Application Strategies of Shotcrete Anchor Support Technology in Highway Bridge and Tunnel Engineering

This article analyzes the application strategies of shotcrete anchor support technology using a highway bridge-tunnel construction project as an example.The article covers various strategies,including support plan formulation,mortar shotcrete anchor construction,grid steel frame construction,steel mesh construction,and concrete support construction.This analysis aims to provide a guideline for those interested in applying this technology and improving the quality and safety of highway bridges and tunnels construction.

Comprehensive utilization of solid waste resources: Development of wet shotcrete for mines

The development of solid waste resources as constituent materials for wet shotcrete has significant economic and environmental advantages. In this study, the concept of using tailings as aggregate and fly ash and slag powder as auxiliary cementitious material is proposed and experiments are carried out by response surface methodology(RSM). Multivariate nonlinear response models are constructed to investigate the effect of factors on the uniaxial compressive strength(UCS) of tailings wet shotcrete(TWSC). The UCS of TWSC is predicted and optimized by constructing Gaussian process regression(GPR) and genetic algorithm(GA). The UCS of TWSC is gradually enhanced with the increase of slag powder dosage and fineness modulus, and it is enhanced first and then decreased with the increase of fly ash dosage. The microstructure of TWSC has the highest gray value and the highest UCS when the fly ash dosage is about 120 kg·m^(-3). The GPR–GA model constructed in this study achieves high accuracy prediction and optimization of the UCS of TWSC under multi-factor conditions.

"In-situ Recycling" :Monolithic Ladle Repair with Shotcreting

The service life of refractories in ladle walls is limited by corrosion,abrasion,thermal shock and structural spalling mechanisms. When the ladle is lined with bricks they typically need to be completely removed after a certain number of heats to be replaced by new bricks of the same size as the original bricks. Not so for monolithic ladle linings. At the end of their service life the remains of the castable can almost completely be recycled as they can in fact stay in place. Only the worn-out part of the lining has to be replaced by a new castable. 20%-50% of the initial ladle lining can be recycled ＂insitu＂. The installation can efficiently be done by shotcreting technics. But it requires a castable that resists slag penetration very well. Castables based on a calcium magnesium aluminate bond provide the required penetration resistance. Pumping and shotcreting is very well adapted for repairs of blast furnace shafts,torpedo cars,hot metal and steel ladle linings[1]. However,very little is published about how a good pumping and shotcreting performance can be achieved when the installation has to be done under extreme weather conditions. At high ambient temperature the challenge is to ensure a good pumping result without early castable stiffening. Blockage of the pump would be the consequence. At low ambient temperature the difficulty is to de-activate the highly efficient deflocculant fast enough with a gelling agent added intothe wet mix at the nozzle to prevent the gunned material slipping off the wall. This paper studies strategies how to achieve good installed properties even at extreme ambient temperatures. The interactions between deflocculants,retarders,gelling agents,and calcium magnesium aluminate binder as a function of temperature are studied for an alumina- spinel ladle castable. Beside a new gelling agent for this castable type also a special stabilizer to reduce the temperature sensitivity has been investigated. It will be highlighted how the use of the new calcium magnesium aluminate binder in ladle castables and shotcretes maximises their service life and minimises material consumption.

Development of Wet Shotcrete with Solid Waste as Aggregate:Strength Optimization and Mix Proportion Design

The super-fine particle size of tailings is its drawback as a recycled resource,which is reflected in the low strength of the new construction and industrial materials formed when it is mixed with cement and other cementitious materials.Therefore,it is crucial to study the effect of tailings particle size and cementitious material on the strength of tailings wet shotcrete(TWSC)and to investigate the optimal mix proportion.In this paper,a multivariate nonlinear response model was constructed by conducting central composite experiments to investigate the effect of different factors on the strength of TWSC.The strength prediction and mix proportion optimization of TWSC are carried out by machine learning techniques.The results show that the response model has R^(2)>0.94 and P<0.01,which indicates that the model has high reliability.Moreover,the strength of TWSC increases with the increase of tailings fineness modulus and decrease of water-binder ratio,while it also increases and then decreases with the increase of replacement rate of slag powder to cement(SRC rate).The extreme learning machine(ELM)constructed in this paper predicts the strength of TWSC with an accuracy of more than 98%and achieves rapid prediction under multi-factor conditions.It is worth mentioning that the ELM combined with the genetic algorithm(ELM-GA)collaboratively solved to obtain the mix proportion for C15 and C20 strength grades of TWSC and the maximum error is verified by experiments to be less than 2%.

Study on Mechanical Properties of High Fine Silty Basalt Fiber Shotcrete Based on Orthogonal Design

In order to improve the comprehensive utilization rate of highfines sand(HFS)produced by the mine,full solid waste shotcrete(HFS-BFRS)was prepared with HFS asfine aggregate in cooperation with basaltfiber(BF).The strength growth characteristics of HFS-BFRS were analyzed.And thefitting equation of compressive strength growth characteristics of HFS-BFRS under the synergistic effect of multiple factors was given.And based on the orthogonal experimental method,the effects on the compressive strength,splitting tensile strength andflex-ural strength of HFS-BFRS under the action of different levels of influencing factors were investigated.The effect of three factors on the mechanical properties of HFS-BFRS,3,and 28 d,respectively,was revealed by choosing the colloidal sand ratio(C/H),basaltfiber volume fraction(BF Vol)and naphthalene high-efficiency water reducing agent(FDN)as the design variables,combined with indoor tests and theoretical analysis.The results show that the sensitivity of the three factors on compressive strength andflexural strength is C/H>FDN>BF Vol,and split-ting tensile strength is BF Vol>FDN>C/H.Finally,thefitting ratio of HFS-BFRS was optimized by the factor index method,and the rationality was verified by thefield test.For thefluidity of HFS-BFRS,the slump can be improved by 139%under the action of 1.2%FDN,which guarantees the pump-ability of HFS-BFRS.

喷射混凝土用无碱液体速凝剂的现状与发展趋势

喷射混凝土常用于隧道、矿山井巷、城市地下空间等施工场景,已成为复杂工程施工必不可少的一种混凝土。速凝剂作为喷射混凝土必不可少的外加剂,经历了高碱粉体和低碱粉体的速凝剂时代,目前,无氯低碱液体速凝剂已得到大规模应用。然而,实际工程对速凝剂产品仍在不断提出更高的要求,液体速凝剂正朝着无氟无氯无碱的方向前进,从而继续推出更好的产品。本文回顾速凝剂的历史进程和发展,着重讨论速凝剂的作用机理,硫酸铝型无碱液体速凝剂主要组分的演变及由此带来的产品研制难题和对水泥基材料性能的影响,并论述课题组在无碱液体速凝剂与水泥的适应性研究方面取得的成果。

高岩温环境下矿物掺合料对喷射混凝土强度和抗渗性的影响

针对高岩温隧道环境下喷射混凝土出现后期强度下降及耐久性劣化等问题,研究了80℃干热养护条件下不同矿物掺合料(粉煤灰、矿粉、硅灰)在单掺以及二元、三元复掺情况下对喷射混凝土长期强度稳定性、抗水渗透性能和抗氯离子渗透性能的影响,并通过分析硬化混凝土气泡结构参数揭示其提升机理。结果表明:单掺5%硅灰或复掺10%矿粉+5%硅灰可以明显改善喷射混凝土的长期强度稳定性及抗渗性,56 d抗压强度无倒缩,渗水高度分别降低至78、101 mm。三元复掺体系(10%粉煤灰+10%矿粉+5%硅灰)喷射混凝土的抗氯离子渗透性能最佳,其28、56 d氯离子扩散系数分别降低至6.4×10^(-12)、13.0×10^(-12)m^(2)/s。

流变学参数表征湿喷混凝土工作性研究进展

为提高工作性对湿喷混凝土施工性能(可输送性、可喷性)的指导作用,归纳了现有各种技术规范的工作性要求,回顾了流变特性与可喷性相关性研究进展,探讨了流变性能时变机制,总结了时变模型发展现状。结果表明,坍落度无法协调可输送性与可喷性工作性需求矛盾,流变学参数应用效果优于坍落度;屈服剪切应力增加,一次喷射厚度变大,回弹率减小;塑性黏度降低,管道输送压力减小,可输送性变好,但屈服剪切应力、塑性黏度与密实度的相关性尚需深入研究;主流的流变性能时变模型为指数、对数、线性、幂函数等经验公式,应加强有物理意义的模型推导;时变预测模型缺乏有效验证手段,应重点研发速凝体系下湿喷混凝土流变性能的原位评估方法。

基于总安全系数法的喷射混凝土支护承载能力的试验研究

为验证总安全系数法中喷层的荷载结构模型及其安全系数计算方法,研制大型隧道结构模型试验系统,采取结构试验的方法,开展毛洞、不同厚度喷层以及二次衬砌的加载破坏试验。通过围岩和细砂材料的三轴试验明确模型试验中各材料的物理与力学参数,模拟毛洞、不同厚度喷层以及二次衬砌的加载破坏全过程,依据破坏状态明确喷层与二次衬砌的设计承载能力,试验中监测围岩应力应变、喷层内外侧应变和喷层位移,结合监测结果分析喷层与二次衬砌在承载过程中的变形特征与受力特征,明晰喷层与二次衬砌的承载机制,并与总安全系数法理论计算结果进行对比分析。结果表明:1)在试验断面条件下喷层受力状态为小偏心受压,喷层与围岩之间的粘结能有效传递剪力,从而减少了喷层的弯矩,有利于充分发挥喷层的抗压强度,同厚度情况下喷层的设计承载力要高于二次衬砌;2)试验得到的厚度为2 cm和4 cm喷层的设计承载力比总安全系数法理论计算结果分别大27.0%和22.9%,表明总安全系数法的喷层承载力计算模型是合理的,并具有合适的安全性。

喷射混凝土围岩复合体受压力学特性及本构模型

为探究喷射混凝土围岩复合体受压力学特性,结合三维数字图像相关技术,针对4种不同喷射混凝土围岩复合体试件开展了单轴受压试验,探究了纤维和岩石种类对复合体破坏模式和受压性能的影响.基于Weibull统计损伤理论,构建了适用于复合体的受压应力应变本构模型.试验结果表明,不同围岩基复合体破坏模式存在显著差异,但微裂缝均先从喷射混凝土中发展.破坏时,围岩部分表现单一裂纹模式,而喷射混凝土部分呈现多裂纹扩展状态.4种复合体峰值强度均高于单一喷射混凝土破坏强度,且砂岩基复合体的峰值强度均高于花岗岩基复合体,平均高出5.55%.同种围岩条件下,纤维增强喷射混凝土复合体强度会存在轻微降低,较普通喷射混凝土复合体平均下降1.95%.此外,所建本构模型计算结果与试验数据吻合较好.

矿井湿喷过程的产尘特性和复合降尘外加剂的制备

矿井湿喷过程的粉尘污染是制约湿喷支护工程高效、清洁和安全生产的重要因素。为降低湿喷过程粉尘对作业人员的危害,提高矿山企业粉尘防治和职业健康保障的能力,运用气溶胶力学与HertzMindlin碰撞理论,构建了湿喷混凝土冲击产尘的动力学模型;并针对湿喷工艺特点,建立了湿喷混凝土相似实验装置,对不同工艺条件下的产尘特性进行分析;结合湿喷过程外加剂的降尘机制,对外加剂的减弹降尘性能进行研究,配置适用于湿喷工艺的高性能复合降尘外加剂。结果表明,湿喷过程中弥散在空气中的气溶胶颗粒粒径大部分在2μm以下,2μm以下(不含2μm)颗粒数占比在90%以上。湿喷产尘主要受喷射距离、喷射压力和水灰比影响。喷射距离不宜太大或太小;随着喷射距离的增加,颗粒浓度呈先降低后增加的趋势。同样,喷射压力为0.4 MPa时,较为合适。当压力太大时,会导致回弹率和粉尘质量浓度增加;当压力太小时,物料到达受喷面时的动能较小,不能很好地黏附在受喷面。同时,在保证物料流动性的同时,可通过减小水灰比来降低回弹率和产尘量。研制的复合降尘外加剂主要由速凝剂、络合剂、早强剂、黏结剂以及表面活性剂复配形成。通过正交实验以及优化实验,最终确定的湿喷复合降尘外加剂配方及其质量分数为:A-55%、B-3%、C-4.5%、D-0.5%、E-0.15%、水-36.85%。掺入该复合降尘外加剂后,湿喷过程粉尘质量浓度下降了约57%,有效降低湿喷过程的粉尘产生量,降尘效果明显。

基于图像三维重建的隧道喷射混凝土回弹率测定方法研究

针对复杂隧道施工环境下如何快速、准确测量喷射混凝土回弹率的问题,基于机器视觉三维重建技术中的主要理论和算法,提出了一种新的隧道喷射混凝土回弹率测定方法。该方法通过坐标标记版和手持相机快速采集图像,基于运动恢复结构(SFM)算法、基于面片的密集匹配(PMVS)算法与三角剖分原则实现隧道实际开挖轮廓及初支内轮廓的三维曲面网格模型的建立;通过网格射线法,将隧道实际开挖轮廓与初支内轮廓三维网格模型进行空间差值求解,获得初支实际有效的喷射混凝土体积;最后,结合实际喷射混凝土总用量,完成喷射混凝土回弹量的测定,并以郑万高铁巴东隧道为依托进行现场试验与应用。结果表明:所提方法测得的喷射混凝土回弹率比传统现场称重法测试结果更为合理,准确性更高,说明该方法能够较好地实现喷射混凝土回弹率的测试;在现场应用中,结合喷射混凝土回弹率的测试结果提出的降低回弹率的施工质量控制建议,现场采用后施工良好,保证了隧道施工质量;该测定方法简便高效、成本低、不干扰施工,具有较好的工程应用价值。

硫酸盐干湿循环作用下煤矸石喷射混凝土劣化机理

为促进高硫酸盐环境下煤矿地区煤矸石大规模利用,本文制备了不同煤矸石取代率的喷射混凝土,研究干湿循环作用下煤矸石对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响规律,从表观形貌、质量损失率、相对动弹性模量、相对抗压强度、硫酸根离子分布演化和侵蚀前后微观形貌变化进行了研究,得到了煤矸石对喷射混凝土抗硫酸盐侵蚀的影响机理。结果表明,在硫酸盐干湿循环作用下,煤矸石喷射混凝土(CGS)的劣化过程分为强化阶段、初始损伤和宏观破坏三个阶段。CGS劣化程度受干湿循环次数和煤矸石取代率协同影响,25%(质量分数)取代率下CGS抗硫酸盐性能提升,当取代率超过25%后,CGS抗硫酸盐侵蚀能力随着取代率的增加而降低。研究成果可为CGS结构在矿下应用提供重要的理论支撑。

喷射混杂纤维混凝土抗冻性及损伤模型

目的为提高高寒地区喷射混凝土耐久性,改善冻融环境下普通喷射混凝土易开裂、抗冻性能差等问题。方法在喷射混凝土中掺入混合纤维,通过冻融循环试验、超声波检测、压拉性能试验以及气孔结构测试等方法,研究不同冻融循环次数下喷射混杂纤维混凝土的相对纵波波速、相对压拉强度以及试件内部气孔结构变化规律。通过压拉性能损伤量对试件冻融损伤进行多项评价,分析钢纤维和聚丙烯纤维贡献率与喷射混凝土抗压强度之间的关系,并根据钢纤维和聚丙烯纤维贡献率公式建立喷射混凝土冻融损伤模型。结果与单掺钢纤维和聚丙烯纤维试件相比,混合掺入1%钢纤维、0.1%聚丙烯纤维喷射混凝土试件的抗压强度损失分别降低了7.5%、33.3%,劈裂抗拉强度损失分别降低了15.6%、35.0%。在弦长尺寸0.1mm<d<1mm处,混合掺入0.1%聚丙烯和1%钢纤维喷射混凝土气泡弦长频率比单掺1%钢纤维喷射混凝土和单掺0.1%聚丙烯喷射混凝土分别降低了24.9%和27.3%。钢纤维和聚丙烯纤维对抗压强度的贡献率呈现先增长后下降趋势。基于冻融损伤与钢纤维和聚丙烯纤维贡献率建立冻融损伤模型。结论喷射混杂纤维混凝土力学性能损伤量低,不易开裂,抗冻性能好,可为高寒地区喷射混凝土结构提供理论参考。

小型岩孔喷浆机器人设计及其性能分析

为实现喷浆作业质量均匀稳定,本文针对岩孔喷浆过程中参数的影响及其控制进行研究,采用涂层建模、理论参数计算与实验验证方法,得到了喷枪参数、进给推进速度是关键影响因素结论。建立了涂层质量与喷枪参数模型和喷涂进给速度匹配方程,应用于实际喷浆机器人的设计和控制系统中。研制了小型喷浆机器人,完成了喷浆机器人的喷涂实验。实验表明:小型岩孔喷浆机器人可实现对模拟实验隧洞道的喷浆支护作业,本文设计的小型岩孔喷浆机器人能够满足使用要求。

速凝剂对喷射混凝土水化及强度发展作用机理研究

喷射混凝土是水利建设工程中重要的混凝土类型之一,速凝剂是喷射混凝土施工中重要的材料,对喷射混凝土性能影响显著。为系统研究速凝剂对喷射混凝土水化及强度发展作用机理,通过化学结合水、压汞(MIP)、扫描电镜(SEM-EDS)及强度测试,研究了硫酸铝系列无碱速凝剂(AKF)和有碱速凝剂(ALK)对水泥水化程度、孔结构及强度的影响。结果表明:AKF和ALK均显著提高了水泥早期水化速率,降低了浆体内部总孔隙率和最可几孔径,提高了硬化水泥浆体早期抗压强度,但掺入ALK延缓了水泥尤其是C_(3)S后期水化,阻碍了C-S-H凝胶致密化进程,减缓了硬化水泥浆体孔结构细化的程度,相比之下,AKF在加速C_(3)A水化反应速率的同时往溶液中提供了SO_(4)^(2-)离子,C_(3)A水化速率总体可控,对于C_(3)S后续水化及C-S-H凝胶致密化进程没有阻碍,因此掺有AKF的后期强度稳定增长,并未发生明显倒缩,更有利于喷射混凝土抗压发展。

不同温度下矿物掺合料对喷射混凝土水化行为及力学性能的影响

不同温度下粉煤灰、矿粉和硅灰对喷射混凝土水化行为及力学性能的影响规律尚不明确。本文通过XRD定量分析、热重分析和SEM测试等手段表征了不同温度和龄期下三种矿物掺合料对喷射混凝土水化行为的影响,并测试了砂浆抗压强度。结果表明,不同温度下,硅灰和矿粉能提高喷射混凝土早期和后期强度,粉煤灰不利于早期强度的发展,20℃时粉煤灰体系砂浆6 h抗压强度低于基准值。6 h和1 d龄期时,温度对试块抗压强度的影响非常显著,60℃时硅灰体系砂浆6 h抗压强度高达13.39 MPa;随着龄期增长,温度对试块强度的增强作用减弱。温度升高会激发矿物掺合料的火山灰效应,生成C-S-H凝胶填充内部孔隙,提高体系砂浆试块抗压强度。同一温度、龄期下,硅灰体系水化产物中C-S-H凝胶含量多,抗压强度最高。矿粉体系水化程度最高,抗压强度较高。粉煤灰体系中AFt含量最高,但C-S-H凝胶含量少,抗压强度最低。本文对特殊环境下矿物掺合料在喷射混凝土中的应用有指导作用。

凝灰岩粉喷射混凝土的模拟喷射及性能试验研究

开展掺凝灰岩粉喷射混凝土的模拟喷射及性能试验,并对比单掺粉煤灰及复掺粉煤灰与凝灰岩粉的方案。试验结果表明:对比单掺粉煤灰方案,凝灰岩粉的掺入略增加喷射混凝土用水量,但有助于提高拌合物的黏聚性和密实性,降低喷射回弹。喷射混凝土试件满足C25W8F100的设计要求,与岩石的黏结强度在0.89~1.06 MPa,复掺粉煤灰与凝灰岩粉的混凝土强度值略高。研究结果拓展了凝灰岩粉在喷射混凝土中的应用,为新型矿物掺合料的开发与推广应用提供技术支撑。

考虑喷射混凝土耐热性能的高地温隧道支护结构研究

为获得适用于高地温隧道的支护特征曲线,依托某隧道,模拟高地温环境,通过材料组配设计、室内试验等手段,对喷射混凝土耐热性能进行研究。结果表明:配合比为0.45,使用无碱速凝剂、单掺20%矿粉的喷射混凝土,在35℃养护下性能较好。与标准养护条件相比,28 d抗压强度提高了10%,劈拉强度提高了14%。对岩石表面湿润后的干热环境下,其与岩石的黏结强度较高,较标准条件下,强度提高了44%。单掺矿粉替代水泥可降低水化热,在高温环境中能略微提升混凝土的各项性能。喷射混凝土具有明显的时变特性,考虑其时变特性可有助于合理支护时机的选取。研究成果有助于解决高地温隧道的热害问题,亦可为工程中相似热害环境支护问题提供参考。

不同侵蚀环境下喷射混凝土耐久性提升技术及作用机理

为了揭示不同侵蚀环境下喷射混凝土的钙溶蚀行为,并探究羧酸酯型侵蚀抑制剂和硅灰对喷射混凝土抗侵蚀性能的影响,本文通过抗压强度及腐蚀溶液钙离子浓度测试对比了氯化铵溶蚀和复合盐侵蚀作用下喷射混凝土的强度损失率和钙离子溶出率的时变规律,并采用TG分析改性喷射混凝土侵蚀前的孔结构和可溶固相钙含量,最后采用XRD和SEM测试分析混凝土侵蚀后的物相组成和微观形貌。结果表明,复合盐侵蚀作用下较多钙矾石等腐蚀产物填充孔隙,导致混凝土强度损失和钙离子溶出率均低于氯化铵溶蚀。氯化铵溶蚀和复合盐侵蚀作用下,喷射混凝土的强度损失率与钙离子溶出率呈线性相关。4%(质量分数)侵蚀抑制剂+2%(质量分数)硅灰复合的作用效果较佳,可使喷射混凝土复合盐侵蚀28 d后的强度损失率和钙离子溶出率分别较空白组降低46.7%和50.9%。羧酸酯型侵蚀抑制剂和硅灰均可通过细化混凝土孔结构、降低氢氧化钙和钙矾石含量来提升喷射混凝土的耐久性。