Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние проблемы и цель исследований 14
Глава II. Разработка и обоснование общих положений совершенствования средств крепления горных выработок 32
1. Обоснование направлений исследования эффективных конструкционных материалов 32
2. Обоснование режима работы крепи 53
3. Основные положения по унификации сечений горных выработок 58
ВЫВОДЫ -67
Глава III. Разработка составов высокопрочных бетоновна основе пшакосиликатного вяжущего 68
4. Физико-механические исследования пшакосиликатного вяжущего и бетонов на их основе 68
Выводы 91
Глава ІV. Исследование гидратации и структурообразования пшакосиликатного вяжущего методами электронной микроскопии, электронографии и термографии 92
5. Методика исследований 92
6. Теория гидратации вяжущего, основанная на электронно-микроскопических исследованиях 98
7. Исследование продуктов гидратации пшакосиликатного вяжущего термоаналитическими методами 118
Выводы 123
Глава V. Разработка материалов на основе стекло волокна и связующих с технологией их
производства * 124
8. Профильные стеклопластиковые изделия 124
9. Исследование физико-химических свойств и создание заводской технологии производства рулонного стеклотканевого материала 141
Выводы 165
Глава VI. Разработка основных исходных положений для проектирования рамной, анкерной крепей и. межрамных ограждений 167
10. Исследование и обоснование пара метров арочных крепей 168
II. Создание и исследование податливых конструкций крепи 194
12. -Облегченные сборные железобетонные крепи из высокопрочных шлакосиликатных бетонов и керамзитобетонов 213
13. Исследование работы арочных крепей на стенде и в шахте 231
14. Анкерная крепь с закреплением патронированными быстротвердеющими смесями на шлакосиликатном вяжущем ч 247
15. Лежрамное ограждение из рулонного стеклотканевого материала 254
Выводы , 277
Глава VII. Исследование и создание блочных бетонных податливых крепей для сложных гор негеологических условий 279
16. Обоснование конструкции и разработка метода расчета блочной бетонной податливой крепи 279
17. Взаимодействие блочной бетонной крепи с забутовочным материалом 320
18: Стендовые испытания блочной крепи 329
19. Инструментальные исследования работы блочной крепи в шахте 345
20. Создание и исследование технологии возведения многошарнирных крепей . 367
Выводы 391
Глава VIII. Анализ условий и эффективности применения разработанных средств крепления горных выработок 395
21. Анализ опыта применения разработанных крепей на шахтах Челябинского бассейна и "Октябрьском
руднике" 396
22. Анализ опыта применения разработанных крепей на шахтах Карагандинского бассейна и рудниках Урала 410
23. Эффективность применения разработанных крепей 417
Выводы 429
Заключение 431
Литература 438
Приложения 460
- Состояние проблемы и цель исследований
- Обоснование направлений исследования эффективных конструкционных материалов
- Физико-механические исследования пшакосиликатного вяжущего и бетонов на их основе
- Теория гидратации вяжущего, основанная на электронно-микроскопических исследованиях
- Исследование физико-химических свойств и создание заводской технологии производства рулонного стеклотканевого материала
Введение к работе
Успешное решение задач Коммунистического строительства, наме-енных ХХУІ съездом КПСС, возможно на основе научно-технического рогресса во всех отраслях народного хозяйства.
В.И.Ленин /I/ гениально предвидел, что с момента ликвидации астной собственности и политической власти капитала наука превра-ается в непосредственную производственную силу общества.
Большое значение в развитии производительных сил страны имеет орнодобывающая промышленность, поставляющая сырье дея многих веду-их отраслей промышленности. Партией и правительством с особой стротой поставлен вопрос о техническом перевооружении угольной про-ышленности, одной из ведущих и в то же время наиболее трудоемкой трасли народного хозяйства. Основными направлениями экономического и оциального развития СССР на I98I-I985 гг и на период до 1990 г. пре-усмотрено довести в 1985 г. добычу угля до 770-800 млн.т. в год. Для того необходимо в одиннадцатой пятилетке обеспечить ввод мощностей объеме 68 млн.т. Развитие угольной промышленности в СССР еопровож-ается увеличением глубины горных работ, общей протяженности поддер-иваемых выработок, увеличением емкости транспортных средств и коли-ества воздуха, подаваемого в шахты. Все эти факторы осложняют словия прохождения и поддержания горных выработок, вследствие чего роблема совершенствования средств их крепления приобретает особо ажное значение.
В решении данной проблемы за последние годы достигнут опреде-енный прогресс. Так, если в 1950 г. крепью из древесины было закреп-ено около 83fo от общей протяженности выработок Минуглепрома СССР, о в 1983 г. удельный вес применения металлической и сборной железо-етонной крепей составил 79,8%. Внедрение в производство новых ви- ов крепи способствовали работы отечественных ученых и ведущих оллективов страны - ИГД им. А.А.Скочинского, ВНЙИОМШС, ДонУШ, НИ, НИИОГР, КузНИЙшахтострой, Ленинградского, Московского, Сверд-овского, Донецкого, Днепропетровского горных институтов и др.
Однако к моменту наших исследований не была решена проблема репления горизонтальных выработок, проходимых в сложных горно-гео-огических условиях и на глубоких горизонтах, отсутствовали эффек-ивные конструкции сборных крепей и межрамных ограждений для различ-ых горнотехнических условий применения, совершенно недостаточно зучена возможность применения в конструкциях крепей новых материа-ов с более высокими механическими свойствами, чем традиционные, о этим основным причинам ежегодно перекрепляется около 20% всех одерживаемых выработок на шахтах Минуглепрома СССР, на что расходуются значительные материальные и трудовые ресурсы. Так, затраты на оддержание капитальных выработок в условиях глубоких горизонтов ахт Донбасса, составляют 75-100 руб. на І м в год. На этих работах адалживается до 20% подземных рабочих.
В ряде случаев еще при строительстве шахт капитальные горные ыработки неоднократно перекрепляются, на что затрачивается ,5-5,0% затрат от общей сметной стоимости строительства. На совре-внных угольных шахтах около 30-45% стоимости и 25-50% затрат тру-а при сооружении горных выработок расходуется на их крепление, и ледует отметить тенденцию к увеличению этих затрат. Так, стоимость репления горных выработок на глубоких горизонтах увеличивается в .,5 раза по сравнению со средними условиями поддержания.
Изложенные факты свидетельствуют об актуальности и необходимо-ти решения проблемы совершенствования средств крепления горных ыработок.
Создание и внедрение новых средств крепления горизонтальных орных выработок представляет комплексную проблему и успешное ее ешение возможно при установлении характера и величины действующих ил на горные выработки, разработке методов расчета и создания эффек-ивных конструкций крепи для различных горно-геологических условий с овременной технологией производства и возведения элементов крепи, также применении новых конструкционных материалов.
Ш^ь^Шботы - создание научных основ для разработки крепей, тех-ологии их производства и возведения на базе новых эффективных кон-трукционных материалов, обеспечивающих снижение расхода материалов, овышение производительности труда рабочих, сокращение затрат на ооружение и поддержание горных выработок и повышение надежности аботы крепи.
Иде^_^работы заключается в обеспечении наиболее полного и целе-аправленного использования прочностных свойств материалов в кон-трукциях крепи при их взаимодействии с массивом пород.
Методы_исследования. Для достижения поставленной цели исполь-ованы: аналитические методы строительной механики; термоаналитические, электронномикроскопические, электронно-рафические, лабораторные методы исследования физико-механических механических свойств конструкционных материалов; стендовые испытания элементов и конструкции крепи в натураль-ую величину, а также шахтные методы исследования проявлений гор-ого давления при взаимодействии крепи с окружающими породами; промышленные испытания и внедрение новых видов крепи; технико-экономический анализ затрат на поддержание выра-оток.
При обработке и анализе результатов исследования применены ме-оды математической статистики, а расчет конструкций крепи осуще- - 8 -гвляетея на ЭШ по разработанным автором алгоритмам.
Впервые установлена возможность регулирования прочности шлако-иликатного вяжущего путем управления длительностью периода суще-твования и количеством образующейся в процессе гидратации аморф-ой структуры, изменения соотношения компонентов вяжущего; при этом остижение конечной прочности материала на уровне 100-120 МПа обе-печивается высокой степенью развития кристаллического каркаса, сновными структурными элементами которого являются алюмонатриевые иликаты и гидросиликаты кальция различное основности.
Впервые установлено, что обратимое падение прочности шлдкюсили-атного материала, наблюдаемое в 14- и 60-суточном возрасте после епловлажностной обработки, происходит вследствие высокой скорости бразования в твердеющем материале жесткого каркаса, создающего кри-таллизационное давление, в результате чего частично разрушаются ермоданамически неустойчивые метаетабильные контакты срастания и то же время это давление способствует образованию новых кристал-ических контактов термодинамически более устойчивых, что и обуслав-ивает в конечном итоге дальнейший рост прочности материала.
Выявлены и обоснованы принципы управления работой крепи при заимодействии с массивом пород, заключающиеся в выборе параметров репи, обеспечивающих целенаправленное перераспределение нагрузок, ействующих по контуру выработки, и наиболее полное использование рочностных свойств материалов в конструкции крепи.
Установлены закономерности распределения нагрузок от массива о род на рамы крепи и межрамное ограждение, заключающиеся в том, что ри жестких межрамных ограждениях распределение нагрузок подчинятся общим закономерностям работы конструкции на упругом основании, при гибких межрамных ограждениях нагрузки распределяются по па-аболической зависимости с концентрацией их над рамами крепи.
Установлена зависимость отпора пород от модуля продольной де-ормации забутовочного материала при взаимодействии рамных крепей массивом пород, отличающаяся тем, что в ней учитывается жесткость, йрина элемента крепи, толщина забутовочного материала и изгибающий омент, действующий в сечении крепи.
Установлена впервые зависимость несущей способности многошар- ирной податливой кретгчисла шарниров, геометрических параметров этонных блоков, деформативных свойств забутовочного материала и цементов податливости, что позволяет управлять напряжениями в эле-знтах крепи и обеспечивать возможность наиболее полного использо-ания прочности бетона в конструкции крепи.
Впервые установлена зависимость расчетной прочности бетона на катие от конструктивных параметров блочной бетонной крепи, расчет-эй прочности бетона на растяжение,коэффициента трения между бето-ж и податливым элементов.
Впервые установлена кинематическая схема потери устойчивости яогошарнирной блочной бетонной крепи, заключающаяся в том, что про-зсс разрушения крепи происходит до выхода трех смежных шарниров на щу прямую линию при нагрузке меньше критической. решения.! выно симые_а втором_на_з ащиту: - научные основы создания средств крепления горных выработок а базе новых конструкционных материалов, обеспечивающих более пол-зе использование их прочностных показателей; закономерности структурообразования высокопрочных шлакоеили-ітньїх вяжущих; установленные зависимости напряженного состояния элементов зепи и межрамных ограждений от их жесткости, деформативных свойств ібутовочного материала и действующих на крепь нагрузок; - методы расчета многошарнирной податливой крепи и гибкого зжрамного ограждения; - новые шлакосиликатные высокопрочные бетоны, быетротвердеющие расширяющиеся смеси, полученные на основе исследования их струк- ^рообразования; рулонные стеклотканевые материалы и межрамные ограждения, ра-зтающие по схеме вантовой конструкции на упругом основании; методики и конструкции стендов для испытания в натуральную зличину межрамных ограждений, анкерных, рамных и блочных бетонных нюгошарнирных крепей; конструкции рамных податливых смешанных и сборных железобе-энных и анкерных крепей, закрепляемых быстротвердеющими смесями, ночных бетонных многошарнирных крепей с технологией их производст-а и возведения.
Прктическая_ценноеть. На основе всего комплекса, выполненных зеледований разработаны новые материалы для крепи горных вырабо-эк: шлакосиликатные бетоны марки и600*800и, быетротвердеющие асширяющиеся смеси, рулонные стеклотканевые материалы, созданы ночные бетонные многошарнирные и сборные железобетонные податли-ые крепи, межрамное ограждение из рулонного стеклотканевого мате-иала и анкерные крепи, закрепленные патронированными быстротвердею-ими смесями. Разработана заводская технология производства шлако-иликатного вяжущего и рулонного стеклотканевого материала и элемен-ов сборных бетонных и железобетонных крепей.
Созданные средства крепления имеют более высокие технико-эко-омические показатели по сравнению с традиционными. Так, податливые амные сборные железобетонные и смешанные крепи типа АЛ имеют об- - II - їсть применения металлических крепей. Эти же крепи из высокопрочно шлакосиликатного бетона легче на 25-35% всех известных сборке железобетонных крепей. Межрамное ограждение из рулонного етек->тканевого материала не горючее, в 130 раз легче железобетонной ітяжки, на 46% дешевле ее и.обеспечивает снижение трудоемкости при зведений в 3-4 раза по сравнению с последней. Анкерная крепь, ікрешіяемая патронированной быстротвердеющей емеськьв 1,5 раза ючнее металлической клино-распорной анкерной крепи, а состав неор-інической быстротвердеющей смеси в десятки раз дешевле, закрепляю-к составов на основе органических смол.
Блочные многошарнирные податливые крепи решают проблему креп-іния выработок, проходимых в особо сложных горно-геологических ловиях при полной замене металла и механизированном возведении.
На основе выполненных исследований разработаны и утверждены сстроем СССР типовые сечения горных выработок с крепью АП и очной бетонной крепью.
Применение разработанных средств крепления регламентировано иП П-94-80.
Созданные сборные бетонные, железобетонные и анкерные крепи, а кже межрамные стеклотканевые ограждения внедрены на 24 шахтах лябинского, 33 шахтах Карагандинского бассейнов, а также на Карабаш-ом горно-металлургическом комбинате, руднике Ш Интернационал , в оизводственных объединениях Кузбассуголь, Стахановуголь и др. По стоянию на 1.1.1982г. разработанными сборными крепями закреплено лее 250 км горных выработок: установление стеклотканевого межрам-го ограждения более 700 тые.м .
Дня внедрения в производство разработанных крепей и межрамных раждений по инициативе и под руководством автора спроектированы построены Коркинекий завод шахтной крепи, цеха по пропитке стек-эткани в п/о "Челябинскуголь", "Карагандауголь".
В 1977 г. сдан в эксплуатацию цех по пропитке стеклоткани на Се-эро-Донецком заводе "Стеклопластик" с годовой производительностью ЭО-900 тые.м. Учтенный фактический экономический эффект от примене-яя разработанных крепей и межрамных ограждений составил более млн.руб.
Исследования, вошедшие в диссертационную работу, выполнялись в эответствии с отраслевым планом Минуглепрома СССР по теме № 65-154 іселедование и разработка конструкций крепи капитальных и подготови-зльных горных выработок и шпал с использованием новых материалов ШОГР) по головной теме №„1504 "Разработать и внедрить новые прогрес-івнне решения в области крепления капитальных горных выработок, )еепечивающие комплексную механизацию горнопроходческих работ" ЗНИИОМШС) и целевой комплексной отраслевой программе № 8 на 1981-)85 гг "Разработка технологии, создание и внедрение средств комплеке-)й механизации для сооружения капитальных горных выработок при ?роительстве и реконструкции шахт и разрезов, обеспечивающих сниже-іе трудоемкости работ и повьшение темпов проходки".
Основные положения работы докладывались, обсуждались и получили рбрение на расширенных ученых советах ВНИИОМШа по вопросу креп->ния капитальных горизонтальных и наклонных горных выработок, еове-іниях в Техническом управлении Минуглепрома СССР (1969г., 1972 г., Москва); научно-технических советах Госстроя GGCP (1971г., 1974г., Москва)| объединенном научном семинаре отделения "Общих проблем ірного дела", "Комплексной механизации и физико-технических проблем юведения горных выработок" ИГД им. А.А.Скочинского (1975г., г.Дюбер-0; Всесоюзном научно-техническом семинаре "Проведение и крепление рных выработок в условиях неустойчивых пород" (1976г.,г.Павлоград); іесоюзном научно-техническом семинаре "Применение новых видов кре->й для капитальных горных выработок" (1977г,г.Междуреченск); Респу- - ІЗ -диканекой конференции "Опыт применения облегченных видов крепи ри строительстве новых шахт и горизонтов"(1976г.,г. Бмев); на науч-э-техническом совете по проблеме управления горным давлением Мин-глепрома СССР (1982г.,г.Донецк); на совместном заседании секции эдземной разработки угля и сланца научно-технического совета Мин-слепрома СССР, Научного совета по проблеме "Новые процессы и способі производства работ в горном деле" Государственного комитета СССР э науке и технике, Центрального правления НТО горное(1982г.,г.Лю-зрцы), а также на технических совещаниях п/о Челябинекуголь, Кара-андауголь, Кузбассуголь, Средазуголь и др.
Диссертация является логическим завершением многолетней работы втора в области создания и совершенствования средств крепления эрных выработок.
За период 1960-1982 гг автором выполнено 14 научно-исследова-эльских работ, опубликовано в печати 48 работ по теме диссертации, з них 4 монографии, защищено авторскими свидетельствами 17 изобрезкий.
Диссертационная работа выполнялась в институтах НИИОГР в лабо-атории крепления и новых материалов (І96І-І972 гг) и ВНИИ0МІЮ в ла-эратории крепления горных выработок (1972-1982 гг).
Экспериментальные исследования автором выполнены в Челябинском, ірагандинском, Кузнецком и Донецком бассейнах, а также Карабашском эрно-металлургических комбинатах и руднике III Интернационала.
В разработке и внедрении крепей и межрамных ограждений принимали застие разработки институтов НИИОГР, ВНИИОМШ, и/о Челябинекуголь и ірагандауголь; С.И.Болховитинов, Л.Г.Браславский, С.А.Бернштейн, .С.Волков, В.П.Друцко, В.К.Желиховекий, П.С.Иванов, А.Н.Инфантьев, .Б.Ильина, А.С.Лубянецкий, В.П.Макаров, В.Б.Малыгина, П.К Матонин, .Е.Пашкевич, В.И.Рожанская, В.К.Располов, В.П.Сологуб, П.М.Трухин, .В.Черкасов, В.Н.Шишов.
Состояние проблемы и цель исследований
Решению этой проблемы посвящены работы видных советских ученых: Б.В.Бокия, Н.С.Булычева, Ю.З.Заславского, Е.С.Киселева, К.В.Кошелева, М.А.Комиссарова, Б.Н.Крамарева, А.П.Максимова, И.Д.На-еонова, 1.Н.Насонова, М.М.Протодьяконова, Н.М.Покровского, K.B.Ftyn-пенейта, В.В.Смирнякова, В.Д.Слесарева, С.А.Федорова, И.М.Цимбаре-вича, А.П.Широкова.
На основе анализа современных тенденций в области науки о креплении горных выработок в отечественной и зарубежной практике следует считать наиболее прогрессивные следующие направления:
- разработка нормативной базы для обоснования исходных данных к расчету крепей и области их применения;
- совершенствование методов расчета с использованием автоматизированных систем расчета и проектирования с выбором оптимальных по всем показателям технических решений;
- использование несущей способности пород за счет упрочнения или разгрузки массива и его анкерования;
- создание и совершенствование конструкций крепи для сложных горно-геологических условий, обеспечивающих механизацию их возведения и безремонтное поддержание горных выработок;
- создание новых конструкционных материалов для крепи горных выработок.
Рассмотрим эти направления.
Исходные материалы геологических разведок, осваиваемых месторождений не содержат достаточно полных и достоверных данных о деформативных свойствах толщи пород. Геологоразведочные организации не имеют обоснованного перечня характеристик и свойств породного массива, которые надлежат определять в процессе разведки, кроме того, они не подготовлены и не оснащены в должной мере для проведения подобных работ.
Отсутствие необходимых сведений привело к практике, когда оценку условий сооружения выработок и работы крепи проектировщики выполняют, пользуясь методом аналогии или экстраполируя наювые условия уже известные рекомендации. В результате планировку выработок и определение условий работы крепи в конкретных условиях производят без достаточного учета влияния основных гео-югических и горнотехнических факторов. При этом недостаточно ірорабатьгоаются возможные варианты рационального расположения зыработок в породах с разными свойствами. В связи с этим имеют - 19 -ея случаи заложения капитальных выработок в неустойчивых породах и выбора крепи с недостаточной несущей способностью (шахты № 18 "Капитальная" П.О. -Воркутауголь, им. Костенко П.О. ;Кара-гандауголь1; им. Засядько П.О. Донецкуголь и др.). Принимаются сложные схемы планировки выработок околоствольных дворов без учета взаимного влияния выработок, что приводит к интенсивному разрушению крепи (шахта "Карагандинская", шахта им. Калинина П.О. Прокопьевекуголь и др.).
Существующие документы по вопросам прогнозирования проявлений горного давления и выбору параметров крепи по существу отражают результаты изучения состояния уже пройденных выработок и не позволяют учесть многообразие факторов, влияющих на устойчивость выработок на вновь осваиваемых глубинах. Еще не созданы достаточно надежные методы для реальной оценки условий заложения и поддержания выработок в течение всего срока их службы.
По отмеченным выше вопросам в последние годы проведены большие исследования институтами : геотехнической механики АН УССР и ВНИМИ. Первым по теме № 1504 отраслевого плана Минуглепрома СССР с участием автора разработаны и утверждены "Требования по составу характеристик массива пород" /б/.
Обоснование направлений исследования эффективных конструкционных материалов
Наука о креплении горных выработок, слагаясь из учения о действующих силах на крепи, их конструкциях и материалах в последние годы развивается негармонично. Так, в прошедшие 20 лет значительно углубились познания в области горной геомеханики, что в значительной степени объясняется концентрацией усилий многих коллективов и специалистов страны на решении данной проблемы. Об этом свидетельствует огромное количество публикаций по данной проблеме как в отечественной, так и в зарубежной литературе. За это же время создано свыше 60 конструкций сборных крепей из железобетона и бетона. Из них широкое промышленное применение нашли центрифугированные стойки, крепи УРП, УРРМ, УТЭ-ВНИИОМШСа, шарнирно-болтовые арочные и крепи из пустотелых стоек ИГД им. А.А.Скочинского, крепи конструкции ПНЙУИ и др. Но все эти крепи изготовляются из тяжелого бетона с объемной массой 2,4-2,5 м/м и марки 200-300 по обычной технологии, что обуславливает значительный вес и высокую стоимость железобетонной крепи. Так, вес элементов крепи находится в пределах 100-190 кг, стоимость I м составляет 65-124 руб. при рас-ходе арматуры на І м 300-370 кг. Большой вес элементов крепи, при отсутствии работоспособных крепеукладчиков, и высокая стоимость сдерживает применение и снижает эффективность сборной железобетонной крепи.
Особенно остро практикой выдвигается задача создания эффективного межрамного ограждения. Применяемые конструкции затяжек из древесины и железобетона (металлическая решетчатая затяжка применяется весьма ограниченно), имеют крупные недостатки, Де -ревянная затяжка недолговечна и сгораема, а железобетонная при малой несущей способности имеет массу 120-130 кг/м и трудоемка при возведении, объем же применения железобетонной затяжки составляет 55% от общего объема применения сборных железобетонных крепей.
Из изложенного следует, что дальнейший прогресе в области совершенствования крепления горных выработок может быть возможен только за счет разработки и применения новых эффективных материалов, в использовании которых горная промышленность отстает от строительной промышленности. Так, при строительстве поверхностных сооружений широкое применение находят высокопрочные бетоны, конструктивный керамзитобетон, стеклопластики, пластобетоны, поли-мерцементные бетоны и другие материалы, которые повышают технико-экономические показатели строительных конструкций. Применение этих материалов стало возможным благодаря усилиям многих научно-исследовательских институтов страны: АС и А СССР, НИИЖБ, НИЙцемент, ВНИИМС, НИИПМ, НИИ-200, ЩИИСК, Институт механики АН УССР и др. Но как отметил проф. Б.Н.Крамарев /19/ "при создании крепей нельзя слепо имитировать поверхность под землей, т.к. несмотря на кажущееся сходство многих подземных сооружений с надземными, последние имеют существенные особенности как в отношении среды, предназначенной для их службы, так и в отношении режима работы сооружения".
Физико-механические исследования пшакосиликатного вяжущего и бетонов на их основе
Получение высокопрочных бетонов марки п500и и выше осуществляется за счет использования жестких бетонных смесей с оптимальным гранулометрическим составом мытых заполнителей и применения различных методов силового воздействия на бетонную смесь при формовании изделий. Во всех случаях при производстве высокопрочных бетонов предполагается использование высокопрочных вяжущих марки м700й - "900". Вяжущие с такой активностью выпускаются на Ново-Здолбуно веком, Амвросиевском и Коркинеком цементных заводах, Нййцементом, в содружестве с Ново-Здолбуновским цементным заводом, разработан особо быетротвердеющий цемент (ОБТЦ), который по сравнению с цементом БТЦ и портландцементом, имеет более высокую активность в раннем возрасте при воздушном твердении /25/.
Однако, незначительный объем производства высокоактивных вяжущих, необходимость применения мытых песков и щебня определенного гранулометрического состава, ряд технологических сложностей ограничивают область применения высокопрочных бетонов. В связи с этим весьма перспективным является получение высокопрочных бетонов на рядовых заполнителях с обычной технологией их производства.
Высокопрочные бетоны могут быть получены на основе шлакоси - 69 ликатного вяжущего (ШВ), получаемого из тонкомолотых гранулированных ломаных шлаков и растворимого стекла. Бетоны на этом вяжущем в дальнейшем будем называть шлакосшшкатобетонами или (ШСБ). О возможности получения высокопрочного ШиБ с активностью р 1000 кгс/см и более указывалось в работах советских ученых П.А.Пшеницына /80/, А.И.Шшшна /81/, В.В.Константинова /82Д В.Д.Глуховского /88/, Р.Т.Пужанова /84/, Б.С.Боброва /85/. На основании анализа данных работ следует: всеми исследователями подтверждается высокая прочность ШВ, ШСБ и их перспективность;
возможность получения ШВ из гранулированных шлаков практически всех металлургических заводов, находящихся на Урале, в Донбассе, Кривом Роге, Подмосковном бассейне и др.;
для получения ШБ марки ,,500п и выше могут применяться нео-богащенные пески и щебень;
основными продуктами взаимодействия гранулированных шлаков и растворимого стекла являются гелеобразные вещества и в очень незначительном количестве кристаллы анальцима;
гелеобразные продукты, образуясь во внутренних порах, при определенных условиях могут являться причиной разрушения материала;
большинство работ носит поисковый характер они не заканчиваются объяснением сущности происходящих процессов при гидратации ШВ и не содержат результатов длительных их испытаний в различных средах.
Теория гидратации вяжущего, основанная на электронно-микроскопических исследованиях
Используя изложенные выше методы препарирования и обработки результатов исследований, нами произведены электронно-микроскопические исследования структуры и процессов гидратации ШСВ, а также электронографический анализ образующихся при гидратации химических соединений. Для исследования было принято ШВ оптимального состава, твердеющее в естественных условиях и при препарировании, с хранением образцов в сухих условиях и в воде. Все электронно-микроскопические исследования сопровождались испытанием образцов на сжатие в соответствующие сроки. В сводной таблице 37 представлены основные сведения по объектам исследований, режимам твердения образцов и съемок электронно-микроскопических изображений и электронограмм. шлакосиликатного вяжущего.
Как известно, в настоящее время по вопросу образования кам-невидной структуры бетона, образующейся в результате гидратации вяжущего, существует три принципиально различных теории. По первой теории, предложенной Ле Шателье в 1982 году и получившей название механической, прочность возникает в результате переплетения сростков растущих кристаллов /105/. Процесс образования гидратов в этом случае происходит следующим образом. Вяжущее вещество, реагируя с водой, превращается в химические соединения, коренным образом отличающиеся от исходного вещества. Поскольку исходное вещество обладает большей растворимостью, чем продукт его гидратации, то оно образует растворы, которые насыщены по отношению к исходному и пересыщены по отношению к гидрату. В результате этого происходит образование кристаллов.
В первые минуты после затворения вяжущих веществ, по этой теории, они растворяются, как и по Ле Шателье, продукты гидратации выделяются в виде очень мелко раздробленной системы в результате прямого присоединения воды к зернам вяжущего. Взаимодействие воды с зернами вяжущего продолжается на поверхности (топохимиче-сіси) без промежуточного растворения исходного вещества. Из теорій же Же Шателье следует, что каждый клинкерный минерал обязательно проходит стадию растворения.
По третьей теорий кристаллизационного структурообразования, разработанной П.А.Ребиндером и Е.Е.Сегаловой, прочность структуры вызывается срастанием отдельных кристалликов с образованием объемного каркаса /III,112/. Развитие структуры твердения при вы-кристаллизовывании протекает в два этапа. Вначале происходит формирование каркаса с возникновением контрастов срастания между кристалликами новообразований. Во втором этапе новые кристаллизационные контакты не возникают, а происходит только обрастание имеющегося каркаса. Такое обрастание каркаса, с одной стороны, приводит к повышению прочности структуры, а с другой - является причиной появления внутренних растягивающих напряжений, возникающих в результате направленного роста кристалликов. Внутренние напряжения снижают прочность структуры твердения. Обобщая известные теории твердения вяжущих веществ, А.І.Полак в работе /ИЗ/ в основе своих предположений по гидратации и расчетов принимает следующие основные положения. При соприкосновении с водой вещество растворяется и образуется перенасыщенный (по отношению к гидрату) раствор. Из перенасыщенного раствора, выпадают зародыши гидрата. Растущие кристаллики гидрата сближаются и соединяются, образуя кам-невидную структуру.
class4 Разработка материалов на основе стекло волокна и связующих с технологией их
производства class4
Исследование физико-химических свойств и создание заводской технологии производства рулонного стеклотканевого материала
При креплении горных выработок рамными крепями вразбежку основными материалами затяжки является дерево и железобетон. В последние годы предпринимаются попытки по использованию в качестве затяжки металлической сетки. Эти материалы имеют существенные недостатки. Так, деревянная затяжка сгораема и недолговечна, вследствие чего она через 2-3 года полностью заменяется, на что требуются большие затраты труда и значительный расход леса. Железобетонная затяжка имеет большой вес при малой несущей способности и высокую стоимость. Объемы производства железобетонной затяжки составляют 55% от общих объемов изготовления сборных железобетонных крепей на заводах жедезобетонных изделий Минугле--прома СССР.
В отечественной и зарубежной практике в последние годы предпринимаются попытки по использованию в качестве затяжки металлических сеток и решеток. Так, в Чехословакии с 1958 г. применяется металлическая сетка ("пажница") из 5 продольных прутков диаметром 7 мм и 10-ти поперечных прутков диаметром 5 мм. Размер сеток 120,0 х 80,0 см, ячейка 200 х 100 мм. В Англии на шахте Хильтон Мейн применяется затяжка размером 123 х 147 см с ячейкой 76 мм. Іирма Леберт в Западной Германии выпускает решетчатую затяжку шириной 150 мм.
В СССР металлическая затяжка впервые была испытана в Донбассе в 1952 году по предложению Н.И.Линника. ЦНИИП одземшахтострой в 1961 г. разработал затяжку, состоящую из 5 продольных стержней диаметром 5-6 мм и 15-24 поперечных стержней диаметром 3-4 мм. Размер затяжки 100,0 х 100 см или 150 х 100 см, ячейка б х 20 см, Масса 2,4-3,5 кг, несущая способность 0,08 МПа. Сметная стоимость одной затяжки 0,5 - 0,7 руб. В настоящее время затяжка выпускается Рутченковским мажзаводом из проволоки диаметром 4-6 мм и 8-Ю мм.
В Карагандинском бассейне применяется затяжка размером 55 х 91 см, которая изготовляется из 3 продольных стержней диаметром 10-12 мм и Ю поперечных стержней диаметрам 4-6 мм. Масса одной затяжки 2,4 - 3,1 кг.
Обладая огнестойкостью, высокой несущей способностью и легкостью, в то же время металлическая затяжка быстро коррозирует в шахте и требует значительного расхода металла, вследствие чего она применяется весьма в ограниченных объемах.
Таким образом, известные материалы и конструкции межрамных ограждений не удовлетворяют современным требованиям производства. Автором в 1962 г. предложено использовать для межрамных огражде - 145 ний стеклотканевые рулонные материалы. Эти материалы, обладающие высокой прочностью на растяжение, негорючестью и при пропитке связующими-химстойкостью должны найти широкое применение для межрамных ограждений.
Но поскольку использование стеклотканей для конструкций межрамных ограждений является принципиально новым направлением, поэтому возникла необходиомсть в исследованиях физико-химических свойств стеклотканей, связующих и разработке заводской технологии их пропитки.
