張明天，陳 結(jié)，姜德義，侯克鵬，孫 偉,3，劉 磊

(1.重慶大學(xué) 資源與安全學(xué)院，重慶 400044；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650093；3.云南省中-德藍(lán)色礦山與特殊地下空間開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650093)

0 引言

濕噴混凝土技術(shù)被廣泛應(yīng)用于公路、鐵路隧道支護(hù)工程中，學(xué)者針對(duì)濕噴混凝土技術(shù)展開研究：劉勇等[1]針對(duì)傳統(tǒng)噴射混凝土在隧道襯砌中遇到的問題，采用在混凝土中摻入聚丙烯纖維網(wǎng)的方法改善施工效果；鄧宗偉等[2]采用有限元方法，考慮地應(yīng)力與溫度應(yīng)力耦合作用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度變化劇烈時(shí)邊坡防護(hù)必須考慮溫度應(yīng)力的影響；David 等[3]提出1種新的監(jiān)測噴射混凝土硬化和強(qiáng)度發(fā)展方法；王家濱等[4]在研究隧道噴射混凝土襯砌碳化規(guī)律中探究彎曲應(yīng)力作用下噴射混凝土抗碳化性能；曾魯平等[5]研究不同速凝劑種類對(duì)鋼纖維噴射混凝土力學(xué)及界面性能影響；Cui等[6]在實(shí)驗(yàn)室模擬干熱試驗(yàn)環(huán)境，探究纖維材料對(duì)混凝土力學(xué)性能與孔隙結(jié)構(gòu)影響，并建立強(qiáng)度和孔結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型。此外，濕噴混凝土技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦山巖體破碎巷道支護(hù)工程[7]:吳中偉[8]強(qiáng)調(diào)針對(duì)水泥基材料的研究應(yīng)遵循從宏觀到微觀、從整體到局部的研究思路；吳愛祥等[9]研究發(fā)現(xiàn)溫度在濕噴混凝土強(qiáng)度發(fā)展中起關(guān)鍵作用；王巧等[10]通過分析得出密實(shí)度不夠、材料間黏接不牢固導(dǎo)致噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)疏松，是造成噴射混凝土強(qiáng)度嚴(yán)重降低主要原因；姚松等[11]探討料漿溫度和養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度發(fā)展影響機(jī)理，采用SEM分析濕噴混凝土微觀形貌，成功解決金英金礦巷道濕噴混凝土支護(hù)效果不理想的問題；趙金田等[12]通過用濕噴混凝土代替干噴混凝土，并與樹脂錨桿相結(jié)合的方法對(duì)不良巖體巷道進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)試驗(yàn)研究，取得顯著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

部分學(xué)者從宏觀和微觀角度對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度性能展開大量研究，但在物相分析層面尤其在礦山巷道圍巖支護(hù)應(yīng)用中的研究相對(duì)較少。本文基于前人研究思路，以宏觀為主，微觀深入，探究濕噴混凝土強(qiáng)度發(fā)展主要影響因素和規(guī)律。針對(duì)普朗銅礦濕噴混凝土技術(shù)應(yīng)用中存在的噴層厚度小、強(qiáng)度低等問題，引入魚骨圖分析法，并基于室內(nèi)模擬方法，對(duì)比不同條件下濕噴混凝土微觀形貌和物相分析結(jié)果，提出技術(shù)改進(jìn)措施。研究結(jié)果可為類似工程的濕噴混凝土支護(hù)工藝提供理論支撐，通過優(yōu)化配合比、控制施工質(zhì)量等措施改善施工效果。

1 工程概況

1.1 礦區(qū)水文地質(zhì)條件

礦區(qū)位于滇西北橫斷山脈東北部，為青藏雪域高原南緣部分，氣候寒冷，年平均氣溫4 ℃，海拔3 600～4 500 m，相對(duì)高差達(dá)300～1 200 m，屬高山中切割地區(qū)，地形整體西傾，東高西低，局部地段形成懸崖陡壁。礦區(qū)內(nèi)地層巖性，以塊狀巖類為主，巖石堅(jiān)硬，局部破碎帶較發(fā)育；巖體結(jié)構(gòu)以塊狀結(jié)構(gòu)為主。局部地下水靜水壓力較大，礦山工程地質(zhì)復(fù)雜程度中等，礦體節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體質(zhì)量主要為Ⅲ類，礦巖可崩性中等。礦石無自燃和黏結(jié)性，地表允許崩落。

1.2 濕噴支護(hù)存在的問題

普朗銅礦噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25，采用1次或2次支護(hù)，支護(hù)厚度為100～200 mm，少量2次支護(hù)采用鋼纖維噴射混凝土，礦山開采過程中對(duì)濕噴混凝土需求量較大。雖較早引入濕噴混凝土支護(hù)技術(shù)，但實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在部分問題，如濕噴混凝土支護(hù)巷道中噴層強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)、脫落、開裂及貫穿裂縫等。普朗銅礦巷道濕噴混凝土支護(hù)現(xiàn)狀如圖1所示。

圖1 普朗銅礦巷道濕噴混凝土支護(hù)現(xiàn)狀Fig.1 Current situation of wet shotcrete support in Pulang copper mine

2 濕噴工藝支護(hù)影響因素魚骨圖分析

本文利用魚骨圖分析法分析普朗銅礦濕噴混凝土影響因素[13]。魚骨圖分析法由分析問題原因和繪制魚骨圖2部分組成。基于魚骨圖分析法，依次從操作人員、濕噴設(shè)備、噴漿材料、工作方法、作業(yè)環(huán)境及檢測方法6個(gè)方面分析高寒環(huán)境下普朗銅礦濕噴混凝土強(qiáng)度主要影響因素。濕噴混凝土強(qiáng)度因素魚骨圖如圖2所示。

由圖2可知，高寒環(huán)境下普朗銅礦濕噴混凝土支護(hù)影響因素主要包括6個(gè)方面：

圖2 濕噴混凝土強(qiáng)度因素魚骨分析圖Fig.2 Fish-bone analysis diagram for factors of wet shotcrete strength

1)砂石含泥量試驗(yàn)顯示，噴漿使用砂料含泥量過大，引入大量細(xì)顆粒物質(zhì)。

2)濕噴混凝土漿料攪拌時(shí)間短?；炷羾姖{料充分?jǐn)嚢杩商岣吡蠞{均勻性，保持漿料流變特性，有效打破水泥顆粒團(tuán)聚，激發(fā)水泥活性，更利于形成致密的混凝土孔結(jié)構(gòu)。在較低溫度環(huán)境下，水泥活性降低，需要更強(qiáng)力、有效的攪拌才能進(jìn)一步激發(fā)其活性。

3)預(yù)制噴漿料水灰比過大。在高寒環(huán)境下，噴射混凝土周圍溫度低、攪拌時(shí)間不夠，導(dǎo)致料漿團(tuán)聚嚴(yán)重，若此時(shí)向攪拌機(jī)中添加大量的水，會(huì)使?jié)駠娏显谳^短時(shí)間內(nèi)攪拌均勻，但水灰比的增加將降低濕噴混凝土強(qiáng)度。

4)沒有掌握纖維的正確添加方法。在預(yù)制噴漿料時(shí)，若將大量纖維一簇一簇加入骨料中，會(huì)直接導(dǎo)致集料在攪拌過程中纖維簇黏上水泥變成纖維球體狀，無法使纖維均勻分布在混凝土漿體中。

5)環(huán)境溫度低。普朗銅礦礦區(qū)地處高寒、高海拔環(huán)境，年均氣溫較低，室外攪拌站堆積的砂石料所處溫度環(huán)境很低。遇雨雪天氣或寒冷月份時(shí)，低溫影響水泥、水、減水劑及骨料之間的化學(xué)反應(yīng)速率，降低攪拌物流動(dòng)性。

6)養(yǎng)護(hù)條件差。濕噴作業(yè)完成后，應(yīng)使?jié)駠娀炷猎诒３肿銐驖穸群蜏囟拳h(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，為水泥水化作用創(chuàng)造良好條件。

7)預(yù)制混凝土噴漿料配合比不合理。普朗銅礦主要采用設(shè)備廠家提供配合比，而實(shí)際使用效果并不適用于普朗銅礦。

利用魚骨圖從6個(gè)方面分析低溫環(huán)境下濕噴混凝土強(qiáng)度影響因素發(fā)現(xiàn)，與溫度無關(guān)的2個(gè)方面是檢測方法和操作人員，其余方面均受溫度影響。通過現(xiàn)場調(diào)研全年濕噴支護(hù)強(qiáng)度試驗(yàn)資料發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度有顯著影響。因此，本文主要圍繞溫度對(duì)濕噴混凝土強(qiáng)度影響開展研究。

3 濕噴支護(hù)影響因素試驗(yàn)

試驗(yàn)第1批砂料取自普朗銅礦攪拌站。試驗(yàn)前測定砂料成分與壓碎值指標(biāo)，見表1。由砂料顆粒級(jí)配試驗(yàn)得到細(xì)度模數(shù)為2.7，砂料含水率試驗(yàn)得到砂料含水率約1%，表觀密度2 400 kg/m3。試驗(yàn)選用水泥型號(hào)為P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，減水劑型號(hào)為CQJ-JSS02的粉末狀聚羧酸減水劑。

表1 砂料成分與壓碎值指標(biāo)Table 1 Composition and crushing value index of sand aggregate

試驗(yàn)濕噴混凝土設(shè)計(jì)為C25，坍落度值在120～150 mm。據(jù)資料顯示，試驗(yàn)中養(yǎng)護(hù)溫度分別設(shè)置為2，10，15，20 ℃，試件在可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)至預(yù)定3，7，28 d齡期后，進(jìn)行混凝土壓力機(jī)單軸抗壓強(qiáng)度測試、掃描電子顯微鏡(SEM)微觀形貌觀察、EDS及XRD水化產(chǎn)物物相分析。

試驗(yàn)采用手持式水鉆進(jìn)行攪拌，攪拌后裝入100 mm×100 mm×100 mm的立方體試模，室內(nèi)(約18 ℃)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模養(yǎng)護(hù)，用混凝土壓力機(jī)對(duì)預(yù)定齡期(3，7，28 d)試件進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并對(duì)破壞后的試件取樣，采用SEM觀察濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)，應(yīng)用XRD、EDS對(duì)硬化混凝土漿體進(jìn)行物相分析。試驗(yàn)過程中通過采取一定措施降低試驗(yàn)誤差，主要包括試件澆筑過程保持均勻振搗，減少試件內(nèi)部氣泡；澆筑試件時(shí)用抹刀抹平混凝土表面保持平整；拆模時(shí)保證表面及棱角不損壞；達(dá)到一定強(qiáng)度后拆模并及時(shí)移至養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，調(diào)至設(shè)定溫度；試件養(yǎng)護(hù)至預(yù)設(shè)期齡后立即取出并進(jìn)行試驗(yàn)等。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度影響

養(yǎng)護(hù)溫度為2，10，15，20 ℃，濕噴混凝土水灰比為0.42，0.43，0.44時(shí)試件在3，7，28 d進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。濕噴混凝土強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)溫度關(guān)系如圖3所示。由圖3可知，相同養(yǎng)護(hù)齡期下，不同水灰比的濕噴混凝土試件單軸抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)溫度升高而增大。當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度小于10 ℃時(shí)，濕噴混凝土試件單軸抗壓強(qiáng)度增長速度較快；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度大于10 ℃時(shí)，濕噴混凝土試件單軸抗壓強(qiáng)度增長速度減小。其中，水灰比0.43在7 d養(yǎng)護(hù)齡期下，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度由2 ℃上升至10 ℃，濕噴混凝土試件單軸抗壓強(qiáng)度由10.56 MPa增大至22.48 MPa，漲幅112.9%；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度由10 ℃上升至15 ℃，濕噴混凝土試件單軸抗壓強(qiáng)度由22.48 MPa增大至25.42 MPa，漲幅13.1%。說明養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)濕噴混凝土抗壓強(qiáng)度變化影響顯著，尤其當(dāng)溫度小于10 ℃時(shí)更為顯著。

低溫(約2 ℃)環(huán)境下，相同養(yǎng)護(hù)齡期的混凝土試件，濕噴混凝土試件抗壓強(qiáng)度隨水灰比增加呈下降趨勢。由圖3(a)～(c)可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度約2 ℃時(shí)，濕噴混凝土強(qiáng)度較低，并隨水灰比增加呈下降趨勢；當(dāng)水灰比為0.42，養(yǎng)護(hù)齡期由3 d 增加至7 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度由7.75 MPa增大至14.26 MPa，增幅84%；7～28 d齡期養(yǎng)護(hù)下，抗壓強(qiáng)度由14.26 MPa增大至23.12 MPa，增幅62.13%。

圖3 養(yǎng)護(hù)溫度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between curing temperature and compressive strength

當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度大于2 ℃，不同水灰比在各溫度養(yǎng)護(hù)下28 d濕噴混凝土平均單軸抗壓強(qiáng)度均滿足施工設(shè)計(jì)要求(≥C25)，寒冷季節(jié)施工宜選擇水灰比0.42或0.43，坍落度值為12～15，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在濕噴混凝土早期養(yǎng)護(hù)中，應(yīng)保證養(yǎng)護(hù)溫度大于10 ℃，才能保證混凝土強(qiáng)度的有效增長。

4.2 濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)分析

濕噴混凝土是1個(gè)復(fù)雜的非均質(zhì)多相體系，也是固-液-氣3相共存的多孔體[14]。溫度、水灰比影響濕噴混凝土中水泥漿體的水化反應(yīng)，水化反應(yīng)產(chǎn)物又影響硬化水泥漿體微觀結(jié)構(gòu)，因此，從微觀角度可以解釋和驗(yàn)證其宏觀性能表現(xiàn)。為探究濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)與宏觀特征內(nèi)在聯(lián)系，采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察濕噴混凝土微觀形貌、EDS和XRD物相分析。

4.2.1 SEM微觀形貌分析

從宏觀角度，濕噴混凝土是由集料和砂漿組成的2相復(fù)合材料；從微觀角度，濕噴混凝土由膠凝體、石膏、鈣釩石、孔隙裂隙、孔隙水等組成。濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)影響力學(xué)性能[15]，良好的微觀形貌是濕噴混凝土擁有較高早期強(qiáng)度的先決條件。溫度、水灰比通過影響濕噴混凝土水化反應(yīng)，導(dǎo)致水化產(chǎn)物種類不同，從而引起微觀形貌變化。采用SEM觀察濕噴混凝土微觀形貌，得到3 d養(yǎng)護(hù)期齡下濕噴混凝土SEM圖，如圖4所示。

由圖4可知，不同水灰比濕噴混凝土的微觀形貌差別較大，說明溫度是影響濕噴混凝土微觀形貌關(guān)鍵因素。由圖4(a)～(c)可知，低溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，聚集大量未發(fā)生水化反應(yīng)的水泥顆粒，骨料與水化反應(yīng)生成物間孔隙裂隙發(fā)育，且隨水灰比增加水泥漿體包裹性明顯變差，骨料與水化產(chǎn)物僅被初期水泥水化反應(yīng)形成的膠凝體包裹，沒有形成密實(shí)的空間結(jié)構(gòu)，當(dāng)水灰比提高至0.44時(shí)，可以觀察到大量集料表面未被膠凝體包裹的現(xiàn)象，孔隙數(shù)量不斷增多。由圖4(d)～(f)可知，隨養(yǎng)護(hù)溫度提高，濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)中孔隙逐漸減少，結(jié)構(gòu)更加致密，微裂縫逐漸愈合，膠凝體與骨料間膠結(jié)狀態(tài)變好。同時(shí)，水灰比增加，導(dǎo)致鈣釩石和石膏生成量不斷增多，低水灰比試件早期抗壓強(qiáng)度明顯大于高水灰比試件。

濕噴混凝土是1種復(fù)合材料，強(qiáng)度為水泥強(qiáng)度、集料強(qiáng)度以及組分材料間相互作用的函數(shù)，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的C—S—H凝膠對(duì)水泥石的性能起主導(dǎo)作用，決定水泥漿體性能，進(jìn)一步影響濕噴混凝土膠凝體與骨料包裹致密程度。因此，溫度可通過影響膠凝體包裹狀態(tài)進(jìn)而影響混凝土強(qiáng)度。由圖4(a)～4(f)可知，相同水灰比和不同養(yǎng)護(hù)溫度下，骨料與膠凝體間過渡界面有明顯差異，在3 d養(yǎng)護(hù)齡期、2 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，膠凝體與骨料過渡界面存在大量微孔隙，包裹狀態(tài)較差，甚至可以看到初始微裂縫；在20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，發(fā)現(xiàn)膠凝體可以很好的包裹骨料，微孔隙大量減少，微裂縫愈合，膠凝體和骨料間形成膠結(jié)狀態(tài)很好的包裹體，而且更加均勻致密，結(jié)構(gòu)更加完善。為進(jìn)一步確定不同溫度下水泥漿體水化反應(yīng)產(chǎn)物主要成分，采用采用EDS能譜分析與X射線衍射線(XRD)對(duì)硬化水泥漿體進(jìn)行物相分析。

圖4 3 d養(yǎng)護(hù)期齡下濕噴混凝土SEM圖Fig.4 SEM images of wet shotcrete under 3 days curing age

4.2.2 EDS能譜分析

粗集料顆粒與水泥漿體間界面過渡區(qū)是濕噴混凝土結(jié)構(gòu)中最薄弱的區(qū)域，也是影響濕噴混凝土強(qiáng)度主要原因[15]。因此，對(duì)沿集料界面過渡區(qū)附近產(chǎn)物進(jìn)行微觀分析，得到水灰比為0.44時(shí)，在2 ℃、7 d養(yǎng)護(hù)條件下ESEM照片及EDS譜圖，如圖5所示。EDS譜圖顯示，組成元素主要有Ca、O、Si、S和Al，結(jié)合原子比例，可確定該針狀晶體為鈣釩石，表明在低溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，濕噴混凝土在發(fā)生水化反應(yīng)后生成大量針狀鈣釩石晶體，是典型的AFt相。鈣釩石是硫酸鹽侵蝕過程中最常見膨脹性產(chǎn)物。由圖4(e)可知，針狀鈣釩石和簇狀鈣釩石在濕噴混凝土孔隙中密集分布，相互膠結(jié)呈纖維狀。由圖4(a)、圖4(d)和圖4(e)可知，隨溫度升高、水灰比降低，鈣釩石富集程度逐漸減小，濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)更加致密，膠凝體與骨料包裹性更好。因此，在寒冷環(huán)境下，通過提高養(yǎng)護(hù)溫度、降低水灰比，可有效減少鈣釩石晶體與石膏晶體大量富集，提高濕噴混凝土強(qiáng)度。

圖5 0.44水灰比在2 ℃、7 d養(yǎng)護(hù)條件下的ESEM照片及EDS譜圖Fig.5 ESEM image and EDS spectra with water-cement ratio of 0.44 under curing conditions of 2 ℃ and 7 days

4.2.3 XRD圖譜分析

采用X射線衍射手段分析硬化濕噴混凝土漿體中水化反應(yīng)產(chǎn)物種類，以確定不同因素對(duì)水泥水化過程和水化產(chǎn)物的影響。3 d期齡不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土試件XRD圖譜如圖6所示。由圖6可知，硬化水泥漿體內(nèi)水化產(chǎn)物種類主要包括鈣釩石(AFt)、石膏(Ca(OH)2)、碳酸鈣(CaCO3)等。對(duì)相同水灰比、3 d養(yǎng)護(hù)期齡下濕噴射混凝土在不同養(yǎng)護(hù)溫度下水化產(chǎn)物進(jìn)行物相分析。0.42水灰比在相同齡期下，隨養(yǎng)護(hù)溫度升高，硬化濕噴混凝土漿體中碳酸鈣衍射波峰顯著升高，而石膏的波峰顯著下降，其中，硫酸鈣含量有所降低，鈣礬石隨溫度升高呈下降趨勢，結(jié)果與掃描電子顯微鏡SEM觀察到的微觀形貌相符。鈣釩石析出會(huì)形成極其細(xì)微的針狀或者片狀晶體，晶體吸水會(huì)發(fā)生腫脹并呈簇刺狀，過程中伴隨巨大膨脹應(yīng)力，使?jié)駠娀炷涟l(fā)生一定程度膨脹破壞，從而對(duì)濕噴混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成負(fù)面影響。因此，溫度是影響濕噴混凝土水化反應(yīng)關(guān)鍵因素，溫度通過影響濕噴混凝土早期水化產(chǎn)物種類和數(shù)量，影響濕噴混凝土微觀形貌，并最終影響濕噴混凝土強(qiáng)度性能。XRD圖譜物相分析結(jié)果解釋了濕噴混凝土微觀形貌差異原因，驗(yàn)證溫度通過影響水泥水化反應(yīng)進(jìn)而引起濕噴混凝土微觀形貌改變主要原因，進(jìn)一步驗(yàn)證濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)決定抗壓強(qiáng)度值。

圖6 3 d期齡不同養(yǎng)護(hù)溫度下混凝土試件XRD圖譜Fig.6 XRD graphs of concrete specimens under different curing temperatures for 3 days

5 工程應(yīng)用

5.1 濕噴混凝土料漿配合比優(yōu)化

濕噴混凝土配合比見表2。寒冷季節(jié)配料時(shí),水灰比應(yīng)控制在0.44以下，并嚴(yán)格把控骨料細(xì)顆粒含量，減水劑采用聚羧酸減水劑?，F(xiàn)場濕噴混凝土噴層鉆取試驗(yàn)顯示，濕噴混凝土28 d單軸抗壓強(qiáng)度平均達(dá)29.79 MPa，噴層強(qiáng)度較優(yōu)化前提高約30%。

表2 濕噴混凝土配合比Table 2 Mix proportion of wet shotcrete kg/m3

5.2 濕噴混凝土工藝優(yōu)化

通過試驗(yàn)可知，溫度和水灰比是影響寒冷環(huán)境下濕噴混凝土強(qiáng)度主要因素，提高養(yǎng)護(hù)溫度和降低水灰比，可有效增大濕噴混凝土噴層強(qiáng)度。因此，通過提高受噴作業(yè)面養(yǎng)護(hù)溫度和降低濕噴混凝土料漿水灰比2方面改進(jìn)濕噴混凝土施工工藝。

1)嚴(yán)格控制水灰比。施工作業(yè)人員必須嚴(yán)格按照配合比設(shè)計(jì)，在拌制過程中出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象時(shí)，防止主觀盲目增添加拌合水用量；噴漿作業(yè)前對(duì)受噴面地質(zhì)條件做充分調(diào)查，防止工作面巖體由于節(jié)理裂隙或巖體構(gòu)造等出現(xiàn)滲水情況；通過適當(dāng)增加水泥量、速凝劑等措施，防止?jié)駠娒婢植克冶仍龃蟪霈F(xiàn)噴層強(qiáng)度降低等問題。

2)提高噴層養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度：濕噴混凝土在終凝2 h后開始灑水養(yǎng)護(hù)，并且養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得小于7 d，養(yǎng)護(hù)用水必須潔凈，防止污染混凝土；當(dāng)氣溫低于5 ℃不得噴水養(yǎng)護(hù)，優(yōu)化普朗銅礦礦井寒冷期暖風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)，對(duì)井下濕噴養(yǎng)護(hù)段供應(yīng)暖風(fēng)以提高濕噴混凝土養(yǎng)護(hù)溫度，供風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化后井下受噴巷道平均溫度能夠維持在15 ℃左右。

5.3 濕噴混凝土成效評(píng)價(jià)

濕噴混凝土工藝改進(jìn)后噴漿效果如圖7所示。通過優(yōu)化配比與改進(jìn)工藝，普朗銅礦礦山巷道寒冷期施工過程中濕噴混凝土量可達(dá)60 m3/d，生產(chǎn)能力提高約25%；濕噴混凝土支護(hù)巷道返修率大幅降低，噴層裂紋明顯減少，噴層厚度能夠達(dá)到規(guī)定值，巷道噴層頂部掉漿現(xiàn)象得到明顯改善；鉆芯測試得到濕噴混凝土3 d單軸抗壓強(qiáng)度平均約16.5 MPa，7 d單軸抗壓強(qiáng)度平均約21.8 MPa，28 d單軸抗壓強(qiáng)度平均約29.79 MPa，與之前的3，7，28 d單軸抗壓強(qiáng)度相比分別提高38.5%，35%和30.6%，巷道掘進(jìn)速度提高約10%，井下生產(chǎn)效率提高約8%。通過試驗(yàn)研究與現(xiàn)場驗(yàn)證，不僅有效解決了普朗銅礦礦區(qū)濕噴混凝土支護(hù)噴層小、強(qiáng)度低、易開裂等問題，同時(shí)也為礦山正常有序的開采作業(yè)提供保障。

圖7 濕噴混凝土作業(yè)與巷道支護(hù)情況Fig.7 Diagrams of wet shotcrete operation and roadway support conditions

6 結(jié)論

1)通過魚骨圖分析發(fā)現(xiàn)溫度是影響普朗銅礦濕噴混凝土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。溫度影響濕噴混凝土水泥水化反應(yīng)速率，在寒冷作業(yè)環(huán)境下，溫度是導(dǎo)致濕噴混凝土噴層支護(hù)問題出現(xiàn)的主要原因。

2)SEM觀察發(fā)現(xiàn)，寒冷環(huán)境下隨濕噴混凝土水灰比增大，濕噴混凝土硬化水泥石漿體內(nèi)孔隙增加，強(qiáng)度降低；水灰比通過影響濕噴混凝土內(nèi)部初始孔隙率與骨料過渡界面黏結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而影響其力學(xué)特性。普朗銅礦宜將水灰比控制在0.42～0.44的合理范圍。

3)XRD圖譜物相分析結(jié)果闡述濕噴混凝土微觀形貌差異原因，驗(yàn)證溫度是造成濕噴混凝土微觀形貌發(fā)生改變主要原因，進(jìn)一步解釋濕噴混凝土微觀結(jié)構(gòu)決定其抗壓強(qiáng)度值。

4)通過提高養(yǎng)護(hù)溫度，降低水灰比等改進(jìn)措施，普朗銅礦巷道掘進(jìn)速度提高約10%，井下生產(chǎn)效率提高約8%，濕噴混凝土生產(chǎn)能力每天可達(dá)60 m3，改進(jìn)措施實(shí)施后噴層28 d養(yǎng)護(hù)周期下，抗壓強(qiáng)度平均可達(dá)29.79 MPa，提高約30%，支護(hù)返修率降低約85%。