книги из ГПНТБ / Кравченко Г.И. Облегченные крепи вертикальных выработок

§3. Влияние параметров сухой смеси на прочность

исостав набрызгбетона

Известно, что прочность любого бетона зависит глав­ ным образом от количества и активности цемента Rl{ и водоцементного отношения В/Ц [59, 96]. Некоторое влия­ ние оказывают вид цемента, форма зерен заполнителей

выше прочности раствора, по которому и разрушается бетон.

В работах [4, 57] установлено, что при креплении набрызгбетоном количество цемента на 1 м3 смеси мож­ но изменять в пределах 200—450 кг, В/Ц = 0,35-н0.45. Относительное содержание крупного заполнителя в сме­ сях, применяемых на практике, может составить 0,2— 0,8. Прочность крупнозернистого бетона с прочными за­ полнителями выше прочности мелкозернистого бетона (раствора) при одних и тех же цементе и песке и при формально равных значениях В/Ц [46]. Объясняется это тем, что при равнопрочном цементном клее структура мелкощебеночного бетона имеет больше дефектов, чем структура бетона, поскольку в первом случае вследствие мелкозернистости (по сравнению с кусками гравия, щеб­ ня) песка число зерен н водных оболочек вокруг них больше, чем в бетоне, где песка значительно меньше. Водные оболочки местно меняют качество клея, ослаб­ ляя его, чем в первую очередь и объясняются дефекты структуры раствора [96].

При исследованиях возможности получения набрызг­ бетона высокой прочности при использовании смесей с заполнителем крупности не свыше 10—12 мм применяли песчано-гравийную смесь (доля гравия по весу равна 10%, модуль крупности песка 2,63), щебень крупностью 5—10 мм, глиноземистый цемент марок 400 и 500. Всего было испытано 12 опытных составов сухой смеси, отли­ чающихся расходом цемента (от 200 до 400 кг/м3) и от­ носительным содержанием щебня в смеси заполнителей.

где — весовое относительное содержание крупного за­ полнителя (фракций крупнее 6 мм) в смеси заполните­ лей [42].

80

Для каждого опытного состава набрызгбетоиа с по­ мощью форм (см. рис. 36) получали серию образцов цилиндрической формы диаметром и высотой по 7,5 см. При нанесении набрызгбетоиа всегда выдерживали по­ стоянными условия, влияющие на его прочность, — рас­ стояние сопла от форм (1,0—1,3 м), давление сжатого воздуха в машине (1,4—1,6 кгс/см2), длину материаль­ ного шланга (15 м) и др.

Результаты испытаний образцов набрызгбетоиа при­ ведены на рис. 37. Статистической обработкой результа­ тов эксперимента установили, что разброс пределов проч­ ности при сжатии набрызгбетоиа в каждой серии нахо­ дился в допустимых пределах. Коэффициент вариации не превышал 13%. Точность определения средних значений предела прочности набрызгбетоиа на сжатие при веро­ ятности 0,954 составила 2,2—12,6%.

Из рис. 37 видно, что прочность набрызгбетоиа при изменении состава сухой смеси колеблется от 200 до 470 кгс/см2. При этом рост прочности вызывается повы­ шением содержания в сухой смеси и цемента, и крупного заполнителя. При постоянном содержании крупного за­ полнителя увеличение расхода цемента в сухой смеси в 1,5 раза вызывает рост прочности в песчаных, составах (^, = 0,1) на 30—40%', а в составах, где преобладает щебень (?ч = 0,7)— на 10—15%.

81

Рост прочности набрызгбетона с увеличением доли крупного заполнителя при постоянном расходе цемента особенно сильно проявляется в более тощих составах. Так, при расходе цемента 200 кг на 1 м3 сухой смеси с

набрызгбетоне в качестве единственного заполнителя, что особенно важно для уменьшения аэродинамическо­ го сопротивления выработок.

В общем, абсолютная прочность набрызгбетона на

Состав исходной смеси в процессе нанесения набрызг­ бетона изменяется потому, что часть смеси уходит в от­ скок.

Состав и количество отскока зависят от содержания цемента и заполнителей в смеси, а также от технологи­ ческих факторов — расположения закрепляемой поверх­ ности (кровля или вертикальная стена), давления воз­ духа в машине и т. д. [57]. При исследованиях влияния состава смеси на величину отскока при креплении верти­

82

сокое содержание отскока объясняется еще и характером закрепляемой поверхности — вертикальной стены, покры­ той слоем водоизолирующей мастики и металлической сеткой с ячейками размерами 15X15 см. По данным ра­ боты i[57] и практическим данным, величина отскока при нанесении его иа вертикальные стенки в обычных усло­ виях проведения горных выработок несколько ниже.

Отскок представляет собой тощий бетон, содержание цемента в котором составляет 5,5—11,2% и определяется расходом цемента в исходной бетонной смеси и мало за­ висит от величины А.ь Содержание крупного заполнителя в отскоке, наоборот, полностью определяется коэффи­ циентом ?ц исходной смеси и почти не зависит от рас­ хода цемента. Ориентировочный расчет величины отско­ ка для исследовавшихся условий может быть произведен по формуле

где х= —— — величина отскока, выраженная через от-

РСМ, II

ношение веса отскочившего материала к весу начальной сухой смеси; Рп. „ — вес цемента в 1 м3 начальной сухой смеси.

На основании результатов изучения величины и со­ става потерь материала в виде отскока при нанесении набрызгбетона возможно определение фактического со­ става расчетным путем [55]. Количества весовых частей заполнителей набрызгбетона равны:

полнителей, цемента и крупного заполнителя соответст­ венно в начальной бетонной смеси и отскоке.

Значения Р3.от, Рц. от и Рк. от могут быть выражены через параметры начальной бетонной смеси и величину

83

отскока. Тогда, после некоторых несложных преобразова­ ний значения 6ф и Аф определяются в виде:

Й |.( б о т + 1 ) - Л - б 0Т ( б „ + 1)

Результаты сопоставления расчетных значений 6ф и Аф и фактических значений, полученных промывкой проб, снятых со стенки, через стандартный набор сит обнару­ жили их приемлемую сходимость (относительная величи­ на отклонения экспериментальных точек от расчетных для содержания цемента не превышает 11%, для доли крупного заполнителя— 19%).

изготовленных на кварцевом песке и обычном щебне при одном и том же содержании цемента, повышаются водо­ непроницаемость и трещиностойкость, улучшается удар­ ная вязкость, интенсифицируются процессы твердения бетона [75]. Эти свойства карбонатных бетонов объясня­ ются тем, что карбонатные заполнители имеют шерохо­ ватую поверхность, способны к самовакуумированию и химическому взаимодействию с гидратированными мине­ ралами цементного клинкера, что обеспечивает высокую прочность контакта вяжущего и заполнителя. Отсюда следует, что применение таких заполнителей представ­ ляет определенный интерес для крепления выработок набрызгбетоном.

Изложенное хорошо иллюстрируется результатами испытаний прочности на сжатие набрызгбетона на квар­ цевом и карбонатном песке Чусовского карьера

(табл. 12).

Применение карбонатного песка в наиболее употре­ бительном диапазоне составов позволяет повысить проч­ ность набрызгбетона на сжатие в среднем на 25%, при­ чем этот эффект заметнее в более тощих составах.

Прочность иабрызг-бетона можно значительно увели­ чить, включая в смесь металлические опилки и молотую стружку. Опытами, выполненными в ВостНИГРИ, уста­ новлено, что добавка этих включений в количестве 10— 15% веса цемента повышает прочность набрызгбетона в

84

1,5—1,7 раза. Благодаря высокой сопротивляемости исти­ ранию, простоте организации работ по возведению и ре­ монту набрызгбетона с металловключениями этот мате­ риал, несомненно, найдет широкое применение для креп­ ления рудоспусков, бункеров, скипоразгрузочных камер, рудовыпускиых дучек и т. д.

§4. Прочность и ползучесть набрызгбетона

ибетона одинакового состава

Необходимость такого исследования вызывается сле­ дующим. Во-первых, все более широкое применение на­ брызгбетона для крепления выработок, пересекающих неустойчивые породы, требует знания его реологических свойств. Во-вторых, часто высказываемые соображения о значительном влиянии технологии крепления набрызгбетоном на все его механические свойства не всегда до­ статочно обоснованы. В связи с этим были проведены сравнительные испытания образцов набрызгбетона и бе­ тона одинакового состава на ползучесть при одноосном сжатии {48]. Испытания проводили в лаборатории меха­ нических испытаний ВНИМИ на установке УП-2 с гид­ равлическим способом передачи давления.

Образцы набрызгбетона и бетона состава 1 :2 :4 (по объему) изготовляли в шахтных условиях на основе гли­ ноземистого цемента марки 500 Нижнетагильского заво­ да. Для исключения масштабного фактора образцы из­ готовляли одинакового размера (цилиндры диаметром 30 мм и высотой 60 мм). Испытывали образцы в возра­ сте 2 месяцев при стабилизировавшейся влажности.

85

Для назначения уровня нагрузок при испытаниях ползучести определили прочностные характеристики набрызгбетона и бетона. Предел прочности на сжатие оп­ ределяли как среднее из результатов испытаний 6 образ­ цов и он составил для набрызгбетона 410 кг/см2, а для бетона — 380 кгс/см2.

Для каждого из образцов, испытываемых на ползу­ честь, определяли модуль упругости на приборе УКБ-1 импульсным методом.

Деформации образца измеряли с помощью многообо­ ротных индикаторов часового типа с ценой деления шка­ лы 0,001 мм.

s-10 /см

По мере снижения скорости деформирования интер­ вал времени между замерами деформации увеличивали от 20 с до 24 ч. Испытание считалось законченным, если в течение 2—3 суток не наблюдала приращения дефор­ мации или оно составляло не более 0,1 мк.

Испытания проводили под нагрузками, составлявши­ ми 30, 40, 50, 70% от предела прочности осж. При каж­ дом уровне нагрузки испытывали по три образца.

На основании экспериментальных данных построены графики деформация — время (рис. 39), по которым вид­ но, что процесс деформирования набрызгбетона отно­ сится к затухающей ползучести.

Скорости деформирования образцов в начале и конце испытаний резко отличались. Максимальная скорость на­ блюдалась в первые часы. Большая часть приращений

86

деформаций ползучести набрызгбетона (70—80%) отно­ сится к первым 24 ч, остальная часть — к последующему периоду процесса деформирования, составляющему 30 суток.

Для установления степени линейности или нелинейно­ сти процесса ползучести набрызгбетона и бетона того же состава строили семейство изохронных кривых, характе­ ризующих зависимость между напряжением и деформа­ цией в различные моменты времени. Изохронные кривые незначительно отличаются от прямых, и это дает осно­ вание полагать процесс подчиняющимся линейному за­ кону деформирования.

Как известно, линейное деформирование реальных материалов, обладающих свойствами наследственности, описывается уравнением Вольтерра

(ядро ползучести), отражающее влияние на деформацию в момент времени / нагрузки, приложенной ранее в мо­ мент времени т.

Различными авторами отмечается предпочтительность простых формулировок закона ползучести. При этом имеются в виду, во-первых, трудности в определении коэффициентов или функций, содержащихся в сложных уравнениях, по ограниченным, как правило, опытным данным, и, во-вторых, характерный для явления ползу­ чести большой разброс опытных данных.

Бетоны несравненно более неоднородны, чем метал­ лы, поэтому здесь тем более оправдано применение про­ стых уравнений.

Если считать, что свойства набрызгбетона и бетона неизменны во времени (нет старения), то можно описы­ вать процесс его деформирования уравнением (39) с дву­

где 6 и а — параметры ползучести.

87

Важным достоинством привлечения этого ядра яв­ ляется возможность использования при расчете влияния времени на устойчивость набрызгбетонной крепи опера­ торов Ю. Н. Работнова [74].

С учетом ядра ползучести (40) деформация образца во времени определяется из уравнения (39) в виде:

[см. (40)] для описания процесса ползучести набрызгбетона и бетона, полученные данные аппроксимировались уравнением (42) с вычислением параметров ползучести а и б по методу наименьших квадратов на ЭВМ М-220. Оказалось, что отклонения расчетных величин от опыт­ ных данных не превышают 8% и в среднем состав­

ляют ± 1По­ средине значения параметров ползучести а и б, оп­

ределенные для интервала в 30 суток, отсчитываемого от момента нагружения, по данным испытаний всех образ­

На рис. 40 приведены кривые ползучести набрызгбетона и бетона одинакового состава при почти одной и той же нагрузке (составляющей 50% разрушающей). Скорость деформации набрызгбетона на 20% меньше, чем у бетона того же состава.

При известных параметрах ползучести а и б ядра [см. (40)] были построены графики (рис. 41), характери­ зующие изменение модуля Юнга и коэффициента Пуас-

88

где Г — гамма-функция.

При равенстве в начальшй момент (момент нагру­ жения) модуля Юнга и коэффициента Пуассона набрызгбетона и бетона одинакового состава со временем

мелкозернистого бетона. Значительного улучшения меха­ нических свойств набрызгбетона только за счет особен­ ностей технологии достичь не удается.

§ 5. Расчет состава набрызгбетона заданной прочности

Важнейшая особенность технологии крепления набрыгзбетоном — визуальное регулирование сопловщиком количества подаваемой воды, исходя из условия получе­ ния высококачественного неоплывающего материала.

89