曾憲桃,任振華,王興國

(1.湖南工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,湖南湘潭 411104;2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南焦作 454003)

磁化水降低噴射混凝土粉塵濃度與減少回彈的試驗(yàn)研究

曾憲桃1,任振華1,王興國2

(1.湖南工程學(xué)院建筑工程學(xué)院,湖南湘潭 411104;2.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南焦作 454003)

為降低礦山巷道掘進(jìn)工作面噴射混凝土粉塵濃度、減少噴射混凝土回彈量,并同時(shí)提高其強(qiáng)度,減輕三者帶來的損失和災(zāi)害,采取在混凝土噴射機(jī)供水管中直接串入磁水器,用不同磁感應(yīng)強(qiáng)度磁化后的磁化水拌制噴射混凝土,在施工現(xiàn)場進(jìn)行了磁化水改善噴射混凝土強(qiáng)度的試驗(yàn)、磁化水降低噴射混凝土粉塵濃度試驗(yàn)和磁化水減少噴射混凝土回彈率的試驗(yàn),并對磁化水能夠提升噴射混凝土強(qiáng)度、降低噴射混凝土粉塵濃度及改善回彈量的作用機(jī)理進(jìn)行了全面分析。研究表明:與普通水噴射混凝土相比,用磁化水拌制的噴射混凝土其強(qiáng)度平均提高幅度在10%左右;磁化水噴射混凝土所產(chǎn)生的粉塵濃度均比普通水噴射混凝土粉塵濃度低50%以上;磁化水能一定程度地減少噴射混凝土的回彈量,在磁水器磁感應(yīng)強(qiáng)度355 mT后效果較為明顯。磁化水能有效提高噴射混凝土強(qiáng)度,降低施工作業(yè)時(shí)的粉塵濃度,改善回彈量。

磁化水;噴射混凝土;粉塵濃度;回彈量

噴射混凝土支護(hù)及錨噴支護(hù)是近年發(fā)展起來的新型支護(hù)形式,具有快捷、可靠、簡單之特點(diǎn)。在礦山建設(shè)、基坑開挖、邊坡治理、地鐵工程、水利水電、隧道工程中得到廣泛應(yīng)用。但粉塵大、回彈率高是長期困擾噴射混凝土支護(hù)的兩大技術(shù)難題,給安全施工帶來的問題是災(zāi)難性的。一方面,施工現(xiàn)場工作人員的身體健康受到噴射混凝土粉塵的嚴(yán)重影響,而且粉塵使工作面能見度降低,不利于工作人員控制和提升施工質(zhì)量,并有可能導(dǎo)致安全生產(chǎn)事故;另一方面,在控制措施不到位的情況下礦山巷道噴射混凝土回彈率達(dá)35%～40%,既浪費(fèi)混凝土組分材料,又在一定程度上改變了混凝土配合比,降低了噴射混凝土層的強(qiáng)度,可能釀成支護(hù)失效事故,而且在掘進(jìn)工作面次生不必要的混凝土組分材料需要外運(yùn),影響施工進(jìn)度,因此,采取積極措施降低噴射混凝土粉塵濃度及回彈率,對于工程減災(zāi)防災(zāi)、改善工作面環(huán)境、保障施工人員身體健康、確保生產(chǎn)安全、降低材料成本、提高噴射混凝土工程質(zhì)量具有特別意義。

磁化水可防止水垢沉積使工業(yè)鍋爐的使用壽命得以延長;在有大量粉塵產(chǎn)生的工作區(qū),用磁化水噴霧代替普通水噴霧,工作區(qū)的粉塵濃度可降低17%～50%[1－2],特別是在礦井采掘工作面,磁化水噴霧降塵率是清水噴霧降塵率的2.9倍[3－4]。本文保留過去在噴射混凝土方面所采取的降塵、減少回彈措施的基礎(chǔ)上,用磁化水拌制噴射混凝土,進(jìn)而研究用磁化水拌制的噴射混凝土的強(qiáng)度、密度、表觀變化的情況,同時(shí)在生產(chǎn)現(xiàn)場對磁化水噴射混凝土強(qiáng)度提高、降低粉塵、減少回彈效果進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),并對磁化水能夠提升強(qiáng)度、降低粉塵濃度、減少回彈的作用機(jī)理進(jìn)行了分析。

1 磁化參數(shù)的設(shè)計(jì)

作為組分材料之一,水的物理性質(zhì)及配入的多少對噴射混凝土的物理特性、力學(xué)特性等肯定有一定影響,先把水磁化后再將其拌制噴射混凝土其他組分材料,進(jìn)而改善噴射混凝土工藝性能如粉塵、回彈的試驗(yàn),過去鮮見報(bào)道。磁水器(磁化水的制備裝置)選用上海產(chǎn)新型管外夾式強(qiáng)力磁水器,其外形如圖1(a)所示,磁水器本身的磁感應(yīng)強(qiáng)度用SG－4L型(圖1(b))高靈敏度數(shù)字特斯拉計(jì)來測定,水磁化后磁化程度的測定采用Perkin－Elmer傅里葉變換紅外光譜儀(圖1(c))。

圖1 磁化水噴射混凝土所用設(shè)備情況Fig.1 Equipments of magnetized water

鑒于在實(shí)驗(yàn)室難以模擬巖石的表面、節(jié)理、產(chǎn)狀,所以,本次試驗(yàn)包括磁化水噴射混凝土的強(qiáng)度試驗(yàn)、粉塵測試試驗(yàn)、回彈測定試驗(yàn)均在煤礦井下巷道工作面中進(jìn)行。將磁水器扣置在混凝土噴射機(jī)的注水管上,讓注水管從磁水器中穿過,使水流切割磁場而被磁化,得到磁化水。研究表明:磁場強(qiáng)度、水流速度、水磁化后放置的時(shí)間長短及磁化前水質(zhì)情況是影響磁化水特性的幾大要素;水磁化后的擴(kuò)散系數(shù)隨磁感應(yīng)強(qiáng)度B的增強(qiáng)呈多極值曲線變化[5－8];用于水磁化的磁場最佳磁感應(yīng)強(qiáng)度為210～270 mT,為在較大范圍內(nèi)研究磁化水對噴射混凝土的作用效果,將用于試驗(yàn)的磁水器的磁感應(yīng)強(qiáng)度選取為175,185,220,262, 355 mT;磁化水的水流速度在0.65 m/s時(shí)對普通混凝土性能的影響最為顯著[9],實(shí)際工程中,由于噴射巷道拱頂和側(cè)壁時(shí)對噴射混凝土水流速度的要求不一樣,噴射混凝土的水流速度由噴射手通過調(diào)速水泵不斷調(diào)整,水流速度是不斷變化的,所以將用于試驗(yàn)的水流速度選取在1.0～2.0 m/s。

2 磁化水對噴射混凝土強(qiáng)度的影響

混凝土噴射機(jī)為PZ－5B型防爆噴射機(jī)。噴射混凝土用普通硅酸鹽水泥配制,其設(shè)計(jì)標(biāo)號為C20,水泥、砂、石子的配合比為1∶2∶2,水灰比為0.49,同時(shí)摻有水泥用量4%的水泥速凝劑。試驗(yàn)在河南煤業(yè)化工集團(tuán)古漢山礦水平運(yùn)輸大巷進(jìn)行,由同一個(gè)噴射手在同一工作面,用相同的水、水泥砂石、相同的配合比進(jìn)行噴射作業(yè);做試件時(shí)將混凝土噴射機(jī)的噴嘴對準(zhǔn)150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)試模進(jìn)行噴射,噴射共計(jì)18塊試件,其中未磁化水拌制的噴射混凝土試件6塊,12塊為磁化水噴射混凝土試塊,分4組每組3塊,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下分別于7 d和28 d進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。表1是普通水噴射混凝土和磁化水噴射混凝土在7 d和28 d時(shí)強(qiáng)度對比數(shù)據(jù)。將表1中的數(shù)據(jù)繪制為曲線圖,如圖2所示。

表1 7 d和28 d時(shí)磁化水噴射混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 The test results of 7 days and 28 days intensity of magnetized water shotcrete

圖2 磁化水噴射混凝土的強(qiáng)度對比Fig.2 Magnetized water shotcrete intensity contrast

由表1及圖2可知,磁化水噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度均比普通水噴射混凝土高,磁化水對提高噴射混凝土強(qiáng)度有明顯作用,尤以早期強(qiáng)度的提高更為明顯。不同的磁感應(yīng)強(qiáng)度即不同磁化程度的磁化水,對噴射混凝土抗壓強(qiáng)度的影響存在差異,7 d時(shí)的強(qiáng)度以磁感應(yīng)強(qiáng)度B=220 mT時(shí)提高最為顯著,設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C20的磁化水噴射混凝土強(qiáng)度達(dá)27.04 MPa,與普通水噴射混凝土相比其強(qiáng)度提高率達(dá)到44.37%;而在磁感應(yīng)強(qiáng)度為175 mT時(shí),7 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度增幅只有15%,說明磁感應(yīng)強(qiáng)度過小將對磁化水噴射混凝土強(qiáng)度沒有改善作用;175～220 mT是噴射混凝土強(qiáng)度的提升期,220 mT之后,噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定并略有下降?？傮w看來,28 d時(shí)磁化水噴射混凝土強(qiáng)度較普通水噴射混凝土強(qiáng)度平均提高10%左右;28 d時(shí)強(qiáng)度增幅普遍較7 d時(shí)強(qiáng)度增幅小,攪拌水經(jīng)磁化后,其活性增大,同時(shí)激發(fā)了速凝劑的活性,促進(jìn)了水與水泥水化反應(yīng)速度的加快,從而大幅度提高了噴射混凝土早期強(qiáng)度,而在隨后的時(shí)間里,參與水化反應(yīng)的磁化水被固化,未參與水化反應(yīng)的游離水磁化程度漸漸減弱,失去了磁性水應(yīng)有的特性。

3 磁化水對噴射混凝土粉塵濃度的影響

噴射混凝土的技術(shù)參數(shù)與強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)相同。測定粉塵濃度的儀器為CCD1000－FB(防爆型)粉塵儀(圖3)。試驗(yàn)選在中國平煤神馬集團(tuán)十一礦己二十四采區(qū)輔助回風(fēng)下山大巷段,掘進(jìn)進(jìn)度為1 m,施工順序?yàn)榇蝈^桿、掛鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土支護(hù),在距離噴射作業(yè)面3 m處安放粉塵濃度測定儀,測試時(shí)段為噴射混凝土開始到施工結(jié)束后約1 h,測試時(shí)間點(diǎn)選在噴射機(jī)開機(jī)時(shí)刻、開機(jī)后5 min、開機(jī)后30 min、關(guān)機(jī)前5 min和關(guān)機(jī)時(shí)刻5個(gè)點(diǎn),每次測量持續(xù)時(shí)間為3 min,粉塵濃度測量儀和混凝土噴射機(jī)同時(shí)開機(jī),6個(gè)掘進(jìn)段6種不同磁感應(yīng)強(qiáng)度情況下所測粉塵濃度匯總見表2。

圖3 粉塵濃度測量儀Fig.3 Dust density measuring instrument

以測量時(shí)間點(diǎn)為橫坐標(biāo),以粉塵濃度為縱坐標(biāo)繪制時(shí)間粉塵濃度關(guān)系曲線如圖4所示;以磁感應(yīng)強(qiáng)度為橫坐標(biāo),以粉塵濃度為縱坐標(biāo)繪制曲線如圖5所示。

由表2、圖4可以看出,隨測試時(shí)間的推移,粉塵濃度呈現(xiàn)降低趨勢。混凝土噴射機(jī)剛開機(jī)時(shí),噴射機(jī)操作手在調(diào)節(jié)水流量及噴射機(jī)工作風(fēng)壓,混凝土噴射機(jī)尚未進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),產(chǎn)生大量粉塵,隨著噴射混凝土工作的持續(xù)進(jìn)行,噴射機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài),粉塵濃度隨之降低;在5個(gè)不同的測試時(shí)間點(diǎn),磁化水噴射混凝土所產(chǎn)生的粉塵濃度均比普通水噴射混凝土粉塵濃度低50%以上,磁化水對噴射混凝土的降塵效果是明顯的。由表2和圖5可以看出,在不同測試時(shí)間點(diǎn),隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化,噴射混凝土粉塵濃度均較普通水混凝土粉塵濃度低,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為175 mT時(shí),粉塵濃度均較高,在磁感應(yīng)強(qiáng)度為220 mT時(shí),粉塵濃度最低,之后隨磁感應(yīng)強(qiáng)度的增大,粉塵濃度趨于穩(wěn)定并稍有增大的趨勢。

表2 不同磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)段的粉塵濃度Table 2 Dust density of different magnetic induction intensity

圖4 測試時(shí)間與粉塵濃度關(guān)系曲線Fig.4 The relation of test time and dust density

圖5 磁感應(yīng)強(qiáng)度與粉塵濃度關(guān)系曲線Fig.5 The relation between magnetic induction intensity and dust density

4 磁化水對噴射混凝土回彈率的影響

回彈量作為噴射混凝土經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和質(zhì)量指標(biāo),對噴射混凝土全過程工程成本控制及質(zhì)量控制至關(guān)重要。隨著煤礦井下噴射混凝土使用范圍的不斷擴(kuò)大,進(jìn)一步提高噴射混凝土的質(zhì)量、降低噴射混凝土施工中的回彈率更具有現(xiàn)實(shí)意義。

為了考察磁化水拌制噴射混凝土減少回彈效果及其適應(yīng)性,課題組于2009年7月至2009年12月在中國平煤神馬集團(tuán)建井一處所屬平煤八礦、十一礦、十三礦等煤礦井下巷道內(nèi)進(jìn)行了多次工業(yè)性試驗(yàn)。在最初的幾次試驗(yàn)中,將磁化器的磁感應(yīng)強(qiáng)度分別鎖定在175,185,220,262,355 mT五個(gè)檔位上,得到的測試結(jié)果較為離散,沒有規(guī)律可尋。分析原因發(fā)現(xiàn),水被磁化后,水分子鏈(團(tuán))的氫鍵發(fā)生畸變、斷裂,液體分子間的平衡距離變大,引力常數(shù)變小,表面張力降低,能改善磁化水對水泥、砂子、石子的濕潤性,提高磁化水噴射混凝土拌和物均勻性,增加各組分之間的黏聚力,也同時(shí)增加了噴射混凝土與圍巖的黏結(jié)力,但是,通過短時(shí)間的水化反應(yīng)增強(qiáng)水泥的黏結(jié)力,其增強(qiáng)的量級與高速射向巖石表面的石子、砂子和巖面的碰撞力相比微乎其微,所以,磁化水噴射混凝土中小的顆粒容易粘到受噴巖面上,而大的顆粒還是要被高壓碰撞彈回,這就詮釋了在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度下,磁化水能降低噴射混凝土的粉塵濃度而對減少回彈作用不明顯的原因,而磁化水噴射混凝土強(qiáng)度的提高是由于水化作用已完成,水泥水化反應(yīng)的化學(xué)力轉(zhuǎn)變成為物理固結(jié)。

為進(jìn)一步探究此問題,研究小組決定再組織3組試驗(yàn)。第1組試驗(yàn)將普通水噴射混凝土和磁感應(yīng)強(qiáng)度355 mT時(shí)的磁化水噴射混凝土的回彈率作對比,第2組試驗(yàn)專門研究磁感應(yīng)強(qiáng)度355 mT時(shí)的磁化水噴射混凝土的回彈率,第3組試驗(yàn)將磁化器磁感應(yīng)強(qiáng)度從355～800 mT加大。噴射混凝土技術(shù)參數(shù)保持不變,3組試驗(yàn)噴射混凝土的工藝相同:施工噴射順序?yàn)樽陨隙?、先墻后?噴頭與受噴面保持垂直,距離1 m左右;噴頭運(yùn)動(dòng)方式為連續(xù)不斷的螺旋狀小圓周運(yùn)動(dòng),后一圈壓前一圈的1/3,噴射路線自上而下呈“S”形運(yùn)行;初噴的噴射厚度為2～4 cm,復(fù)噴的噴射厚度為5～8 cm,墻部可達(dá)10 cm;工作風(fēng)壓一般為0.36 MPa,水壓比風(fēng)壓高0.05～0.10 MPa。

第1組:2009年8月在中國平煤神馬集團(tuán)八礦17.5°膠帶上山巷道邊墻復(fù)噴,磁化器距噴頭2.5～3.0 m,噴頭距巖面1 m,磁化器為中國科學(xué)院過程研究所定制。噴射前用高壓水先噴洗巖面(泥巖、頁巖),用5 m×7 m彩條布攤鋪巷道底板接收回彈量,每次噴射量為252 kg,回彈量稱重試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表3 膠帶上山巷道邊墻復(fù)噴回彈數(shù)據(jù)Table 3 The rebound in the side wall of rise roadway

第2組:2009年9月在中國平煤神馬集團(tuán)十三礦采區(qū)輔助回風(fēng)大巷上山段噴射混凝土,噴頭距巖面1 m左右。噴射前用高壓水先清洗巖面(泥巖,此處為復(fù)噴),用5 m×7 m彩條布攤鋪巷道底接收回彈量。每次試驗(yàn)均噴射3車噴射混凝土料,每車混凝土料的質(zhì)量為250 kg左右,在巷道中的噴射位置有巷道幫、頂及幫和頂結(jié)合部,均為復(fù)噴。第5次試驗(yàn)在每立方米噴射混凝土中加入40 kg短切鋼纖維,以考察鋼纖維對噴射混凝土回彈的影響。5次試驗(yàn)的回彈實(shí)測數(shù)據(jù)見表4。

第3組:2009年11月在中國平煤神馬集團(tuán)十一礦己二十四采區(qū)輔助回風(fēng)下山大巷段噴射混凝土,磁化器距噴頭1.5～2.0 m,噴頭距巖面1 m。由于前面試驗(yàn)所用磁化器的最大磁感強(qiáng)度為355 mT,為此研究小組又將磁化器自行設(shè)計(jì)后交由上海某公司定制加工,加大了磁感強(qiáng)度的可調(diào)范圍。采用不同速凝劑在巷道的不同部位進(jìn)行噴射,噴射完后將回彈在土工布上的回彈量進(jìn)行稱重。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。將表5中的數(shù)據(jù)繪制成曲線,如圖6所示。

表4 輔助回風(fēng)大巷上山段噴射混凝土回彈數(shù)據(jù)Table 4 The rebound in main ventilation opening

表5 輔助回風(fēng)大巷上山段噴射混凝土回彈數(shù)據(jù)Table 5 The rebound in service main ventilation opening

圖6 磁感應(yīng)強(qiáng)度對回彈率的影響Fig.6 The effect of magnetic field intensity on the rate of rebound

在磁感應(yīng)強(qiáng)度加大后,回彈量減少了,原因在于水被強(qiáng)磁化后,水分子鏈(團(tuán))的氫鍵發(fā)生畸變、斷裂,使液體分子間的平衡距離變的更大,分子引力常數(shù)變的更小,表面張力降低,從而使水泥、砂子、石子的濕潤更充分,磁化水在拌和物中的分散性更好,固體分?jǐn)?shù)相的黏聚力加大,較之與磁感應(yīng)強(qiáng)度小的時(shí)候相比,分散顆粒與圍巖的黏結(jié)力增加了,混凝土顆粒更容易粘到受噴巖面上,另一方面,石子在穿過砂漿時(shí)的黏度阻力增大,在巖面上不易發(fā)生回彈,二者均有利于降低噴射混凝土的回彈量。

由表3,4來看,在低磁感應(yīng)強(qiáng)度情況下,回彈率較高,甚至高于普通水噴射混凝土的回彈率。磁化水噴射混凝土的回彈并不穩(wěn)定,和普通水噴射混凝土的回彈率相比,有的回彈率有所減少,有的回彈率沒有變化,有的回彈率甚至有所增長,在磁感應(yīng)強(qiáng)度低于355 mT時(shí),回彈量的減少不穩(wěn)定。第1組試驗(yàn)中(表3),355 mT時(shí),磁化水噴射混凝土的回彈率比普通水噴射混凝土的回彈率低了2.24個(gè)百分點(diǎn),高磁感應(yīng)強(qiáng)度起到減少回彈的效果;但在第2組試驗(yàn)中(表4),磁化水噴射混凝土的回彈率比第1組普通水噴射混凝土的回彈率反而高出1.41個(gè)百分點(diǎn)。從表5及圖6來看,在磁感應(yīng)強(qiáng)度大于355 mT后,磁感應(yīng)強(qiáng)度同回彈率呈反變關(guān)系,隨著磁感應(yīng)強(qiáng)度的增加,噴射混凝土的回彈率逐漸減少。與普通水噴射混凝土回彈率(表3)相比,355 mT時(shí),磁化水噴射混凝土的回彈率降低了1.81個(gè)百分點(diǎn);510 mT時(shí),磁化水噴射混凝土的回彈率降低了23個(gè)百分點(diǎn);750 mT時(shí),磁化水噴射混凝土的回彈率降低了37.98個(gè)百分點(diǎn); 800 mT時(shí),磁化水噴射混凝土的回彈率降低了39.28個(gè)百分點(diǎn)。磁感應(yīng)強(qiáng)度大于800 mT后回彈率是否仍繼續(xù)減少,難以斷定,但可以肯定的是,磁化水噴射混凝土減少回彈率的曲線不可能無限接近于0,必然存在一個(gè)最低值或較穩(wěn)定的低值段。

從幾組現(xiàn)場試驗(yàn)情況看,現(xiàn)場施工條件復(fù)雜,各類人員素質(zhì)不同,要嚴(yán)格按既定的測試方案實(shí)施存在困難,致使試驗(yàn)結(jié)果有一定波動(dòng);測試結(jié)果受噴射混凝土操作手的技術(shù)熟練程度和技術(shù)水平影響較大,噴頭與巖石面距離適當(dāng)、夾角基本垂直時(shí)噴射效果好,在噴射手拖動(dòng)噴射槍時(shí)容易引起磁水器在噴管上產(chǎn)生微小的移動(dòng),磁水器距噴頭的距離在1.5～2.0 m為最佳;對巖面采取初噴還是復(fù)噴所測得的回彈率有差異,對于初噴來說,噴射混凝土直接噴到巖面上,盡管巖石表面光滑,但巖石的縫隙、節(jié)理有助于噴射混凝土的黏結(jié),而復(fù)噴是在已有混凝土上進(jìn)行噴射,黏結(jié)效果好,但沒有裂縫和節(jié)理的輔助作用,二者各有千秋,稍有差異;此外,速凝劑的品牌不同噴射混凝土的回彈率也有差異。

5 磁化水噴射混凝土微觀結(jié)構(gòu)及其作用機(jī)理

選用同一配比的普通水噴射混凝土和磁化水噴射混凝土,用Hitachi S－3400NⅡ型掃描電子顯微鏡分別在放大50,150,500,1 000,2 000和4 000倍的情況下進(jìn)行了觀察拍照。圖7為50倍和4 000倍電鏡觀測圖片的對比。在低倍數(shù)(50倍)下,與普通水噴射混凝土相比,磁化水噴射混凝土結(jié)構(gòu)更加致密、顆粒更均一,切割表面平整,磁化水噴射混凝土顆粒與凝膠之間膠結(jié)好、界面不清,而普通水噴射混凝土的砂粒易辨、清晰;在更高倍數(shù)(4 000倍)下,磁化水噴射混凝土間隙中的微孔隙數(shù)量少、尺度較小,次生礦物豐富且膠結(jié)作用明顯;從石子與砂漿之間間隙大小比較看,磁化水噴射混凝土中石子、砂漿間隙比普通水噴射混凝土間隙要小,磁化水噴射混凝土結(jié)構(gòu)致密、組分材料膠結(jié)良好,出現(xiàn)的次生礦物更有利于膠結(jié),這正是磁化水噴射混凝土的強(qiáng)度比普通水噴射混凝土高的原因。

圖7 50,4 000倍電鏡觀測圖Fig.7 50,4 000 times electron microscope picture

因?yàn)樗淮呕?混凝土在凝固過程中水泥水化更扎實(shí)、凝膠界面更牢固、噴射混凝土瞬間拌合的均勻性提高了。從力學(xué)角度看,混凝土在噴射過程中,噴出的顆粒受到顆粒自重、膠體的黏滯阻力和空氣浮力的聯(lián)合作用。其運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程為

式中,ρ為顆粒密度;ρc為混合料密度;η為混合料黏滯系數(shù);v為顆粒運(yùn)動(dòng)速度;r為顆粒半徑。

由運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程可以看出,顆粒的運(yùn)動(dòng)速度和顆粒半徑的平方成正比,和顆粒及拌合物的密度差成正比,和拌合物的黏滯系數(shù)成反比[10]。由相關(guān)文獻(xiàn)資料可知,磁化水的密度比普通水大,因而磁化水拌合物的密度ρ及黏滯系數(shù)η相應(yīng)增大,且磁化水拌合物形成的是細(xì)小均勻顆粒,這樣,顆粒下沉速度顯著減小,顆粒之間發(fā)生相對位移亦小,從而提高了噴射混凝土的拌合物的均勻性;另外,由于磁化水中存在較多小締合體或小分子團(tuán),在短暫的拌合過程中,固相的分散度增加(水泥顆粒及細(xì)骨料的分散度增加),所以拌合物的均勻性增加,由拌合物不均勻引起的力學(xué)性能較差的情況得到改善。

隨著水化反應(yīng)速度的加快,磁化水噴射混凝土的早期強(qiáng)度會(huì)提高,并可在減小水灰比的情況下保持原有的流動(dòng)性。水灰比減小了,顆粒水化反應(yīng)的結(jié)合用水減少,水化物粒子的結(jié)晶發(fā)展受到抑制,強(qiáng)度較低的顆粒大晶體難以生成,尺寸細(xì)小、分布均勻晶體具有絕對量,增大了單位水化物間的膠結(jié)能力[11],從而使水泥石硬化后的孔隙率降低,混凝土密實(shí)度加大,強(qiáng)度就自然得到提高。

混凝土噴射過程中,噴槍的強(qiáng)大氣流會(huì)在噴出口產(chǎn)生較多粉塵同時(shí)將巖幫附塵揚(yáng)起,這是噴射工作場所粉塵的兩個(gè)來源,倘若水和干粉水泥等混合不均勻,混凝土混合物中就不可避免的存在著很多干粉,壓縮空氣在噴出口處體積會(huì)急劇膨脹,把這些干粉吹散于場所空氣中,形成高速運(yùn)動(dòng)的干塵;倘若水和干粉水泥等混合均勻,混合均勻的水泥漿在噴出口處的壓縮空的作用下,因體積急劇膨脹而粉碎成微小顆粒,形成濕塵[11],粉塵形成后,粉塵顆粒在空氣中受到重力、浮力、動(dòng)力(微粒的布朗運(yùn)動(dòng)和流動(dòng)空氣的吹動(dòng))和界面張力的作用,這些顆粒在空氣中沉降快慢或沉降與否,就取決于粉塵受到的力的大小和方向,重力使粉塵下沉,浮力使粉塵上升,動(dòng)力干擾粉塵的運(yùn)動(dòng),界面張力使一層牢固的空氣膜在粉塵表面形成,粉塵粒徑越小,表面空氣膜牢固性越強(qiáng),空氣膜的存在既使得粉塵不易濕潤,又使得粉塵不易凝聚下沉。磁化水之所以能降低噴射混凝土的粉塵濃度,正是破壞了粉塵表面的空氣膜,從而使得粉塵被水快速濕潤并迅速凝聚下沉;另一方面,磁化水增大了噴射混凝土水泥漿的黏聚力,水泥漿抵抗膨脹粉碎作用的能力大大提高,濕塵的生成量減少,水泥漿的黏聚力擴(kuò)大了混凝土與圍巖及受噴面的黏結(jié)力,使得混凝土容易粘附到受噴面上,石子在穿過砂漿時(shí)的黏度阻力增大,有利于降低噴射混凝土的回彈量;水分子鏈(團(tuán))的氫鍵發(fā)生畸變、斷裂,使液體分子間的平衡距離變大,引力常數(shù)變小,表面張力降低,使水對于粉塵的濕潤性提高,與組分顆粒及粉塵顆粒結(jié)合得更緊密,加快了已生粉塵的沉降,阻礙了顆粒的回彈;經(jīng)磁化后的水分子具有較強(qiáng)的極性,容易與其他物質(zhì)形成物理鍵而發(fā)生吸附,這種吸附由范德華力、色散力、偶極子力等作用而形成,因此不易解脫,粉塵在磁場作用下同樣可能導(dǎo)致極性加強(qiáng),水體與粉塵更容易發(fā)生相互吸附,從而減少粉塵的形成。

6 結(jié)論與建議

(1)與普通水噴射混凝土相比,磁化水能使噴射混凝土中水泥水化更充分,結(jié)構(gòu)更致密,增加其中固相的分散度,增加水泥漿的黏結(jié)內(nèi)聚力,從而提高噴射混凝土強(qiáng)度。試驗(yàn)表明:磁化水噴射混凝土強(qiáng)度較普通水噴射混凝土強(qiáng)度平均提高幅度為10%左右。

(2)磁化水拌制噴射混凝土,在增強(qiáng)內(nèi)聚力,提高水泥漿抵抗膨脹粉碎作用能力的同時(shí)能破壞粉塵表面的空氣膜,使粉塵迅速被水濕潤沉降,減少濕塵形成。磁化水噴射混凝土所產(chǎn)生的粉塵濃度均比普通水噴射混凝土粉塵濃度低50%以上,磁化水對噴射混凝土的降塵效果明顯。

(3)磁化水拌制噴射混凝土增加水泥漿內(nèi)聚力的同時(shí),擴(kuò)大了組分顆粒與圍巖及受噴面的黏結(jié)力,混凝土容易粘結(jié)到受噴面上,石子在穿過砂漿時(shí)的黏度阻力增大,有利于降低噴射混凝土的回彈率。從試驗(yàn)情況看,磁化水拌制噴射混凝土在磁感應(yīng)強(qiáng)度小于355 mT時(shí),其減少回彈效果不明顯,在磁感應(yīng)強(qiáng)度大于355 mT后,其減少回彈效果明顯。

(4)磁化水噴射混凝土主要是通過對水體進(jìn)行磁化改性處理,操作簡便、成本低廉。磁化水對噴射混凝土強(qiáng)度提高、降低粉塵都用明顯作用,對噴射時(shí)回彈量的減少也有積極作用,但由于場地條件的差異、人員操作水平的差異、組分材料的差異,常常使得試驗(yàn)結(jié)果的控制參數(shù)不一致,個(gè)別情況下的試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)異常,其穩(wěn)定性及可靠性還有待進(jìn)一步研究。

(5)只用磁化水拌制(噴射)混凝土稱為磁化水(噴射)混凝土,如果將(噴射)混凝土組分材料全部磁化則可稱為磁化混凝土,磁化(噴射)混凝土的研究鮮見報(bào)道[12],建議將磁化水(噴射)混凝土和磁化混凝土合并研究,以在更大面積上取得成果。

(6)磁化水能夠改善(噴射)混凝土工藝參數(shù)的作用機(jī)理仍處在假說階段,還有許多研究工作要做[13－15]。

[1] 劉彥賓.磁化水降低噴射混凝土粉塵濃度及回彈率的應(yīng)用研究[D].焦作:河南理工大學(xué),2008.

Liu Yanbin.The applied research for magnetized water to reduce the shotcrete dust density and the rate of rebound[D].Jiaozuo:Henan Polytechnic University,2008.

[2] 趙華瑋,代學(xué)靈.磁化水對噴射混凝土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2009,26(3):381－385.

Zhao Huawei,Dai Xueling.Experimental study on the effect of magnetized water on shotcrete strength[J].Journal of Mining&Safety Engineering,2009,26(3):381－385.

[3] 趙志強(qiáng).磁化水滅塵的研究[J].工業(yè)安全與防塵,2000(7):44－45.

Zhao Zhiqiang.Study of dust extinguishing by magnetization water [J].Industrial Safety and Dust Control,2000(7):44－45.

[4] 張 軍,張立紅.磁場對水?dāng)U散系數(shù)影響的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究[J].曲阜師范大學(xué)學(xué)報(bào),2003,29(1):64－67.

Zhang Jun,Zhang Lihong.Molecular dynamics simulation of the diffusion coefficient of water under magnetic fields[J].Journal of Qufu Normal University,2003,29(1):64－67.

[5] 趙華瑋,曾憲桃,劉彥賓.磁化水對噴射混凝土粉塵濃度及回彈率的影響[J].西安科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(2):236－239.

Zhao Huawei,Zeng Xiantao,Liu Yanbin.Using magnetized water to reduce shotcrete dust density and the rate of rebound[J].Journal of Xi’an University of Science and Technology,2008,28(2):236－239.

[6] 趙華瑋,代學(xué)靈,曾憲桃,等.磁化水降低噴射混凝土粉塵含量的試驗(yàn)研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào),2008,25(3):371－374.

Zhao Huawei,Dai Xueling,Zeng Xiantao,et al.Experiment study on using magnetized water for decreasing shotcrete dust density[J].Journal of Mining&Safety Engineering,2008,25(3):371－374.

[7] 李慧芝,王立久.磁化對水泥拌合物性能的影響[J].建材技術(shù)與應(yīng)用,2008(6):1－2.

Li Huizhi,Wang Lijiu.Effects of magnetization on the performances of the cement mixture[J].Research&Application of Building Materials,2008(6):1－2.

[8] 陳昌祿,李壯文,王有凱.磁化水混凝土的基本特性分析[J].工程施工技術(shù),2008(3):89－91.

Chen Changlu,Li Zhuangwen,Wang Youkai.The basic performance analyses of the concrete with magnetized water[J].Engineering Construction Technology,2008(3):89－91.

[9] 王一新,王有凱.磁化水改善混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)研究[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,31(5):604－607.

Wang Yixin,Wang Youkai.Experimental study on the improvement of the impermeability of magnetic water concrete[J].Journal of Henan Polytechnic University(Natural Science),2012,31(5): 604－607.

[10] 王立久,李慧芝.磁化水混凝土的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].建筑技術(shù)與應(yīng)用,2007(1):13－16.

Wang Lijiu,Li Huizhi.Present research and development of the concrete with magnetized water[J].Research&Application of Building Materials,2007(1):13－16.

[11] 李保群,陳興義.降塵成分對噴射混凝土主要性能的影響研究[J].煤炭學(xué)報(bào),1997,22(6):637－641.

Li Baoqun,Chen Xingyi.The influence study on main performance of shotcrete dust removal ingredients[J].Journal of China Coal Society,1997,22(6):637－641.

[12] 湯如山,陳謝軍,姜玉松,等.磁化混凝土的試驗(yàn)研究與應(yīng)用分析[J].建井技術(shù),1999(5):28－29.

Tang Rushan,Chen Xiejun,Jiang Yusong,et al.Test research and applied analyses of magnetized concrete[J].Mining Technology, 1999(5):28－29.

[13] 丁振瑞,趙亞軍,陳風(fēng)玲,等.磁化水的磁化機(jī)理研究[J].物理學(xué)報(bào),2011,60(6):064701.1－064701.8.

Ding Zhenrui,Zhao Yajun,Chen Fengling,et al.Magnetization mechanism of magnetized water[J].Acta Phys.,2011, 60(6):064701.1－064701.8.

[14] 方江華,張景鈺,姜玉松.磁化水混凝土應(yīng)用中幾個(gè)技術(shù)問題的研究[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,24(2):86－89.

Fang Jianghua,Zhang Jingyu,Jiang Yusong.Study on several technical problems in the application of concrete with magnetized water [J].Journal of Anhui University of Science and Technology(Natural Science),2004,24(2):86－89.

[15] 趙振保.磁化水的理化特性及其煤層注水增注機(jī)制[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,27(2):192－194.

Zhao Zhenbao.Physicochemical properties of magnetized water and coal seam injection mechanism[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2008,27(2):192－194.

Experimental investigations on reducing the dust density and the rebound rate of shotcrete by using magnetized water

ZENG Xian-tao1,REN Zhen-hua1,WANG Xing-guo2

(1.School of Building Engineering,Hunan Institute of Engineering,Xiangtan 411104,China;2.School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003,China)

In order to decrease the dust density and the rebound rate of shotcrete and at the same time to improve its strength and the loss and damage reduced by the three elements in the mining worksite.The shotcrete mixed with magnetized water treated with different magnetic induction intensity by directly strung the magnetic water device into the water supply pipe of concrete sprayer was acquired and the strength test,dust density test and rebound ratio test of the shotcrete were researched in the mining worksite.The researches show that the magnetized water can enhance the strength of shotcrete by 10%or so,and reduce the dust density by 50%in comparison with the ordinary shotcrete,the rebound rate of shotcrete mixed with magnetized water is certainly improved compared with that of ordinary water shotcrete and obviously improved when the magnetic induction intensity of the magnetic water device is over 355 mT.The microstructure of ordinary shotcrete and magnetized water shotcrete with the same mixture ratio were analyzed by scanning through electron microscope.By observing the difference of the microstructure,the mechanism on enhancing strength of magnetized water shotcrete was studied,and emphasis was laid on discussing the principle of magnetized water reducing dust density and rebound rate.

magnetized water;shotcrete;dust density;rebound

TD714

A

0253－9993(2014)04－0705－08

曾憲桃,任振華,王興國.磁化水降低噴射混凝土粉塵濃度與減少回彈的試驗(yàn)研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(4):705－712.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0473

Zeng Xiantao,Ren Zhenhua,Wang Xingguo.Experimental investigations on reducing the dust density and the rebound rate of shotcrete by using magnetized water[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):705－712.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0473

2013－04－15 責(zé)任編輯:畢永華

中國工程院公共安全咨詢項(xiàng)目(11601);河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(042420020)

曾憲桃(1963—),男,湖南漢壽人,教授,博士生導(dǎo)師,博士后。E－mail:xtzeng63@163.com