低溫環境下濕噴混凝土強度配比優化研究*

馮興隆，苗元豐 ，李爭榮，王貽明 ，劉明武，曹永

(1.云南迪慶有色金屬有限責任公司， 云南 香格里拉市 674400；2.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室， 北京 100083；3.北京科技大學 土木與資源工程學院， 北京 100083)

0 引言

噴射混凝土支護是借助噴射機械將混凝土料漿高速噴射到待噴巖面上，用于加固和保護結構或巖石表面的一種具有速凝性質的混凝土技術[1]。噴射混凝土技術一般分為干噴和濕噴。濕噴混凝土技術由于其回彈少、對溫度適應能力強、支護效果好等優勢，被應用到地下礦山的井巷工程支護中[2]。濕噴混凝土的強度過低則會導致支護體失穩破壞，而濕噴配合比是決定混凝土強度的決定性因素。

針對混凝土強度特性，國內外專家學者做了大量研究。M.Husem[3]對噴射混凝土分別在低溫與標準溫度下養護7 d及28 d時的強度進行了對比分析，結果表明，溫度可通過影響水泥水化速率而影響混凝土強度，低溫為影響混凝土強度的主要因素。吳愛祥等[4]通過研究溫度對寒冷礦區濕噴支護強度影響發現，在相同溫度下，水泥摻量增加可提高濕噴混凝土強度，低水灰比有利于早期強度提高,高水灰比更有利于后期強度的發展。姚松等[5]通過研究發現水泥摻量是影響濕噴混凝土強度的關鍵因素,在滿足工作性能的前提下降低水灰比可以有效提高濕噴混凝土強度。楊清平等[6]研究發現通過增加減水劑的摻量,可較大幅度降低混凝土料漿的水灰比，進而提升混凝土的強度。張玉杰等[7]研究發現隨著鋼纖維摻量的增加，混凝土抗壓強度呈增長趨勢，當鋼纖維體積摻量為1.5%時，28 d混凝土抗壓強度增加 23.8%。陳偉天等[8]研究發現在高強混凝土中摻入一定量的硅灰,混凝土的抗壓強度隨硅灰摻量的增大呈增長趨勢。

某銅礦地處高原，常年氣溫較低，氣溫處于0 ℃～15 ℃，本文針對該銅礦的濕噴混凝土，以正交試驗為手段，開展濕噴混凝土配比優化試驗，獲得灰砂比、硅灰摻量、溫度、鋼纖維對濕噴混凝土力學性能的影響規律，對礦山采用混凝土濕噴技術具有參考意義。

1 濕噴混凝土配合比優化試驗

1.1 試驗材料

混凝土的實驗材料一般有水、水泥、砂石、纖維、減水劑、速凝劑、防凍劑、硅粉等[9]。本次試驗用砂石為礦山自產，粒徑均在10 mm以下，級配曲線見圖1。膠凝材料選擇425高性能水泥及硅灰，為保證濕噴混凝土工作特性，水泥摻量控制在 430 kg/m3～480 kg/m3，硅灰摻量控制在5%～15%。結合礦山實際溫度，溫度變化范圍在 0℃～15℃。鋼纖維摻量控制在40 kg/m3～50 kg/m3。

圖1 礦山自產砂砂石級配曲線

1.2 配合比試驗方案

綜合各方面因素，固定水泥和硅灰總用量為480 kg/m3，硅灰采用內摻方式，設定水灰比為0.42，設計4因素3水平正交試驗探究灰砂比、硅灰摻量、溫度、鋼纖維用量對混凝土強度的影響。具體正交實驗設計見表1。根據標準 L9(34)表安排實驗方案,見表2。

表1 正交試驗因素水平表

1.3 試驗方法

將水泥、砂石、硅灰、鋼纖維按照要求質量攪拌均勻；在混合好的干料中加入水和減水劑，同時不停地攪拌混凝土，使得各種成分混合均勻；將攪拌均勻的混凝土倒入試模內，將制作完成的試件編號并放在標準養護室養護，養護條件為濕度90%，溫度按照設定攝氏度，養護時間28 d整；達到養護時間后，測定混凝土抗壓強度[9]。

表2 正交試驗方案

2 試驗結果分析

2.1 試驗結果

配合比正交試驗得到的濕噴混凝土單軸抗壓強度見表3，試驗處理結果見表4。

2.2 配合比對濕噴混凝土強度的影響

通過分析實驗數據,得到濕噴混凝土強度與灰砂比、硅灰摻量、溫度、鋼纖維摻量的關系。

表3 混泥土試塊單軸抗壓強度實驗結果

2.2.1 灰砂比對濕噴混凝土強度的影響

濕噴混凝土強度與灰砂比的關系如圖2所示。

由圖2可見，單軸抗壓強度隨著灰砂比的增大而增減小，灰砂比為0.22時，強度值最大。由此可見，在保證水灰比一定的前提下，提高灰砂比會降低濕噴混凝土的單軸抗壓強度，隨著灰砂比的增加，膠結材料的膠結作用會下降，進而降低濕噴混凝土的單軸抗壓 強度。

表4 試驗處理結果

圖2 不同灰砂比的估算邊際抗壓強度均值

2.2.2 硅灰摻量對濕噴混凝土強度的影響

濕噴混凝土強度與硅灰摻量的關系如圖 3所示。

圖3 不同硅灰摻量的估算邊際抗壓強度均值

由圖3可以看出，抗壓強度隨著硅灰摻量的增大而增大，以15%時強度值最大。由此可見，硅灰摻量的提高可以較大程度的提高濕噴混凝土的單軸抗壓強度，二硅灰作為水泥的理想替代品，其膠結作用明顯好于水泥。當硅灰摻量由5%提升到15%時，單軸抗壓強度提高了81%。根據混凝土強度測試結果，可以得到28 d的單軸抗壓強度和硅灰摻量的關系式：

式中，σUCS為單軸抗壓強度，MPa；φ為硅灰摻量，%。

2.2.3 溫度對濕噴混凝土強度的影響

濕噴混凝土強度與溫度的關系如4所示。

圖4 不同溫度的估算邊際抗壓強度均值

由圖4可以看出，單軸抗壓強度隨著溫度的增大而減小，以0 ℃時最佳。溫度的降低使得濕噴混凝土微觀結構中孔隙逐漸減小，密實程度增加，導致宏觀強度增加。溫度從0 ℃增加到15 ℃時，單軸抗壓強度降低了 13%。根據混凝土強度測試結果，可以得到 28 d的單軸抗壓強度和溫度的關系式：

式中，σUCS為單軸抗壓強度，MPa；T為溫度，℃。

2.2.4 鋼纖維摻量對濕噴混凝土強度的影響

濕噴混凝土強度與鋼纖維摻量的關系如圖5所示。由圖5可以看出，單軸抗壓強度隨著鋼纖維摻量的增大而增大，在50 kg/m3時有最佳的單軸抗壓強度。隨著鋼纖維摻量的增加，可以使得微觀上孔隙率減小，密實度加大，宏觀上呈現出單軸抗壓強度較高。可以得到28 d的單軸抗壓強度和鋼纖維摻量的關系式：

式中，σUCS為單軸抗壓強度，MPa；δ為鋼纖維摻量，kg/m3。

2.3 極差分析與最佳配合比

當因素取不同值時，點的散布的范圍大，即點的上升或下降的幅度大，該因素就是影響強度的主要因素，反之為次要因素[10]。

圖5 鋼纖維摻量的估算邊際抗壓強度均值

極差R的大小反映了試驗中各因素作用的大小，極差大表明這個因素對指標的影響大，通常為重要因素；極差小表明這個因素對指標的影響小，通常為不重要因素。本次試驗, 各因素對混凝土28 d單軸抗壓強度的影響程度排序為:硅灰摻量（29.03）＞灰砂比（13.73）＞溫度（7.97）＞鋼纖維摻量（6.98）。

按每列各水平的數據與指標關系圖確定各因素的最優水平組合，即濕噴混凝土抗壓強度的最優配合比為：水泥用量450 kg/m3，纖維用量50 kg/m3，灰砂比0.22，硅灰摻量15%，最佳溫度0 ℃。經過實際生產驗證，該種水平組合能夠取得較好的礦山巷道支護效果，且能應用于實際生產。

3 結論

（1）通過試驗可知，混凝土的單軸抗壓強度與灰砂比成負相關，與硅灰摻量成正相關，與溫度成負相關，與鋼纖維的摻量成正相關。

（2）通過正交試驗的極差分析，可以得出對混凝土單軸抗壓強度影響最大的幾個因素，硅灰摻量和灰砂比對單軸抗壓強度有較大的影響，其次是溫度對濕噴混凝土強度的影響，最后是鋼纖維摻量，影響相對較小。

（3）通過試驗，可以得出濕噴混凝土的最優水平組合，即水泥用量450 kg/m3，灰砂比0.22，硅灰摻量15%，鋼纖維用量50 kg/m3，最佳溫度0 ℃。研究結果可為濕噴混凝土的推廣應用提供一定的指導。