2015-05-18
1651
Необходимо отметить, что набрызгбетон, относящийся к жестким видам крепи, плохо работает на растяжение. Это приводит к его растрескиванию, особенно в зонах влияния очистных работ. Для устранения этого недостатка в отечественной и зарубежной практике ведутся работы по использованию при набрыгбетонировании металлических, стеклотканевых и полимерных добавок.
Особый интерес представляет бетон, армированный металлическими волокнами - фибро-бетон. Он получается путем дозированной подачи в сухую или мокрую исходную смесь отрезков тонкой проволоки. В технологии нанесения обычного и армированного бетона особого отличия не существует. Не наблюдается также и повышенного износа элементов машин. Несмотря на то, что стоимость армированного набрызгбетона выше стоимости обычного, экономия может быть достигнута за счет уменьшения толщины крепи.
Преимущество армированного набрызгбетона (фибробетона) заключается в его высоком сопротивлении деформациям при растяжении и динамических нагрузках, что позволяет существенно повысить сейсмостойкость крепи, ее сопротивляемость к ударным воздействиям и, в конечном итоге, уменьшить затраты на поддержание выработок.
Армированный набрызгбетон является многокомпонентным материалом, состоящим из цементно-песчаной смеси и содержащей металлические или другие типы волокон (фибр). Наличие фибр ограничивает появление трещин в композите, увеличивает его пластичность и стойкость к ударным нагрузкам. Для обеспечения полной передачи напряжений армирующему элементу модуль упругости композита должен быть значительно ниже модуля упругости волокна, что имеет место в системе «бетон-сталь». Связь на границе «волокно-бетон» зависит от сцепления волокна с цементно-песчаной смесью. При прочном сцеплении компонентов возникает более высокое сопротивление разрыву. При использовании армированного набрызгбетона на 50% повышается предел прочности на сжатие и на 30% предел прочности на растяжение.
Смеси для нанесения армированного набрызгбетона включают:
· высокопрочные цементы класса не ниже 400 с расходом 350-460 кг/м3;
· высококачественные заполнители с постоянным гранулометрическим составом при максимальной крупности зерен 12 мм;
· фибра до 10% от массы цемента.
Расход цемента для армированного набрызгбетона на 20% выше, чем при обычном набрызгбетоне. Необходимость повышенного расхода цемента определяется, исходя из необходимой прочности на сжатие и расхода фибр. Требования к заполнителям набрызгбетонной смеси (песку, щебню или гравию) определяются необходимостью получения более плотного и прочного конечного материала в конструкции крепи и снижения потерь материала в отскок.
Наибольшее распространение для армирования набрызгбетона получила металлическая фибра, которая обладает большой текучестью и высокой механической прочностью в момент разрыва. Металлические волокна вводятся в набрызгбетонную смесь в виде отрезков тонкой проволоки диаметром 0,4-0,8 мм и длиной 2-5 см Отрезки меньшего диаметра и большей длины непригодны, так как при их введении в смесь не обеспечивается качественное перемешивание.
При использовании фибро-бетона рекомендуется первый слой наносить без добавок. Второй слой наносится с металлической фиброй на еще несхватившийся первый слой. Концы проволок покрываются слоем бетона. При этом металлические добавки связывают между собой слои набрызгбетона. Использование фибр в бетоне повышает на 30-40% начальную и конечную прочность бетона на сжатие и растяжение, уменьшает образование усадочных трещин и увеличивает сейсмостойкость крепи. Как показывает практический опыт, армированный металлической фиброй набрызгбетон продолжает воспринимать нагрузку даже в условиях действия динамических нагрузок.
Однако стоимость металлических волокон, используемых для армирования набрызгбетона еще достаточно высока. В связи с этим, в качестве армирующих злементов применяются более дешевые материалы, например, стекловолокно, полимеры, асбест и другие природные и искусственные материалы. В табл. приведены средние значения основных физико-механических свойств различных типов волокон.
Таблица
Основные физико-механические свойства различных типов волокон
| Вид волокон | Плотность, кг/м3 | Предел прочности на растяжение, МПа | Модуль упругости, МПа | Удлинение при разрыве,% |
| Стальное | 2х105 | |||
| Стеклянное | 4,7х103 | |||
| Полипропиленовое | 5,5х103 | |||
| Полиэтиленовое | 2,5х103 | |||
| Акриловое | 2,1х103 | |||
| Визкозное | 8,7х103 | |||
| Углеродное | 2,4х105 | |||
| Капроновое | 4,6х103 | |||
| Хлопчатобумажное | 7,7х103 |
Сочетание анкерной крепи с фибро-бетоном успешно используется за рубежом при проведении работ на больших глубинах и, кроме того, является наиболее оптимальным видом крепления большепролетных подземных сооружений. При этом качественный контакт армированного набрызгбетона с массивом обеспечивает их совместную работу. Такая крепь является наиболее эффективной в зонах, опасных по горным ударам, обеспечивая надежную защиту выработки от разрушений. Использование такой комбинированной крепи позволяет увеличить производительность труда, снизить стоимость сооружения и повысить надежность его поддержания, что в свою очередь предоставляет возможность безопасных и экономичных условий ведения горных работ на более глубоких горизонтах.
При проходке транспортного тоннеля Berg Bock (Германия) сечением вчерне 80 м2 применение армированными металлическими волокнами набрызгбетона позволило сократить время возведения крепи на 30%. Ежедневная потребность в набрызгбетоне изменялась от 150 до 200 м3. Состав смеси был следующим: цемент марки CEMI 45.R-380 кг/м3, зола; песок крупностью 0-2мм, гравий крупностью 2-8 мм, металлические волокна (Dramex). Прочность армированного набрызгбетона составила 47-50 Н/мм2
На строительстве транспортного туннеля Кумберланд в США для армирования набрызгбетона при нанесении его мокрым способом были применены металлические волокна длиной 38 мм. Один кубический метр армированного набрызгбетона стоил 210 долларов. Для крепления тоннеля армированным набрызгбетоном разработано новое полимерное волокно, повышающее его сопротивление динамической нагрузке, улучшающее сцепление бетона, снижающее отскок и потерю материала, позволяющее укладывать набрызгбетон более толстыми слоями за один проход и снижающее трещинообразование.
7. Добавки к набрызгбетонной смеси
Рост популярности применения набрызгбетона связан в первую очередь с новыми достижениями в технологии бетонирования. На качество набрызгбетона большое влияние оказывает разработанная в последние годы во многих странах и постоянно совершенствуемая система применения различных добавок (ускорителей твердения, пластификаторов, микросилики и др.) при изготовлении набрызбетонной смеси. Кроме того, постоянно ведутся работы по подбору дешевых и качественных инертных наполнителей.
Использование различных химических добавок в технологии производства бетона повышает удобоукладываемость бетонной смеси, позволяет снизить расход воды и цемента, дает возможность получать бетоны повышенной плотности, прочности и долговечности, регулировать процессы схватывания и твердения цементных систем. Эффективность добавок достигается при оптимальной их дозировки, в зависимости от марки и минералогического состава цемента.
В практике ведения бетонных работ рекомендуется вводить добавки совместно с водой затворения или в виде раствора необходимой концентрации в предварительно приготовленную бетонную смесь. Количество добавки принимается относительно массы цемента в процентном отношении при строгом соблюдении точности дозирования и составляет соответственно: для ускоряющих добавок 1-5%, для пластификаторов 0,05-0,5%.
Наибольшая эффективность достигается при использовании суперпластификаторов (С-3, Дофен, 10-03 и др.), которые позволяют значительно увеличить подвижность раствора. Осадка конуса изменяется от ОК=4 до ОК=20. Рекомендуемая дозировка суперпластификаторов находится в пределах 0,2 –1% по массе цемента.
Сроки начала твердения цементно-песчаных смесей с ускоряющими добавками регулируются в широких пределах, изменяются от одной до нескольких десятков минут и определяются конкретными условиями ведения крепежных работ. Подбор типа и количества добавок в каждом конкретном случае предварительно производится в лабораторных условиях с изготовлением контрольных образцов и определением основных характеристик бетонной смеси.
Особое значение для набрызгбетона имеют ускорители твердения. Использование ускорителей схватывания обязательно при набрызгбетонировании слоев толщиной более 10 см и в слабых породах. Действие ускорителей схватывания начинается уже в период движения бетонной смеси от сопла до скальной поверхности, превращая смесь из тяжелой жидкости в пасту. Это увеличивает сцепление бетонной смеси с поверхностью и позволяет наносить слой большей толщины. Ускорители схватывания вводятся в смесь непосредственно перед перед нанесением в жидком или порошкообразном виде.порошок, как правило, применяется при использовании технологии сухого набрызга и подается в машину дозатором. Ускоритель схватывания в жидком виде специальным насосом подается по шлангу непосредственно к соплу, и количество его регулируется сопловщиком.
Наиболее широко распространенными и дешевыми ускорителями схватывания являются алюминаты и силикат натрия (жидкое стекло). Ускорители схватывания на основе алюминатов характеризуются короткими сроками начала и окончания схватывания. При нормальной дозировке в пределах 3-8% от массы цемента уже через 0,5-2 ч предел прочности на сжатие может достигать 1-2 МПа.
Традиционные ускорители схватывания, алюминаты в первую очередь, негативно влияют на конечную прочность бетона. При передозировке ускорителя схватывания она может быть на 20-40% ниже, чем в случае, если бы добавки не использовались. В следствие вышеуказанных причин алюминаты широко используются при проходке выработок в слабоустойчивых породах, где набрызгбетон является временной крепью и он должен быстро вступить в работу.
Во многих странах при производстве набрызгбетонных работ в настоящее время широко используется модифицированный силикат натрия. Скорость схватывания и набора прочности при использовании силикатов ниже, чем при использовании алюминатов. В то же время при нормальной дозировке силикатов натрия (3-6% от веса цемента) конечная прочность бетона будет лишь на 10-20% ниже, чем без использования добавки. Не рекомендуется использование силикаты при температуре ниже 5˚С. набрызгбетон с силикатом натрияв лотличии от алюминатов в ряде случаев может применяться и как посточнная крепь.
Выше приведенные традиционные ускорители схватывания –щелочные, вредные для кожи и глаз. Прежде всего это касается алюминатов, у которых рН >13. В настоящее время все большее распространение получают нещелочные ускорители схватывания, безвредные для человека и не влияющие на конечную прочность бетона. Эти ускорители нового поколения широко применяются и вытесняют с рынка традиционные ускорители. В некоторых странах (Франция, Швейцария, Австрия и др.) в связи с риском для здоровья персонала использование традиционных ускорителей схватывания, например, алюминатов не допускается. Расход нещелочных ускорителей несколько большая (3-10% от массы цемента), чем при использовании ускорителей старого поколения. Орассмотрим несколько конкретных примеров использования ускорителей схватывания.
На основании практического опыта сооружения тоннелей акционерное общество Deutsche Bahn AG(Германия) предполагает в недалекой перспективе широкое применение различных ускоряющих добавок. Применяемый в тоннелестроении для набрызгбетона ускоритель (средство ВЕ) из-за отрицательного эффекта, снижающего прочность, подвергается серьезной критике, хотя для обеспечение непрерывной и скоростной проходки тоннеля все-таки необходимо быстрое нарастание прочности бетона счет применения данной добавки-ускорителя. Поэтому для дальнейшего совершенствования средства ВЕ пошли по пути уменьшения содержание в добавке щелочи, чтобы не допустить снижения конечной прочности бетона. В перспективе возможно создание специальных ускоряющих добавок для набрызгбетона с незначительным содержанием в них щелочи.
За рубежом разработано несколько безопасных низкощелочных добавок-ускорителей твердения набрызгбетона, наносимого мокрым и сухим способами. Такие добавки оказывают незначительное вредное воздействие на окружающую среду и человека, в то время как обычные щелочные добавки являются опасными для здоровья человека. Рассмотрено применение четырех низкощелочных добавок, ускоряющих процесс схватывания набрызгбетона и повышающих безопасность работ. Они использовались компаниями Sika, MBT, Yolderchem Euco и Rhone Poulene GmbH при сооружении тоннелей.
Получила также распространение новая безхлоридная добавка - ускоритель твердения бетона, который сокращает время схватывания в 3 раза. Добавка поставляется в виде готового к употреблению раствора и снижает риск замерзания бетона. Она улучшает удобоукладываемость и ускоряет нарастание прочности бетона. Сокращая время схватывания, добавка позволяет достигнуть значительной экономии времени и трудозатрат
Фирма Tricosal, Германия, выпускает целый ряд нещелочных ускорителей в порошковообразном и жидком виде. Смеси с ускорителями применяются для бетонного крепления. Ускоряющие добавки предназначены для заделки швов и создания гидроизоляционных покрытий. Работы по ремонту крепи и упрочнению массива осуществляются однокомпонентным высокопрочным бетонным составом без усадки. Состав представляет мелкозернистый цемент для инъекционных работ в бетон, каменную и кирпичную кладку или в породу под низким давлением.
Швейцарская компания Master Builders Technologies производит бесщелочной ускорителя схватывания бетона Meyco SA 160 для набрызгбетонирования стенок и кровли горных выработок. Ускоритель выпускается в жидком виде. Содержание добавки составляет 6-8% от массы готового бетона. Ускоритель обеспечивает возможность нанесения слоя набрызгбетона толщиной 150-400 мм за один проход с эксплуатационными характеристиками, сопоставимыми с теми же показателями, получаемыми при использовании ускорителей на основе алюмината, но без известных недостатков последних.
Многие фирмы, работающих на сооружении тоннелей достигли значительного прогресса в области нанесения набрызгбетона с использованием различного типа добавок. Сухие и мокрые добавки к набрызгбетонной смеси уменьшают потери материала в отскок, увеличивают прочность бетона, облегчают условия обращения с ними и повышают безопасность работ. Проведенными исследованиями установлено, что отсутствие в ряде добавок хлоридов, нитратов и алюминатов является положительным моментом.
В качестве добавок к набрызгбетонной смеси применяются различные типы модификаторов. Результаты исследований, проведенных в лабораторных и шахтных условиях, показали, что использование определенных модификаторов в количестве 0.5-2% от массы цемента обеспечивает увеличение прочности набрызгбетона в 1.5-2 раза. Таким образом, можно предположить, что применение рассматриваемых добавок позволит уменьшить толщину слоя набрызгбетона также в 1.5-2 раза при сохранении несущей способности крепи. Выполненные предварительные технико-экономические расчеты затрат на крепление выработок с учетом соответствующего уменьшения толщины слоя набрызгбетона в случае использования модифицирующих добавок показали существенное сокращение расходов на крепление по данной статье.
Еще одним направлением совершенствования набрызбетонной крепи в тех случаях, когда по организационным или технологическим причинам требуется более 2-х часов с момента приготовления до момента нанесения смеси, явилось с начала 1990-х годов применение стабилизаторов, отодвигающих начало процесса гидратации цемента на 5-10 часов, а при необходимости и на 72 часа. При использовании стабилизатора перед нанесением набрызгбетона в смесь вводится активатор, который нейтрализует действие стабилизатора. Как правило, активатор вводится в смесь одновременно с ускорителями схватывания по шлангам, подведенными к соплу.
Для улучшения свойств бетонной смеси и эксплуатационных свойств материала обделки широко используется микросилика (микросиликаты). Микросилика является побочным продуктом металлургического процесса при производстве металлического кремния и ферросилиция. Размер зерен в основном менее 0,5 мкм, т.е. ориентировочно в 100 раз меньше, чем размер зерен цемента. Качество микросилики определяется содержанием двуокиси кремния. Для набрызгбетонных работ пригодным считается микросилика с содержанием двуокиси кремния 80%.
Использование сверхтонких минеральных компонентов для бетонов существенно улучшает свойства цементно-песчаной смеси. Высокая степень дисперсности мельчайших частиц микросилики позволяет очень эффективно проникать в пространства между зернами цемента, заполнять поры продуктами гидратации, укреплять и уплотнять связи с образующимися агрегатами.Добавка микросилики обеспечивает получение смеси с водо-цементным отношением ниже 0,3. Бетоны данного состава обладают очень высокой начальной прочностью и имеют в 7 суточном возрасте 55-65% конечной прочности, которая может достигать 150 МПа. Проницаемость бетонов, содержащих микросилику, значительно ниже обычных бетонов. Использование мелкодисперсных добавок позволяет получать практически водонепроницаемый бетон. Гидроизоляционные свойства материала улучшаются с возрастанием в нем содержания микросиликатов.
При приготовлении набрызгбетонной смеси применение микросилики:
· увеличивает сцепление со скальной поверхностью, арматурной сталью и слоями наносимого набрызгбетона;
· позволяет наносить за один прием слой большей толщины;
· уменьшает отскок при нанесении набрызгбетона;
· уменьшает потребность в ускорителе схватывания;
· увеличивает пластичность смеси (зерна микросилики выполняют функцию шарнира или смазки между более крупными зернами цемента);
· повышает прочность бетона (по данным исследовательского центра «Elkem» прочность бетона с добавкой 8% микросилики от массы цемента возрастает на 12 Мпа);
· улучшает характеристики набрызгбетонной крепи (стойкость к агрессивным воздействиям среды, водонепроницаемость, морозостойкость, износостойкость).
При использовании микросилики в бетонную смесь обязательно должен вводится пластификатор или суперпастификатор для равномерного распределения в ней тонкого материала, как микросилика.
В последнее время все большее распространение получает дисперсно-армированный набрызгбетон, который существенно расширяет область применения и повышает технический ресурс облегченных видов крепей. Рекомендуется следующий состав дисперсно-армированного набрызгбетона с использованием ускоряющих и пластифицирующих добавок рекомендуется следующий состав компонентов на 1 м3 готовой смеси (в % по массе):
· цемент 15-20
· песок 45-50
· щебень или гравий 20-25
· вода 6-8
· микросилика 2-3
· пластификатор 0,15-0,4
· ускоритель твердения 1-3
фибра 5-8
