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1、第六章第六章 矿用工程材料矿用工程材料p水泥水泥p混凝土混凝土p砂浆砂浆p其他材料其他材料随着科学技术的发展，矿用工程材料呈多样化发展，矿用支护材料品种较多，常用的有木材、石材、金属材料、钢筋混凝土、混凝土、水泥砂浆等。第六章第六章 矿用工程材料矿用工程材料2024/7/232水泥是人工制造的一种水硬性胶凝材料。工程上主要用它来胶结散粒状材料，使之成为具有一定强度的整体，如用来制作混凝土、水泥砂浆、喷射混凝土等。一、硅酸盐水泥 (一)水泥的定义国家标准GBl75-1999规定：硅酸盐水泥：凡是以硅酸盐水泥熟料，05的石灰石或粒化高炉矿渣加入适当的石膏，磨细成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥。硅
2、酸盐水泥可分为两种类型：型硅酸盐水泥，是不掺混合材料的水泥，其代号为P.。型硅酸盐水泥，是在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺加不超过水泥质量5的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的水泥，其代号为P.。普通硅酸盐水泥：凡是由硅酸盐水泥熟料、615的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥(简称普通水泥)，代号P.O。6.16.1水水 泥泥2024/7/2336.16.1水水 泥泥水泥强度是水泥性能的重要指标，同时也是工程上选用水泥的主要依据。水泥强度检验标准(GB/T176711999)规定：水泥、标准砂及水按1：3：0.5的比例混合，按规定的方法制成40mm40mm160mm的试件，在标
3、准条件下温度为(201)、相对湿度90以上进行养护。分别测得3d和28d的抗折强度和抗压强度。以28d的抗压强度作为水泥的标号，但3d和28d的抗折强度不得低于表6-1的规定。2024/7/2346.16.1水水 泥泥2024/7/235(三)水泥的其他性质 (1)水泥的密度。水泥的密度取决于熟料矿物组成、煅烧程度、储存条件及时间等因素。其密度一般为3.13.2gcm3；松散密度为1000l600kgm3。 (2)细度。细度是指水泥颗粒的粗细程度。颗粒越细，水化反应越快，凝结硬化速度快，早期强度高；但硬化时收缩性大，易产生裂缝。水泥细度用筛分法测定。国家标准规定，用0.08mm方孔筛进行筛分时
4、，筛余量不得超过15。 (3)标准稠度的需水量。水泥净浆在一定时间达到标准稠度时所需要的拌和水量，用加水量占水泥重量的百分数表示。标准稠度的测定，利用水泥标准稠度仪进行，利用锥体下沉深度表示。标准稠度用水量，是作为测定水泥的凝结时间和体积的安定性的标准条件，也是直接影响到拌制混凝土或水泥砂浆的水泥用量、强度、抗渗性、抗水性和拌合物的和易性。硅酸盐水泥的标准稠度用水量为2232。6.16.1水水 泥泥2024/7/236 (4)凝结时间。从水泥加水拌合起到水泥浆开始失去可塑性止，其所需的时间称为初凝时间。水泥的初凝时间不宜过早，应使混凝土或砂浆留有足够的拌合时间和浇灌时间。水泥的终凝时间不宜过长
5、，以便于水泥制品及早地硬化，具有一定的强度，有利于施工工序的接续。国家标准规定：硅酸盐水泥的初凝时间不早于45min，终凝时间不迟于390min。 (5)体积的安定性。体积的安定性是指标准稠度的水泥净浆，在硬化过程中体积变化是否均匀和不产生裂纹的性质。国家标准规定：其安定性用沸煮法检验，必须合格。检验时先将标准稠度的水泥净浆制成饼状，直径7080mm，厚30mm，成形后养护24h，再连续煮沸4h，试件不发生径向裂缝、网状裂缝、弯曲或松散等现象，便是合格。安定性是水泥重要性质之一，安定性不合格的水泥，会在后期硬化过程中产生裂缝或破碎，严重影响工程质量。引起安定性不良的主要因素是：水泥中含有过多的
6、游离氧化钙和氧化镁，遇水后熟化速度极慢，当水泥具有强度后，才熟化产生体积膨胀，造成水泥制品的变形和裂缝；此外，如果水泥中含有过量的石膏，由于硬化中产生含水硫铝酸钙而体积膨胀，使制品产生裂缝。6.16.1水水 泥泥2024/7/237 (6)水化热。水化作用时，放出的热量为水化量，其值主要取决于水泥熟料中各成分的比例，其中铝酸三钙和硅酸三钙的比例大，水化热就高，高标号水泥两者所占的比例大，水化热就高。另外，还与水泥的细度有关，细水泥早期放热多而快。水化热主要在硬化初期放出，后期逐渐减少。水化热对水泥使用有很大的影响。水化热大的水泥能加速凝结硬化过程，但由于内部温升高，导致混凝土产生内应力而开裂，
7、甚至破坏。对于小体积混凝土工程，水化热大，能加速硬化，热量也易散发，不但无害反而有利，尤其是给冬季施工造成方便。但对大体积混凝土工程，其危害就严重。 (7)抗水性。硬化后的水泥对环境水腐蚀的抵抗性能，称为抗水性，水泥被腐蚀是由于水、酸、盐、碱的作用而产生。硅酸盐水泥和普通水泥的抗水性能较差，可采用增强混凝土的密实性，使有害物质不能侵入其内部，或在其表面涂沥青等防水材料，以增强其抗水性。6.16.1水水 泥泥2024/7/238综上所述，硅酸盐水泥和普通水泥具有以下特点：(1)早期强度高，凝结硬化快；(2)水化热高，抗冻性好，但不适合大体积混凝土工程应用；(3)抗水性较差，耐酸、碱、盐的化学腐蚀
8、性差。硅酸盐水泥和普通水泥在井巷支护上被广泛使用。6.16.1水水 泥泥2024/7/239二、矿渣硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣并加适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为矿渣硅酸盐水泥(简称矿渣水泥)，代号P.S。其中矿渣掺量按2070的重量百分比。还允许用不超过13的火山灰质混合材料或粉煤灰代替部分矿渣，但数量不得超过水泥重量的15。6.16.1水水 泥泥2024/7/2310三、火山灰质硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料，加适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为火山灰质硅酸盐水泥(简称火山灰水泥)，代号P.P。水泥中火山灰质混合材料掺加量为2050。允许掺加不超过
9、混合材料总量13的粒化高炉矿渣代替部分火山灰质混合材料，代替后水泥中的火山灰质混合料不得少于20。6.16.1水水 泥泥2024/7/2311四、粉煤灰硅酸盐水泥凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰，加适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为粉煤灰硅酸盐水泥(简称粉煤灰水泥)，代号P.F。水泥中粉煤灰掺加量为2040，允许掺加不超过混合材料总量13的粒化高炉矿渣。此时，混合材料总掺量可达50，但粉煤灰掺量仍不得超过40。6.16.1水水 泥泥2024/7/2312以上矿渣水泥、火山灰水泥及粉煤灰水泥各龄期强度应不低于表6-2的规定值。这几种水泥的特点是： (1)抗水性好，对硫酸盐腐蚀的抵抗力强； (2)水
10、化热低； (3)凝结较慢，早期强度低； (4)干缩性较大。这类水泥适用于大体积工程(如堤坝、大型基础工程等)、海底或含矿物质地下水的水下工程。要求早强或在低温下施工的工程，不宜使用。6.16.1水水 泥泥2024/7/23136.26.2混混 凝凝 土土2024/7/2314井巷支护常用的混凝土是出水泥、砂、石子和水组成的。其中砂、石子起骨架作用，小石子充填于大石子空隙中，而砂子又充填于石子空隙中。石子称为粗骨料，砂子称为细骨料， 水泥称为胶凝料，掺水后成为水泥浆，将砂、石胶凝在一起，经凝结、硬化形成坚硬的混凝土。6.26.2混混 凝凝 土土2024/7/2315一、混凝土的组成材料及要求 (
11、一)水泥水泥是混凝土中的胶结材料，配制混凝土时，正确选择水泥品种及标号是至关重要的， 它是决定混凝土质量和经济合理性的主要因素。 (二)细骨料粒径在0.155mm之间的骨料为细骨料。常用者为天然砂，以河砂为优。天然砂中常夹有一些有害杂质，如粘土、淤泥、云母、硫酸盐、硫化物等，影响水泥的粘结，减小混凝土强度，会使钢筋锈蚀。有关规定见表6-3，如超过规定，则必须水洗、筛选，并控制在允许范围内。砂按粒径不同可分为粗砂、中砂和细砂。细砂总表面积大，包围砂粒的水泥浆就要多， 水泥用量就大；粗砂总表面积小，节省水泥，但砂粒间孔隙大，孔隙内又增加了水泥浆，而且在凝结前会产牛泌水现象，影响混凝土质量。故砂的粒
12、径大小必须合理搭配。6.26.2混混 凝凝 土土2024/7/2316(三)粗骨料凡粒径大于5mm的骨料为粗骨料，常用的有卵石和碎石两种。碎石比卵石表面粗糙、 多棱角，空隙率和总表面积较大，在同样条件下，用其制作的混凝土强度较高。粗骨料有害杂质的含量和具有针、片状的颗粒不得超过表62的规定。粗骨料大小也应合理搭配，使之互相充填，减少空隙，以增加混凝土的密实性和节省水 泥用量。粗骨料粒径以560mm为宜。 (四)水一般饮用水均可拌制混凝土及养护混凝土。对水的要求是：PH4；硫酸盐含量按SO3、 计不应超过水重的1。6.26.2混混 凝凝 土土2024/7/2317二、混凝土的主要技术性质未成形的
13、混凝土拌合物，必须具有良好的和易性，即合适的稠度、良好的粘滞性和保水 性，以便于施工。硬化后的混凝土则需达到设计强度和有关技术性能。 (一)混凝土拌合物的和易性混凝土组成材料按一定的比例加以配合、拌匀而未凝结以前，称为混凝土拌合物。混凝土拌合物的和易性，是指新拌合的混凝土拌合物在保证质地均匀、各组成成分不离析的条件下，适合于拌合、运输、浇灌和捣实的综合性质。和易性好的混凝土拌合物，易于搅拌均匀；运输与浇灌时不会产生离析泌水；捣实时，流动性大，易于充满模板各部空间，所制成的混凝土内部质地均匀致密，其强度和耐久性得以保证。6.26.2混混 凝凝 土土2024/7/2318测定和易性普遍使用坍落度试
14、验。如图6-1所示，将调配好的混凝土拌合物分层装入标准圆锥筒内，将顶面刮平，然后提起筒，其拌合物必然产生坍落，其坍落高度值(以厘米计)称为坍落度。由于坍落度只表示混凝土拌合物的流动性，故在坍落度测定同时，结合混凝土拌合物表面情况来观察其和易性。例如，以捣固棒轻轻击打混凝土拌合物表面，看其坍落体是否有分层离析等现象；以抹刀抹面，看其表面是否光滑，砂浆是否饱满等，以此综合评定其和易性的优劣。根据坍落度大小，将其划分为五种(表6-3)，供设计参考。6.26.2混混 凝凝 土土2024/7/23196.26.2混混 凝凝 土土2024/7/2320 (二)混凝土强度混凝土强度包括抗压强度、抗拉强度、抗
15、剪强度和抗弯强度等，其中以抗压强度为最大。混凝土强度的测定，是以其拌合物按标准做成15cm15cm15cm的立方体试件，在标准条件下(温度20、相对湿度90100)养护28d后，进行抗压强度试验，其极限抗压强度(MPa)，就称为混凝土的强度。按强度不同分为10个等级，即C5、C7.5、C10、C15、C20、C25、C30、C40、C50、C60，其中C5C10多用于基础及设计应力不大的大体积工程；C15C30为常用的混凝土，用于普通的混凝土及钢筋混凝土结构中；C30以上的混凝土用于预应力钢筋混凝土及对强度要求很高的特殊结构中。6.26.2混混 凝凝 土土2024/7/2321三、混凝土外加剂
16、为了改善混凝土拌合物的和易性，调节其凝固时间，控制强度增长速度，提高混凝土的密实性和耐久性。在混凝土材料中常掺入一些外加剂，如早强剂、减水剂、速凝剂等。 (一)早强剂为提高混凝土早期强度而用的外加剂为早强剂。常用的早强剂有氯化钙和氯化钠。它对水泥中硅酸三钙和硅酸二钙水化时起催化作用，促使水泥早强。一般掺量为水泥重量的12，可使混凝土在前三天的抗压强度增长到4060。由于氯盐对钢筋有锈腐作用，在钢筋混泥土中不应使用。6.26.2混混 凝凝 土土2024/7/2322（二）减水剂常用的减水剂有亚硫酸盐纸浆废液和木质素硫磺酸钙等。它们均为表面活性物质，掺入混凝土中被水泥颗粒吸附在表面上，加大水泥颗粒
17、之间的静电斥力，使水泥颗粒分散，破坏凝胶体结构，使其内部的游离水释放出来，从而增加了混凝土拌合物的流动性，并可大量地减少拌合水量，提高了混凝土的密实性，增加了混凝土的强度和抗渗、抗冻性等，效果十分显著。6.26.2混混 凝凝 土土2024/7/2323 (三)速凝剂为了使混凝土快速凝结并迅速达到较高的强度而使用的外加剂，称为速凝剂。常用的速凝剂有红星I型和7ll型，掺入后可使水泥在5min内初凝，10min内终凝。初始强度为未掺速凝剂时的3倍左右，但3d以后的强度则比不掺速凝剂时降低1230，而且掺入量越多，后期强度损失越大，其最佳掺量为水泥重量的2.54。速凝剂的吸湿性强，应妥善保管，受潮后
18、对速凝效果有显著影响。6.36.3砂砂 浆浆2024/7/2324一、砂浆种类砂浆由胶结材料、水及细骨料配合组成。常用的胶结材料有水泥、石灰、石膏等，细骨料以天然砂用得最多，有时也可使用细矿渣及石屑等。砂浆与混凝土的区别在于不含粗骨料，因而混凝土的和易性、强度、耐久性等性质，基本上适合于砂浆。但有些性质还有不同的要 求。砂浆按胶结材料不同，有以下几种： (1)水泥砂浆：以水泥作胶结材料的砂浆，多用于井巷工程。 (2)石灰砂浆：以石灰作胶结材料的砂浆，多用于地面建筑砌体中或抹面中。 (3)混合砂浆：水泥与石灰两种胶结材料混合使用的砂浆，多用于地面建筑工程。6.36.3砂砂 浆浆2024/7/23
19、25二、砂浆的性质与配合比 (一)砂浆的基本性质 (1)砂浆拌合物的和易性。砂浆由组成材料拌合后，尚未凝固时，称为砂浆拌合物。其 拌合物必须有适宜于施工的工艺性质，通常称为和易性。和易性好的砂浆，不仅在运输和施 工过程中不易产生分层、析水现象，而且容易在砖石面上铺成均匀的薄层，能与砖石面很好 地粘结；而和易性差的砂浆则不但施工困难，而且强度、密实性和耐久性均差。砂浆和易性的好坏，决定于砂浆的流动性和保水性。砂浆的流动性也称为稠度，通常用 标准圆锥体在砂浆内沉入的深度(以cm为单位)数值表示，此值又称为“沉入度”。6.36.3砂砂 浆浆2024/7/2326影响砂浆流动性的因素：加水量，胶结材料
20、用量，细骨料的粗细和颗粒圆滑状况，细骨料的空隙率，搅拌时间等。保水性是指砂浆拌合物在运输或停放过程中能均匀地保持水分的性能。保水性差的砂 浆，在运输停放时，水容易析出上浮，砌筑时水分易被砌体吸收致使砂浆干固。保水性的好坏主要取决于组成材料的配合，胶结材料少，水与砂增多，保水性就差；反之，保水性就好。为了增加保水性，可掺入塑化剂或其他掺合料。6.36.3砂砂 浆浆2024/7/2327 (2)砂浆的强度。砂浆的强度以抗压极限强度为主要指标。将7.07cm7.07cm 7.07cm的立方体试块，在温度为(205)及正常湿度条件下的室内不通风处养护28d后，进行抗压极限强度测定，其各试件平均抗压极限
21、强度定为砂浆标号。砂浆标号划分为0、2、4、10、25、50、75、100、150和200号等十级。0号砂浆表示施工后因冻结而未硬化的砂浆。井巷支护用砂浆一般不低于50号。6.36.3砂砂 浆浆2024/7/2328 (二)砂浆的配合比设计砂浆标号的高低与砂浆的组成成分配合比有关。设计配合比的原则与混凝土相同，都 是为了满足和易性、强度、耐久性和经济性等要求。水泥品种根据砂浆用途选择，水泥标号 根据经济原则与和易性而定，一般水泥标号为砂浆标号的45倍为宜。骨料以天然砂为好，也可用工业废料、石屑和其他代用材料。砂浆的配合比参照表6-4选取。6.36.3砂砂 浆浆2024/7/2329对于要求较高
22、的砂浆和采用新材料而需重新设计时，可按下列步骤进行： (1)计算水泥用量。配制砂浆，每立方米砂中水泥用量按下式计算： QcRp1000 (61) 式中 Qc每立方米砂的水泥用量，kg； Rp砂浆标号； Rc水泥标号； K系数，按表6-5选取。式(6-1)只适用于含水率13的中砂或粗砂，采用于砂时，水泥用量减少10；采用细砂时，水泥用量应增加2025。6.36.3砂砂 浆浆2024/7/2330 (2)计算石灰膏(或粘土膏)用量。石灰膏或粘土膏的用量用下式计算： D350-Qc (62)式中 D每立方米砂中石灰膏(或粘土膏)的用量，kg； Qc每立方米砂的水泥用量，kg。所用石灰膏的沉入度为12
23、cm，粘土膏的沉人度为1415cm。 (3)砂子用量。对含水率2左右(微湿)的中砂，1m3砂浆用1m3砂子；如果含水率为0的过筛净砂，1m3砂浆用0.9m3砂子；如砂的含水率超过2，则应酌情增加砂子用量。每立方米砂浆所需的水泥、石灰膏(粘土膏)及砂的用量换算成体积用量，再分别除以水泥的体积用量，即得出砂浆的体积配合比。以上为砌筑砂浆的配合比计算，适用于井巷工程。其他种类砂浆，如抹面砂浆、装饰砂浆、防水砂浆的配合比计算从略。6.46.4其他材料其他材料2024/7/2331一、木材用作矿井支架的木材称为坑木。常用的坑木有松木、杉木、桦木、榆木和柞木，其中以松木为主。木材具有纹理，平行纤维(顺纹)
24、方向与垂直纤维(横纹)方向的强度是不相同的。木材各种强度的关系见表6-6。6.46.4其他材料其他材料2024/7/2332以东北长白山地区红松(落叶松)为例，说明其物理、力学性质。重度为4.40(5.94)kNm3，顺纹抗压强度极限为32.8(52.2)MPa，顺纹抗拉强度极限为98.1(112.6)MPa，顺纹径向抗剪强度极限为6.3(8.8)MPa，顺纹弦向抗剪强度极限为6.9(7.0)MPa，横向弯曲强度极限为65.3(99.3)MPa。木材经防腐处理，能延长服务年限，从而节省坑木用量。随着国民经济的发展，木材需用量大增，在矿井支护中节约坑木和采用坑木代用品，有着重要的意义。6.46.
25、4其他材料其他材料2024/7/2333二、钢材井巷支护所用的钢材，主要是用普通碳素钢(低碳钢或中碳钢)制成的各种型钢，如钢轨、工字钢、槽钢和角钢等，还有专门用于矿山的特殊型钢(图6-2)和矿用工字钢(图6-3)。其规格见表6-7和表6-8。用型钢做成的支架，具有强度高、使用期长、可多次复用、容易安装、耐火性强等优点，但是初期投资大。6.46.4其他材料其他材料2024/7/23346.46.4其他材料其他材料2024/7/2335三、石材将具有较高强度而又不易风化的岩石(如石灰岩、砂岩、花岗岩等)加工制成的砌块称为天然石材(料石)。料石按加工粗细不同，分为毛料石、粗料石和细料石三种。井下支护
26、多用毛料石和粗料石。料石多做成长方体，一般规格为(250300)mm(200250)mm(150200)mm，每块料石的重量应控制在40kg以下，以便于施工。除天然石材外，常用的人造石材有粘土砖和混凝土块。普通砖的标准尺寸为24cm11.5cm5.3cm，每块重2.65kg。1m3砌体用砖512块，灰浆用量约为砖砌体的2030。混凝土块的形状有长方形、弧形及其他形状，其尺寸按支架规格而定，每块重量为3040 kg，强度等级一般为C20。思考与练习题思考与练习题2024/7/2336P92 1水泥的初凝时间与终凝时间是如何规定的?2混凝土的组成材料有哪些?各自要求是什么?3砂浆可分为哪几种?其基本性质有哪些?
