率 降低 了 5 1 4 。 此外 ， 加入 纤维 还能增 加混 凝土喷层的一次喷射厚度 ， 降低了工人劳动强度。 表 2喷 射 混凝 土 回 弹损 失率 检 测 结 果 ( 2 ) 围岩压 力 测试 普通 混 凝 土 与 聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 围 岩 压 力 随 时问 的变 化测试 结 果见 图 4和 图 5 。 一 40 3 ,5 3 ,o 2 , 5 20 塞 1 5 1 o 05 O 0 左 墙腰 左 拱腰 拱 顶 右拱腰 右 拱脚 O l 0 2 O 3 O 4 0 5 0 6 O 70 8 O 时 间 ， d 图 4普通混凝土 围岩压力随时间的变化规律 1 5 1 0 罢 0 5 o o 左墙 腰 左拱 腰 拱顶 右拱 腰 右拱 脚 0 i 0 2 O 3 O 4 0 5 O 6 0 7 0 8 O 时间 d 图 5聚丙烯纤维混凝土围岩压力随时间的变化规律 由图 4和图 5可 以看 出， 普通混凝土喷层支护 段 围岩 压 力 实 测值 高 于 聚丙 烯 纤 维 混 凝 土 喷 层 支 护段围岩压力， 且分布不均匀 ， 有应力集中现象 。聚 丙烯纤维混凝土喷层支护段各测点围岩压力值较 小 ， 分布较均匀 ， 实现 了围岩压力 的重新分布 ， 施加 在混凝土喷层上的压力减小 。随着支护时间的推 移 ， 开始 阶段 ， 围岩压力随时问的增加有加大的趋 势 ， 从 3 0 - 8 0 d ， 围岩压 力基 本趋 于稳 定状 态 ， 围岩达 到 支护稳 定 阶段 。 ( 3 ) 混凝 土应力 图 6和 图 7分 别 为普 通 混 凝 土 段 和 聚 丙烯 纤 维混 凝 土段应 力 随 时间 的变化 规律 。 由图 6和 图 7 的测 试结 果 可 以看 出 ， 混凝 土 中 的应 力 随 时 间的发 展 均 逐 渐减 小 ， 这 是 由于 围 岩变 形 后 ， 其 自身承 受 了一 部 分荷 载 。与 普通 混凝 土 喷 层相 比 ， 聚丙烯 纤 维混凝土喷层 中各测点应力值较小 ，且分布较均 匀 。 ( 4 ) 围岩 收敛 率 收 敛计 测点 布置见 图 8 。由于施 工 的影 响 ， 所 安 装 的测 试 原件 只有 2 、 4两点 完 好 ， 故 只能 用 这两 点 的测值进 行 比较 。普 通混 凝土 与聚丙 烯纤 维混凝 土 如 加 m 0 N _【 锯耀 桑普天， 庞建勇， 间 沛 喷射聚丙烯纤维混凝土在矿业工程中的应用 O 一 1 一 2 R 一 3 4 -5 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 O 3 5 4 0 时 间 d 图 6普通混凝土应力 随时间的变化 I 1 图 8收敛计 测点布置 图 2 、 4点的收敛率曲线对 比如图 9所示。由图 9可见 ， 纤维混凝 土喷层断面 的收敛率实测值较大 ， 这可说 明软岩巷道 的大变形及聚丙烯纤维混凝 土喷层 的 让 压支 护 特点 。 4结论 ( 1 ) 聚丙烯纤维混凝土 的抗压强度虽然提高不 大 ， 但在基体开裂后较素混凝土有较大的残余强度 和韧 性 ， 聚 丙烯 纤 维 混凝 土 喷层 大 幅度 提 高 了喷 层 的极限变形量 ，同时使喷层具有较强的抗弯 能力 ， 这解决 了喷层 的刚度 和极 限变形量与 围岩 不匹配 问题 ， 能很 好适 应软 岩巷 道 变形 量大 的特点 。 ( 2 ) 与普通混凝土相 比 ， 掺 加聚丙烯纤维 能明 显提高混凝土的抗拉强度、 抗弯性能 、 抗折强度 ， 但 弹性模 量有 所 降低 。 ( 3 ) 聚 丙 烯 纤 维 和 易 性 好 ， 以 三 维 方 式 均 匀 分 布在混凝土 中 ， 不需要改变原 混凝 土配合 比， 施工 工艺简单 。与普通混凝土喷层相 比， 聚丙烯纤维混 凝土具有较好 的粘聚性 ， 喷射混凝土时能增加混凝 土 的一 次 喷 射 厚度 ， 减 少 了 复 喷量 ， 这 既 可 减 少 混 O 0 - 0 5 娄- l _0 收 - 1 5 -2 O - 2 5 g 槲 O 5 1 O 1 5 2 O 2 5 3 0 3 5 4 0 时问 d 图 7聚丙烯疑纤维混凝 土应 力随时间的变化 0 1 O 2 O 3 0 4 0 5 O 6 0 时间， d 图 9测点 2 、 4收敛率 凝土的损耗量 ， 又能提高工作效率。 参 考 文 献 ： 【 l 】 张 腾蛟 ，王瑞 柔 性锚层 技术 及其 应用 J 山西 煤炭 ， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 2 ) ： 3 1 - 3 3 2 庞建勇 ， 徐道 富 聚丙烯纤维 混凝土支护技术及 其在顾桥 矿 区 的应 用 J 岩 石力 学与 工程 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 5 ) ： 1 0 7 3 1 0 7 7 【 3 】 李华 明 聚丙烯 纤维混凝 土性 能研究 及其在 隧道工 程 中 的应用 D 重 庆 ： 西南交通大学 ， 2 0 0 5 4 1 张向东 ， 郑雨东 维尼纶纤维 混凝 土 的力学性质 试验与其 适应 于软岩支护的机理 J 】 东北煤炭技术 ， 1 9 9 7 ( 1 ) ： 1 4 1 8 5 】 贺少辉 ， 等 隧道湿喷纤维 高性能混凝土单层永 久衬 砌研 究【 J J 岩土力学与工程学报 ， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 2 0 ) ： 3 5 0 9 3 5 1 7 收 稿 日期 ： 2 0 1 1 0 6 - 1 0 作者简介 ： 桑普 天( 1 9 8 6 一) 男 ， 硕士研究生。 通讯地址 ： 安徽 省淮南 市舜耕中路 1 6 8号 联 系电 话 ： 1 5 8 5 5 4 0 3 5 5 6 E -mi a l ： p t s a n ga u s t e d u c n 一 41