Статья: Технологические перспективы новых отечественных набрызг-бетонных смесей

Государственное высшее учебное заведение «КНУ»

Национальный горный университет

ООО «Ротис Плюс»

Технологические перспективы новых отечественных набрызг-бетонных смесей

С.А. Жуков, д.т.н., професор,

А.Н. Шашенко, д.т.н., професор

Н.Н. Поддубный, инженер

Аннотация

В статье охарактеризованы условия горных работ в современных шахтах и главные проблемы, связанные с креплением подземных горных выработок (горной крепью). Проанализировано развитие науки о горных крепях и торкретировании скальных поверхностей. Представлены основные проблемы обеспечения шахтного строительства в Украине стройматериалами. Выполнен анализ рынка строительных сухих смесей для бетонных работ в подземных условиях.

Определены перспективные направления для решения проблем, связанных с бетонной горной крепью. Выполнен анализ технологических свойств набрызг-бетонных смесей BUDMIX KR; соответствия этих смесей требованиям горного строительства и специфике подземных выработок, а также потенциальные возможности производителя данной продукции в современных условиях для решения возникающих ресурсных задач. В статье также рассмотрены лабораторные исследования набрызг-бетонных смесей и проанализированы их результаты.

Определены главные особенности и характеристики бетонных смесей различного состава. Представлены также экспериментальные испытания новых бетонов для крепления подземных полостей и оценка эффективности предлагаемой технологии. Рассмотрены экспертные заключения различных комиссий и инстанций. Определены возможности широкого внедрения в горную практику рассмотренных стройматериалов и реальные перспективы дальнейшего развития технологий, основанных на них.

Ключевые слова: набрызг-бетон, торкретирование, сухая смесь, прочность бетона, крепь

В статті охарактеризовано умови гірничих робіт в сучасних шахтах і головні проблеми, пов'язані з кріпленням підземних гірничих виробок (гірничим кріпленням). Проаналізовано розвиток науки про гірниче кріплення і торкретування скельних поверхонь. Представлено основні проблеми забезпечення шахтного будівництва в Україні будматеріалами. Виконано аналіз ринку будівельних сухих сумішей для бетонних робіт в підземних умовах. Визначено перспективні напрями для вирішення проблем, пов'язаних з бетонним гірничим кріпленням. Виконано аналіз технологічних властивостей набризк-бетонних сумішей BUDMIX KR; відповідності цих сумішей вимогам гірничого будівництва та специфіці підземних виробок, а також потенційні можливості виробника даної продукції в сучасних умовах для вирішення виникаючих ресурсних завдань. У статті також розглянуто лабораторні дослідження набризк-бетонних сумішей та проаналізовано їх результати. Визначено головні особливості та характеристики бетонних сумішей різного складу. Представлено також експериментальні випробування нових бетонів для кріплення підземних порожнин та оцінку ефективності запропонованої технології. Розглянуто експертні висновки різних комісій та інстанцій. Визначено можливості широкого впровадження в гірничу практику розглянутих будматеріалів та реальні перспективи подальшого розвитку технологій, заснованих на них.

Ключові слова: набризк-бетон, торкретування, суха суміш, міцність бетону, кріплення

The article described the conditions of mining operations in modern mines and major problems associated with fastening of underground mining (mining support). It analyzes the development of the science of mining support and concreting rocky surfaces. The main problems of mine construction building materials in Ukraine. The analysis of the market of construction dry mixes Concrete works in underground conditions. Perspective directions for solving the problems associated with concrete rock bolting. The analysis of the technological properties of sprayed concrete mixes BUDMIX KR; compliance with the requirements of these composition of mining construction and specifics of underground workings, as well as potential producers of the products in the present conditions to address emerging resource problems. The article also discussed laboratory studies sprayed concrete mixes and analyzed the results. Identify the main features and characteristics of concrete composition of different composition. Presented as experimental testing of new concrete for fixing underground cavities and evaluation of the proposed technology. We consider expert opinions of various commissions and courts. Possibilities broad introduction to the mountain practice considered construction materials and real prospects for the further development of technologies based on them.

Keywords: sprayed concrete, guniting, dry mixture, durability of concrete, fastening

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами

Торкретирование в современном шахтном строительстве является наиболее эффективным, а нередко - единственно возможным способом крепления горных выработок. Оно целесообразно при бетонировании поверхности сложной конфигурации, когда возникают трудности, связанные с уплотнением бетонных смесей вибраторами и дороговизной опалубки, а также в тех случаях, когда к бетону предъявляются повышенные требования по водонепроницаемости, адгезионной эффективности, тиксотропности, динамике схватывания и набора прочности. Применение этого метода позволяет упростить транспортирование бетонной смеси к месту укладки, что актуализует вопрос заводского изготовления последней. Но все же самой серьезной проблемой является дороговизна высококачественных импортных стройматериалов, не идущих с ними ни в какое сравнение, украинских. Поэтому вытекающей из этой проблемы первоочередной задачей является поиск по-настоящему эффективных, а главное - доступных торкрет-смесей отечественного производства.

Анализ исследований и публикаций

Анализ последних исследований и публикаций. Развитию теории и практики набрызг-бетона посвящено много работ отечественных [1-3] и зарубежных [4-6] ученых. В них рассмотрены вопросы твердения бетонов, применения поверхностноактивных веществ, регулирования толщины слоя и влияния исходных материалов на прочность торкрет-бетона.

Ростовцев Д.С. выполнил много полевых экспериментов и установил зависимость количества отскока от скорости выхода струи. Учеными Ленинградского политехнического института под руководством профессора С.И. Дружинина были выполнены исследования зависимости прочности торкрет-бетона от состава раствора. Многие изобретатели работали над составами добавок к бетонам, ускоряющими процессы схватывания и твердения торкретной смеси. Велись также работы по повышению сцепления торкрет-бетона с покрываемой им поверхностью, исследовались процессы регуляции реологических свойств бетонных смесей. Однако уровень этих исследований, с точки зрения физико-химических процессов, был недостаточно высоким и не давал полного представления о закономерностях формирования структуры торкрет-бетона. Последующим развитием теории и практики торкрет-бетона были работы советских ученых H.A. Агрызкова, П.И. Глужге, А.П. Шипилова и др., в которых они приступили к исследованиям процессов с использованием современных положений теоретической механики, химии цемента и теории упругости. На этом этапе развития теоретические и практические исследования охватывали большое количество технологических параметров процесса, однако они не совмещали вместе средства, материалы, технологии и эксплуатационные свойства набрызг-бетона.

Во многих работах хорошо исследованы технологические параметры торкрета, его физико-механические характеристики, выделены рациональные области применения[7-8].

Однако полученные данные по большей части носят разрозненный, а порой и противоречивый характер, поскольку изготовление образцов и оценка физико-механических показателей торкрет-бетона выполнялись не одной методикой и технологией, а использовались индивидуальные решения и подходы [9].

Ранее в СССР были разработаны различные нормативно-технические источники, относящиеся к технологическим правилам торкретирования инженерных сооружений (ПТКБ ЦП МПС СССР, 1985 г.), к вопросам крепления выработок набрызг-бетоном (ВСН 126-90 / Минтрансстрой СССР, ВНИИ транспортного строительства, 1991 г.) и др. [10].

Многие современные исследования сконцентрированы на улучшении технологических и эксплуатационно-технических свойств набрызг-бетона. Несомненным достижением являются разработки торкретбетона РСТ 8 на специальном водонепроницаемом безусадочном цементе с применением добавки РСАМ [11] и других [12]. ОАО «ЦНИИПромзданий» (РФ) рассматривает широкий спектр применения торкрет-бетонных покрытий конструкций полифункционального назначения, значительное внимание, уделяя технологическим вопросам получения и применения в строительной практике торкрет-фибробетона [13]. Торкрет-бетон Spray-Con WS канадского производителя Gemite (Джимайт) является исключительно экономичным продуктом, образует водонепроницаемый воздухопропускающий слой, его можно наносить толщиной от 1/8 дюйма до 12 дюймов (от 40 мм до 300 мм) при последовательном наращивании покрытия. Spray-Con обладает очень высокой прочностью соединения с основанием. Отличные связующие качества и армированная структура делают его идеальным материалом для крепления объектов, подвергающихся динамическим нагрузкам во время нанесения [14]. В КГАСА разработано модифицирование торкрет-бетонной смеси водной эмульсией низкомолекулярного полиэтилена (НМПЭ) с помощью анионактивных ПАВ как эмульгаторов; подобраны типы ПАВ-эмульгаторов и режимы приготовления прямых концентрированных водных эмульсий НМПЭ-2 и смеси НМПЭ-2 и НМПЭ-3 [15].

Анализ приведенных и многих других исследований и публикаций свидетельствует о высоком уровне изучения и использования набрызг-бетона. Но в то же время для украинских потребителей большинство наиболее эффективных смесей зарубежных производителей являются экономически недоступными. На украинском рынке предложение отечественных сухих набрызг-бетонных смесей - крайне ограничено. Наибольший интерес, с нашей точки зрения, здесь представляет ряд смесей BUDMIX KR - и по их заявленным характеристикам, и с учетом потенциала производственной базы их производителя - ООО «РОТИС ПЛЮС» [16].

Постановка задач исследования

Вышеизложенные проблемы, ситуация в нашей стране, а также потребности горной и строительной отраслей обусловили цель работы - исследование эффективности технологии торкретирования и свойств набрызг-бетонных смесей BUDMIX KR, соответствия их требованиям горного строительства и специфике условий подземных выработок, а также потенциальных возможностей в решении возникающих задач названным предприятием.

Изложение материала и результаты

Смеси BUDMIX KR предназначены: для нанесения на стенки горных выработок конструктивного набрызг-бетона; крепления и герметизации изоляционных перемычек; изоляции стенок горных выработок от притока в них воды и др. Выпускающее эти сухие смеси для набрызг-бетона сухого и мокрого нанесения ООО «РОТИС ПЛЮС» устойчиво работает на рынке строительных материалов более 7 лет. Особое внимание следует обратить на то, что предприятие создано на базе Криворожского завода строительных конструкций - производства, изначально структурно и функционально специализированного для схожих технологий, которое имеет более 3000 м² производственных площадей, что позволяет в кратчайшие сроки развернуть широкомасштабное производство разработанных торкрет-смесей, способное покрыть потребности горняков и строителей если не всей Украины, то Кривбасса - вполне, что обосновано серьезно аргументированными расчётами.

Кроме того, ООО «РОТИС ПЛЮС» имеет собственную научно-исследовательскую и лабораторную базу, а также активно сотрудничает с учеными и специалистами Криворожского национального и Национального горного университетов (соответственно - КТУ и НГУ), ряда лабораторий.

Рассматриваемый набрызг-бетон является инновационным и не имеет аналогов. На сегодняшний день технология его производства имеет статус ноу-хау. Что же касается общей характеристики, то для изготовления смесей используются следующие материалы: вяжущее - портландцемент; заполнители - песок, гравий; добавки к смеси - сополимер винилацетата и этилена, а также метилгидроксипропилцеллюлоза. При этом гранулометрический состав заполнителей соответствует широко апробированному графику рассева [17] (рис. 1).

Рис. 1. Гранулометрический состав песка

Главными преимуществами BUDMIX KR являются:

1. Возможность нанесения за один проход слоя, толщиной более 300 мм, что обеспечивает:

- подтвержденное в промышленных условиях сокращение сроков производства робот по сравнению с «традиционными» смесями в 2-5 раз;

- экономию затрат на заработную плату в 3-7 раз и материала - до 30%;

- увеличение сроков эксплуатации оборудования на 30%.

Набрызг-бетон, нанесённый за один проход, создаёт монолитную конструкцию, работающую в полной мере как одно целое, а не слоистую, неизбежную даже при самых динамичных методах послойного торкретирования, что даёт возможность при проектировании уменьшать площадь сечения выработки «в проходке» при сохранении «в свету» при равных прочих условиях.

2. Набрызг-бетон имеет ускоренный набор прочности в течение первых семи часов после нанесения, что позволяет производить циклические взрывные роботы в более ранние сроки.

3. Рассматриваемый материал обладает пониженным процентом отскока - до 3%, что в свою очередь обеспечивает снижение: стоимости самой крепи; загрязнения горной выработки и находящегося в ней оборудования, а также затрат, связанных с утилизацией отходов.

4. Исследуемый материал в настоящее время уже выпускается как продукция ООО «РОТИС ПЛЮС» согласно государственного стандарта Украины «Смеси строительные сухие модифицированные» ДСТУ Б В.2.7.- 126:2011 и межгосударственного «Смеси бетонные ДСТУ Б В.2.7.-96-2000 (ГОСТ 7473-94)».

5. Предоставляется возможность работы по согласованным недельно-суточным графикам.

6. Рассматриваемые набрызг-бетонные смеси хорошо себя зарекомендовали при работе, как на импортном, так и отечественном оборудовании на таких производствах, как: «Кривбассжелезрудком», «Евраз Сухая Балка», «Миттал Стил Кривой Рог».

7. Набрызг-бетонные смеси могут выпускаться по согласованию с заказчиками (согласно проектной документации или с изменившимися условиями) с разными характеристиками.

8. В настоящее время предприятие приступило к выпуску торкрет- смесей BUDMIX KR, позволяющих производить безопалубочное бетонирование по вертикальным и потолочным поверхностям толщиной 200400 мм за один проход (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики набрызг-бетонных смесей BUDMIX KR