Влияние основных факторов на процесс торкретирования и характеристики торкреткрепи.

Традиционно набрызг-бетонная крепь самостоятельно применяется в горной выработке как изолирующая от воды и ветра. Кроме того ее применяют для сглаживания неровностей выработки после буровзрывных работ, что способствует равномерному распределению горного давления по всему периметру выработки. Так же набрызг-бетон применяется в составе различной комбинированной крепи.

Набрызг-бетон не приминяется как самостоятельно воспринимающая значительную нагрузку крепь. Это связано, с незначительной возможностью воспринимать изгибающую нагрузку небольшой толщиной крепи. Существующее оборудование возведения набрызгбетона не позволяет за раз нанести большую толщину крепи. А при нанесении таковой за несколько приемов, имеет место расслоение крепи в целом и снижение ее несущей способности.

При нанесении смеси под напором частицы цемента с мелкими фракциями песка забиваются в пустоты и трещины породной поверхности, восстанавливая нарушенный приконтурный слой пород. Вследствие этого в систему сил, противодействующих смещениям массива, включается дополнительная конструкция – восстановленная породная оболочка. Эта “дополнительная” крепь работает в единой системе с набрызг-бетонным покрытием.

Набрызг-бетонное покрытие надежно предохраняет горные породы от разрушения внешними агентами, в результате чего породы сохраняют свои свойства неизмененными на длительный срок. В обычных условиях прочность пород в при контурной части выработки с течением времени падает до 60-70% от начальной.

Более высокая механическая прочность набрызг-бетона позволяет в 2 раза уменьшить толщину крепи (по сравнению с бетонной, возводимой с помощью опалубки). Это в свою очередь снижает жесткость конструкций, сокращает стоимость крепи.

Набрызг-бетонная смесь состоит в основном из тех же компонентов, что и обычный бетон. Однако технологические особенности набрызга вносят дополнительные требования к составу, свойствам исходных компонентов и методике расчета их расхода. Вяжущие для набрызг-бетонной смеси должны обеспечивать большую скорость ее схватывания, твердения и набора прочности, высокую адгезионную способность, которая должна проявляться сразу же после набрызга, чтобы предотварить сползание смеси и уменьшить отскок.

Структура набрызгбетона отличается от структуры обычного бетона. Он представляет с собой весьма плотный материал и состоит из смеси цементного камня и заполнителя, в котором имеются поры размером до 2 мм. Их происхождение объясняется испарением избыточной влаги или захватом воздуха при нанесениях набрызгбетона. Ориентировочный объем пар составляет 4-6%, а в монолитном бетоне 20-22%. Увеличение плотности набрызгбетона способствует росту его прочностных показателей.

От интенсивности нарастания прочности набрызгбетона зависит способность крепи воспринимать нагрузку от смещающихся пород или их обрушений, уменьшается вероятность ее оплывания под действием фильтрующейся воды и снижаются потери цементного молока. Появляется возможность нанесения слоя набрызгбетона заданной толщины в один прием.

Ускорение твердения может быть достигнуто, благодаря применению цементов повышенной активности и соответствующего химико-минералогического состава, уменьшению зернового состава и повышению чистоты заполнителей, увеличению времени перемешивания компонентов смеси, а также использованию добавок ускорителей твердения.

В результате гидратаций цемента образуются новые соединения, характер и структура, которых в значительной степени определяются их минералогическим составом, от которого зависит скорость и глубина гидратаций, и следователь цементного камня, раствора и бетона.

На прочность набрызгбетона также оказывает большое влияние водоцементное отношение. Для нормальной и полной гидратаций цемента достаточно 20-25% воды от его массы. Повышенный расход воды ведет к снижению прочности бетона, так как свободная вода, испаряясь по мере твердения бетона, создает в нем пористость и часть цементного клинкера стекает с цементным молоком в выработки. Общая пористость бетона слагается из структурных пор цементного камня и заполнителя, контактной пористости, также получаемой в процессе недостаточного уплотнения и вовлечения воздуха в бетон при его набрызге.

При затворении бетона вода идет на заполнение пор заполнителей образование цементного камня . Адсорбционная вода смачивает поверхность зерен заполнителей.

Водоцементное отношение бетона, характеризирующее его прочность, представляется суммой

, (2)

Где Ц- масса цемента; + - сумма масс крупного(щебень) и мелкого(песок) заполнителей.

Обычно принято всю воду относить к массе цемента,

= , (3)

Уменьшение водоцементного отношения положительно влияет на начало и особенно на конец схватывания цемента. Не случайно, что все известные формулы для определения прочности бетона на сжатие учитывают водоцементное отношение.

На прочность набрызгбетона оказывает существенное влияние продолжительность перемешивания компонентов сухой смеси, приводящая к более глубокому ее смешиванию, что способствует ускорению твердения, повышению прочности, однородности и водонепроницаемости уложенного слоя. По опытным данным отклонения прочности образцов, характеризирующих однородность набрызгбетона, перемешенного в течение 15 секунд, составляли более 30% его средней прочности, перемешенного в течение 2 мин±10%.

Крепь из набрызгбетона по типу конструкций относится к категориям упрочняющих. Упрочняющий эффект набрызг-бетонного покрытия достигается за счет двух основных факторов:

1) заполняя мелкие и крупные трещины в прилегающем к выработке массиве, и восстанавливая разрушенную, следовательно, разгруженную от напряжений породу до монолитного состояния, набрызгбетон вовлекает в систему сил, противодействующих смещениям, дополнительную конструкцию омоноличенную породную оболочку. Согласно экспериментальным данным эта оболочка имеет толщину до 10 см, т.к. на такое расстояние от контура выработки проникает бетонная смесь при торкретирований . Кроме того набрызгбетон выравнивает поверхность выработки, обеспечивая этим более однородное напряженное состояние по ее периметру. Все это повышает устойчивость породных обножений.

2) породы, вмещающие выработку, под действием внешних агентов со временем теряют прочность до 60-70% от начальной. В.Л. Федулиным устоновлено, что прочность пород на контуре выработок снижается в 1,25-2,0 раза по сравнению с породами, залегающими на глубине 1 м от контура.

Даже небольшой слой набрызгбетона, нанесенный на стенки выработки, изолирует породную поверхность и предохраняет горный массив от разрушения внешними агентами. В результате этого породы в значительно меньшей степени теряют свои первоначальные прочностные свойства.

Процесс упрочнения пород при набрызге зависит от многих случайных факторов, носит вероятностный характер и не может быть количественно оценен с позиций строгого аналитического решения. Однако в первом приближений с известной идеализацией расчетной схемы можно найти уровнение равновесия систем “горный массив- крепь” и “горный массив- упрочненная породная оболочка- крепь” которые окажутся пригодными для приближенного суждения о закономерностях изучаемого процесса.

Анализ закономерностей позволяет сделать следующие выводы:

- в процессе набрызг-бетона, заполнение трещины даже на небольшую глубину (от 2 до 10см от контура выработки) является достаточно эффективным средством упрочнения пород. Такое “пассивное” упрочнение пород при набрызге достигает 20-30% возможного эффекта “активного” способа упрочнения. Необходимый отпор крепи, обеспечивающий устойчивое состояние породных обнажений, с учетом упрочняющего эффекта набрызг-бетона может быть снижен на 10-30%.

- эффект упрочнения при набрызг-бетона возрастает с увеличением угла внутреннего трения породы. Поэтому применение набрызгбетона особенно эффективно при сооружении выработок в хрупких, трещиноватых породах (эффект примерно в 1,3 раза выше, чем в более эластичных породах).

- упрочняющий эффект набрызга возрастает с повышением устойчивости породных обнажений. Это объясняется относительным снижением роли крепи с повышением устойчивости породных обнажений.

- существенное влияние на упрочняющий эффект оказывает коэффициент упрочнения пород. При его увеличениях с 0,2 до 0,6 эффективность упрочнения возрастает более чем в два раза.

Таким образом, видно, что на эффективность набрызг-бетонной крепи оказывают влияние множество факторов, которые условно можно разделить на две группы:

- факторы горно-геологического характера;

- факторы технологического характера приготовления и возведения крепи.

Если первая группа факторов играет роль при выборе области применения набрызг-бетонной крепи, то вторая группа – напрямую зависит от способа приготовления набрызг-бетонной смеси, качества исходных материалов и технических средств возведения крепи. Поэтому все работы по повышению эффективности набрызг-бетонной крепи должны вестись по пути усовершенствования факторов, входящих во вторую группу. И данная работа тоже посвящена этому. А именно применению центробежного нагнетателя с принудительно-механической подачей материалов набрызг-бетона дает дополнительные эффекты по улучшению большинства выше перечисленных факторов, относящихся ко второй группе. При одинаковом составе и качестве исходных материалов, набрызгбетон после центробежного нагнетателя по сравнению с набрызгом по средством сжатого воздуха имеет ряд преимуществ. Это связано с более качественным и продолжительным перемешиванием бетонной смеси, дополнительной активацией клинкера цемента, оптимальным водоцементным отношением, отсутствием сжатого воздуха и т.д.

Как показал результаты экспериментальных исследований, прочность набрызгбетона по сравнению с аналогичной маркой бетона увеличивается. Плотность смеси еще больше увеличивается, и практически отсутствуют поры, водоцементное отношение минимальное. Можно предположить, что такая крепь и при изгибе выдерживает значительные нагрузки. Все это достигается из-за того, что в процессе работы центробежного нагнетателя происходит интенсивное механическое воздействие на смесь. Это позволяет использовать тиксотропные свойства мелкого заполнителя смеси. Кроме того, минералы, клинкера цемента подвергаются активацию (размельчаются), что способствует появлению дополнительных поверхностей для реакций гидратаций. Все это в совокупности позволяет достичь вышеназванных эффектов. Результаты эксперимента показали, что состав №5 имеющий одинаковые компоненты с составом №4 имеет более высокую прочность, так как он подвергался активацию через смеситель-активатор, который в нашем случае имитировал импеллер центробежного нагнетателя. Но этот эффект на самой машине МЦТ намного выше, поскольку весь процесс прохождения смеси происходит непрерывно и более интенсивно. Это подтверждает результаты полученных ранее заводских испытаний рабочего органа машины МЦТ.

И так, по результатам экспериментальных исследований в лабораторных условиях получено подтверждение ожидаемой дополнительной эффекты от воздействия факторов, влияющих на прочность набрызг-бетонной крепи.