低温环境下湿喷混凝土强度配比优化研究*

冯兴隆，苗元丰 ，李争荣，王贻明 ，刘明武，曹永

(1.云南迪庆有色金属有限责任公司， 云南 香格里拉市 674400；2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室， 北京 100083；3.北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083)

0 引言

喷射混凝土支护是借助喷射机械将混凝土料浆高速喷射到待喷岩面上，用于加固和保护结构或岩石表面的一种具有速凝性质的混凝土技术[1]。喷射混凝土技术一般分为干喷和湿喷。湿喷混凝土技术由于其回弹少、对温度适应能力强、支护效果好等优势，被应用到地下矿山的井巷工程支护中[2]。湿喷混凝土的强度过低则会导致支护体失稳破坏，而湿喷配合比是决定混凝土强度的决定性因素。

针对混凝土强度特性，国内外专家学者做了大量研究。M.Husem[3]对喷射混凝土分别在低温与标准温度下养护7 d及28 d时的强度进行了对比分析，结果表明，温度可通过影响水泥水化速率而影响混凝土强度，低温为影响混凝土强度的主要因素。吴爱祥等[4]通过研究温度对寒冷矿区湿喷支护强度影响发现，在相同温度下，水泥掺量增加可提高湿喷混凝土强度，低水灰比有利于早期强度提高,高水灰比更有利于后期强度的发展。姚松等[5]通过研究发现水泥掺量是影响湿喷混凝土强度的关键因素,在满足工作性能的前提下降低水灰比可以有效提高湿喷混凝土强度。杨清平等[6]研究发现通过增加减水剂的掺量,可较大幅度降低混凝土料浆的水灰比，进而提升混凝土的强度。张玉杰等[7]研究发现随着钢纤维掺量的增加，混凝土抗压强度呈增长趋势，当钢纤维体积掺量为1.5%时，28 d混凝土抗压强度增加 23.8%。陈伟天等[8]研究发现在高强混凝土中掺入一定量的硅灰,混凝土的抗压强度随硅灰掺量的增大呈增长趋势。

某铜矿地处高原，常年气温较低，气温处于0 ℃～15 ℃，本文针对该铜矿的湿喷混凝土，以正交试验为手段，开展湿喷混凝土配比优化试验，获得灰砂比、硅灰掺量、温度、钢纤维对湿喷混凝土力学性能的影响规律，对矿山采用混凝土湿喷技术具有参考意义。

1 湿喷混凝土配合比优化试验

1.1 试验材料

混凝土的实验材料一般有水、水泥、砂石、纤维、减水剂、速凝剂、防冻剂、硅粉等[9]。本次试验用砂石为矿山自产，粒径均在10 mm以下，级配曲线见图1。胶凝材料选择425高性能水泥及硅灰，为保证湿喷混凝土工作特性，水泥掺量控制在 430 kg/m3～480 kg/m3，硅灰掺量控制在5%～15%。结合矿山实际温度，温度变化范围在 0℃～15℃。钢纤维掺量控制在40 kg/m3～50 kg/m3。

图1 矿山自产砂砂石级配曲线

1.2 配合比试验方案

综合各方面因素，固定水泥和硅灰总用量为480 kg/m3，硅灰采用内掺方式，设定水灰比为0.42，设计4因素3水平正交试验探究灰砂比、硅灰掺量、温度、钢纤维用量对混凝土强度的影响。具体正交实验设计见表1。根据标准 L9(34)表安排实验方案,见表2。

表1 正交试验因素水平表

1.3 试验方法

将水泥、砂石、硅灰、钢纤维按照要求质量搅拌均匀；在混合好的干料中加入水和减水剂，同时不停地搅拌混凝土，使得各种成分混合均匀；将搅拌均匀的混凝土倒入试模内，将制作完成的试件编号并放在标准养护室养护，养护条件为湿度90%，温度按照设定摄氏度，养护时间28 d整；达到养护时间后，测定混凝土抗压强度[9]。

表2 正交试验方案

2 试验结果分析

2.1 试验结果

配合比正交试验得到的湿喷混凝土单轴抗压强度见表3，试验处理结果见表4。

2.2 配合比对湿喷混凝土强度的影响

通过分析实验数据,得到湿喷混凝土强度与灰砂比、硅灰掺量、温度、钢纤维掺量的关系。

表3 混泥土试块单轴抗压强度实验结果

2.2.1 灰砂比对湿喷混凝土强度的影响

湿喷混凝土强度与灰砂比的关系如图2所示。

由图2可见，单轴抗压强度随着灰砂比的增大而增减小，灰砂比为0.22时，强度值最大。由此可见，在保证水灰比一定的前提下，提高灰砂比会降低湿喷混凝土的单轴抗压强度，随着灰砂比的增加，胶结材料的胶结作用会下降，进而降低湿喷混凝土的单轴抗压 强度。

表4 试验处理结果

图2 不同灰砂比的估算边际抗压强度均值

2.2.2 硅灰掺量对湿喷混凝土强度的影响

湿喷混凝土强度与硅灰掺量的关系如图 3所示。

图3 不同硅灰掺量的估算边际抗压强度均值

由图3可以看出，抗压强度随着硅灰掺量的增大而增大，以15%时强度值最大。由此可见，硅灰掺量的提高可以较大程度的提高湿喷混凝土的单轴抗压强度，二硅灰作为水泥的理想替代品，其胶结作用明显好于水泥。当硅灰掺量由5%提升到15%时，单轴抗压强度提高了81%。根据混凝土强度测试结果，可以得到28 d的单轴抗压强度和硅灰掺量的关系式：

式中，σUCS为单轴抗压强度，MPa；φ为硅灰掺量，%。

2.2.3 温度对湿喷混凝土强度的影响

湿喷混凝土强度与温度的关系如4所示。

图4 不同温度的估算边际抗压强度均值

由图4可以看出，单轴抗压强度随着温度的增大而减小，以0 ℃时最佳。温度的降低使得湿喷混凝土微观结构中孔隙逐渐减小，密实程度增加，导致宏观强度增加。温度从0 ℃增加到15 ℃时，单轴抗压强度降低了 13%。根据混凝土强度测试结果，可以得到 28 d的单轴抗压强度和温度的关系式：

式中，σUCS为单轴抗压强度，MPa；T为温度，℃。

2.2.4 钢纤维掺量对湿喷混凝土强度的影响

湿喷混凝土强度与钢纤维掺量的关系如图5所示。由图5可以看出，单轴抗压强度随着钢纤维掺量的增大而增大，在50 kg/m3时有最佳的单轴抗压强度。随着钢纤维掺量的增加，可以使得微观上孔隙率减小，密实度加大，宏观上呈现出单轴抗压强度较高。可以得到28 d的单轴抗压强度和钢纤维掺量的关系式：

式中，σUCS为单轴抗压强度，MPa；δ为钢纤维掺量，kg/m3。

2.3 极差分析与最佳配合比

当因素取不同值时，点的散布的范围大，即点的上升或下降的幅度大，该因素就是影响强度的主要因素，反之为次要因素[10]。

图5 钢纤维掺量的估算边际抗压强度均值

极差R的大小反映了试验中各因素作用的大小，极差大表明这个因素对指标的影响大，通常为重要因素；极差小表明这个因素对指标的影响小，通常为不重要因素。本次试验, 各因素对混凝土28 d单轴抗压强度的影响程度排序为:硅灰掺量（29.03）＞灰砂比（13.73）＞温度（7.97）＞钢纤维掺量（6.98）。

按每列各水平的数据与指标关系图确定各因素的最优水平组合，即湿喷混凝土抗压强度的最优配合比为：水泥用量450 kg/m3，纤维用量50 kg/m3，灰砂比0.22，硅灰掺量15%，最佳温度0 ℃。经过实际生产验证，该种水平组合能够取得较好的矿山巷道支护效果，且能应用于实际生产。

3 结论

（1）通过试验可知，混凝土的单轴抗压强度与灰砂比成负相关，与硅灰掺量成正相关，与温度成负相关，与钢纤维的掺量成正相关。

（2）通过正交试验的极差分析，可以得出对混凝土单轴抗压强度影响最大的几个因素，硅灰掺量和灰砂比对单轴抗压强度有较大的影响，其次是温度对湿喷混凝土强度的影响，最后是钢纤维掺量，影响相对较小。

（3）通过试验，可以得出湿喷混凝土的最优水平组合，即水泥用量450 kg/m3，灰砂比0.22，硅灰掺量15%，钢纤维用量50 kg/m3，最佳温度0 ℃。研究结果可为湿喷混凝土的推广应用提供一定的指导。