CC BY
16
© Н.В. Мсрснкова, 2012
УДК 622.25.(06) Н.В. Меренкова
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА НА СКОРОСТЬ НАБОРА ПРОЧНОСТИ МОДИФИЦИРОВАННОГО БЕТОНА ПРИМЕНИТЕЛЬНО К КРЕПЛЕНИЮ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТВОЛОВ
Выполнены исследования прочности модифицированных бетонов при различной температуре твердения. Проанализированы факторы, влияющие на температуру воздуха в вертикальных стволах при их строительстве. Предложен метод прогноза изменения температуры бетонной крепи после ее возведения.
Ключевые слова: бетон, портландцемент, призабойное пространство, щебень гранитный, коррозионная стойкость.
Перспективным направлением совершенствования крепления вертикальных стволов является применение модифицированных бетонов с высокими эксплуатационными свойствами. Их производство в России основано на использовании модификаторов бетона серии МБ, включение которых в состав бетона позволяет обеспечить:
• высокую прочность бетона на сжатие (до 80 — 100 МПа) и более;
• высокую прочность бетона на растяжение до (6 — 8 МПа) и более;
• низкую проницаемость для воды, эквивалентную маркам Ш12 — Ш20 и более;
• низкую усадку и ползучесть;
• высокую морозостойкость, эквивалентную маркам Р400 — Р 500 и более;
• повышенную коррозионную стойкость и долговечность.
Также одним из важных достоинств модифицированных бетонов является быстрый набор прочности в раннем возрасте. Применительно к креплению вертикальных стволов это создает предпосылки для ускоренной распалубки крепи заходки и повыше-
нию технико-экономических показателей крепления.
Однако большинство проведенных исследований прочности модифицированных бетонов осуществляется в нормальных условиях при температуре 20 + 2 °С, что не отвечает реальным условиям возведения крепи в вертикальных стволах.
С целью количественной оценки влияния температурного фактора на динамику набора прочности модифицированных бетонов выполнены испытания образцов модифицированного бетона трех составов на сжатие при различной температуре бетонной смеси.
Для приготовления бетонов использовались следующие материалы:
Портландцемент ПЦ М500 ДО с активностью при пропарке 38,0 МПа, густоте цементного теста 25 %, минералогический состав: С3Б=65 %; С2Б=19 %; СзА=6 %; С4АР=10 %; СаБ04-2Н20 = = 4 %, соответствующий ГОСТ 10178 и ГОСТ 30515.
Крупный заполнитель — щебень гранитный, фракции 5 — 20 мм, соответствующий ГОСТ 8267 и ГОСТ 26633.
Г. сут
Рис. 1. График зависимости относительной прочности бетона от времени твердения при различных температурах
Мелкий заполнитель — песок кварцевый, модуль крупности Мйр=2,5, соответствующий ГОСТ 8736.
Водопроводная вода, соответствующая ГОСТ 23732.
Модификатор бетона МБ — 50 С по ТУ 5743-083-46854090-98.
Характеристика исследованных составов представлена в табл. 1.
Кубковая прочность бетона на сжатие определялась на образцах 100x100x100 мм в возрасте 0,5, 1,0 и 3,0 сут. в соответствии с ГОСТ 10180, за исключением температуры твердения, которая изменялась в диапазоне 10—30 0С. Полученные результаты представлены в табл. 2.
На рис. 1 представлены графики зависимости относительной прочности бетона (в долях от проектной) от времени твердения при различных температурах, полученные по усредненным данным испытаний трех составов.
Анализ данных показывает, что отклонение температуры твердения бетона от нормальной приводит к значительному изменению скорости набора прочности модифицированного бетона. При Т = 10 0С только после 12 часов твердения бетон набирает прочность, близкой к распа-лубочной, и в целом после 12 часов
твердения прочность бетона в среднем составляет 2,3 % от проектной, в возрасте 1 сут. — 13,6 %, а в возрасте 3 сут. — 46,9 % от проектной.
Твердение бетона при Т = 30 0С характеризуется интенсификацией набора прочности бетона: после 12 часов твердения прочность составляет 41,1 %; 1 сут. — 51,9 %; 3 сут. — 67,6 % от проектной.
Таким образом, результаты проведенного исследования говорят о необходимости проектирования технологии крепления ствола с учетом температуры твердения бетона, величина которой при строительстве стволов определяется комплексом факторов.
В период проходки вертикальные стволы являются тупиковыми выработками. Температура воздуха в них неодинакова как по глубине, так и по сечению и зависит от температуры горных пород и атмосферного воздуха на поверхности, количества подаваемого в призабойное пространства воздуха для проветривания, тепловыделения при взрывных работах и работе оборудования, обводненности и других факторов. При этом определяющую роль играет глубина ствола.
Так с глубиной наблюдается повышение температуры воздуха, которое происходит, в основном, благодаря температуропроводности горных пород и интенсивности выделения тепла из них, а также из-за сжатия воздуха при опускании его в ствол. Для условий шахт Восточного Донбасса температура пород до глубины 16,4 м, на которой залегает слой с постоянной температурой, равной 10°С, изменяется в зависимости от температуры воздуха на земной
Таблица 2
Прочность модифицированного бетона при сжатии в раннем возрасте при различной температуре твердения
Таблица 1
Характеристика составов и свойств бетонной смеси
№ п/п Состав бетонной смеси
Ц, кг/м3 МБ, кг/м3 П, кг/м3 Щ, кг/м3, В, л/м3
1 320 55 690 1120 170
2 360 45 705 1120 170
3 380 35 730 1090 170
Окончание табл. 1
№ п/п Ха рактеристики бетонной смеси
ОК", см у, кг/м3 П/Щ В/Т В/Ц МБ/Ц
1 2 3 22 20 18 2355 2400 2405 0,62 0,63 0,67 0,45 0,42 0,41 0,53 0,47 0,45 0,17 0,13 0,09
Примечание: ОК — величина осадки конуса; у — плотность бетонной смеси; В/Т — водотвердое отношение (отношение расхода воды к сумме расхода цемента и модификатора).
Температура № с-ва Средняя прочность, МПа, в возрасте
твердения 12 ч 24 ч 3 сут.
10 оС 1 0,8 5,5 18,8
2 1,0 6,7 23,2
3 1,4 7,1 24,4
20 оС 1 5,6 13,7 22,8
2 8,2 16,6 27,5
3 6,6 17,3 28,9
30 оС 1 16,4 21,0 27,2
2 20,2 25,9 33,5
3 21,7 26,6 35,0
поверхности. Температура горных пород ниже слоя с постоянной температурой при геотермическом градиенте 33 м/°С составляет
Ь = 10+ (Н — 16,4)/33,
где Н — глубина, на которой определяется температура, м.
При опускании воздуха в стволе из-за адиабатического сжатия температура воздуха повышается примерно на 1°С на каждые 100 м глубины ствола. Повышение температуры воздуха в стволе происходит также за счет тепла, образующегося при работе машин, особенно с электродвигателями. Например, по данным ШахтНИУИ, вентилятор «Проходка 500-2м» может нагреть находящийся вблизи воздух на 8 — 10° С. Повышение температуры воздуха в стволе
происходит и за счет тепла, образующегося при взрывных работах [1].
Одновременно следует отметить, что при проходке ствола происходят некоторые процессы, при которых поглощается тепло. Среди них большое значение имеет процесс испарения воды. Известно, что 1 г воды, ис-
13
м
воздуха примерно на 2°С.
Поступающий в ствол с поверхности воздуха имеет обычно малую влажность (около 50 — 55 %), насыщаясь влагой, он может поглощать большое количество тепла, вызвав значительное общее охлаждение.
Аналогично при расширении сжатого воздуха, отработанного в механизмах, происходит значительное его охлаждение. Так, 1 кг сжатого воздуха
при свободном расширении снижает температуру 1 м3 воздуха на 2,4 °С.
Перемешивание воздуха и его охлаждение вызывает также вода, падающая с верхних горизонтов на забой ствола.
Таким образом, температура воздуха в проходимых стволах зависит от целого ряда факторов, которые затруднительно выразить единой зависимостью и наиболее точно ее можно определить путем непосредственных измерений.
В целом температуру воздуха в стволе следует рассматривать сточки зрения влияния на изменение температуры бетонной смеси и бетона после укладки ее за опалубку и определения оптимального срока распалубки.
Для прогнозирования этих параметров предлагается использование уравнения теплового баланса Б.Г. Скрамтаева [2]. Применительно к креплению вертикальных стволов его можно представить в виде
т =
уС (t„-К ) + а- Ц -Э-R 86,4 • K-Mn (tc - te) '
где у — объемная масса бетонной смеси, кг/м3; С — удельная теплоемкость бетона, кДж /(кг °С); ^ — начальная температура уложенной бетонной смеси, С; tк — конечная (расчетная) температура на момент распалубки, , °С; а — коэффициент интенсивности тепловыделения; Ц — расход цемента на 1 м3 бетона, кг; Э — тепловыделение 1 кг цемента за 28
суток твердения при 20 °С, кДж/кг; Н — распалубочная прочность бетона в % от проектной; Мп — модуль поверхности заходки крепи, м-1.
МП = ^;
П V
где F — суммарная охлаждаемая поверхность заходки, м2; V — объем бетона заходки крепи, м3; 4 — средняя температура бетона за время т, определяемая по формуле
I = £ +--;
с к 1,03 + 0,181-МП + 0,006(( - К
где tв — средняя температура воздуха в стволе за время т, °С; К — коэффициент теплопередачи опалубки, Вт/м2-°С, определяется по формуле
1
К = -
1
а,.
А.
где ан — коэффициент теплопередачи у наружной поверхности опалубки, Вт/(м2-°С); 3! — толщина секции опалубки, м; 2 ,■ — коэффициент теплопроводности материала опалубки, Вт/(м2-°С).
Использование данной методики при наличии фактических данных о температурном режиме в стволах позволит более обосновано определять параметры технологии возведения крепи на основе модифицированных бетонов.
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вяльцев М.М. Прогноз и регулирование термонапряженного состояния горных выработок. — М..: Недра, 1988. — 200 с.
2. Евдокимов Н.И., Мацкевич А.Ф.,
Сытник B.C. Технология монолитного бетона и железобетона: Учеб. пособие для строительных вузов. — М.: Высш. школа, 1980. — 335 с. ЕШ
КОРОТКО ОБ АВТОРЕ -
Меренкова Наталья Владимировна — аспирант, Шахтинский институт Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института), e-mail mspleschko@rambler.ru.
