利用巖碴的噴射混凝土製備方法及配套的巖碴回收設備與流程
2024-04-15 12:29:05
1.本發明涉及盾構設備施工中巖碴處理設備領域，特別是一種利用巖碴的噴射混凝土製備方法及配套的巖碴回收設備。
背景技術：
2.在中國，面對西部地區的地形特點，修建的水利和鐵路項目多為穿山越嶺的隧道項目。隧道施工過程中會產生大量的巖碴，在城市和平原地區修建的隧道，巖渣方便外運和就地利用，比如填築路基、加固地基以及供建築回填使用。但是，在偏遠的西部，由於道路的限制，隧道產生的巖碴一般很難外運，否則將會產生巨大的運輸成本。目前，現場多採用就地堆砌的方式處理產生的巖碴，這無疑將會給當地脆弱的生態環境造成一定的影響。所以，如果在隧道施工的過程中能夠對巖碴進行原位利用，將會對保護環境和節約成本做出巨大的貢獻。噴射混凝土作為隧道施工初期支護的關鍵材料，在隧道施工中得到了廣泛的應用。粗骨料米石作為噴射混凝土中的關鍵材料，目前主要從採石場購買的方式獲得，在西部地區道路不暢的情況下，大大增加了獲取的難度和成本。因此，亟需採用現場的巖碴進行粗骨料的原位部分替代。
3.目前，關於噴射預製塊的製備和使用方法方面，已將開展了很多研究。cn114920491a公開了「一種降回彈噴射混凝土外加劑及其製備方法」；cn108191354a公開了「噴射混凝土和噴射預製塊的製備方法」；cn114873950a公開了「噴射混凝土用促凝早強劑及其製備方法與使用方法」；cn107721242a公開了「一種速凝噴射混凝土」。以上專利主要研究了提升傳統噴射混凝土的性能的添加劑或者製備方法，對於基於現場巖碴原位回收利用於噴射混凝土的方法鮮有研究。黃少雄等人進行了「高速公路隧道洞渣綜合利用管理研究」；耿彪進行了「高速公路工程中隧道洞渣加工機制砂技術的應用」研究；孫增明等人進行了「川藏鐵路高原長深隧道洞渣減量化資源化方案探析」研究。李勇軍進行了「淺談中條山隧道洞碴再利用」研究。以上研究論文有的提及到了隧道巖碴的綜合利用，有的提及到了用洞碴加工機制砂的方法，但對於將巖碴具體怎麼運用到噴射混凝土，添加量是多少，以及巖碴用於噴射混凝土後的效果，均為提及和公布，並未進行深入的研究。因此，亟需進行現場巖碴用於噴射混凝土的具體研究，以便對現場脆弱的生態環境保護的同時，節省現場的施工成本。
技術實現要素：
4.本發明的目的就是為了解決現有技術中巖碴處理設備的成品利用率低的問題。
5.本發明的具體方案是：設計一種利用巖碴的噴射混凝土製備方法，包括如下步驟：（1）現場巖碴選取：主要包括：（a）在常規施工中，依據盾構施工的前期地質勘查資料，選取巖石等級高於三級圍巖的洞段掘出的厚度大於10mm的巖塊；或者在鑽爆法施工的洞段，選取厚度大於10mm的巖塊；
（2）巖塊力學性能檢測：（a）收集步驟（1）中的巖塊，通過現場點載荷或單軸抗壓強度試驗，選取其中單軸抗壓強度≥60mpa的巖塊，形成原料a；（b）所述原料a利用篩選設備過篩，剔除現場厚度＜15mm的巖塊，形成原料b；（c）檢測原料b的含泥量；（3）巖塊清洗晾乾：僅當原料b的含泥量≤2%時，所述原料b過水清洗後自然晾乾，形成原料c；（4）巖碴破碎收集：使用巖石破碎機將原料c進行破碎，破碎機粒徑設定為5-10mm，形成破碎後的原料d；（5）巖粉加工：所述原料d引入高速研磨機，磨碎成粉以形成原料e，然後使用球磨機將原料e繼續研磨成超細顆粒，使其細度達到0.1~0.3μm，形成原料f；（6）噴射混凝土配製：將原料f做為粗骨料的一部分進行配製，替代率在5%到40%之間，之後混凝土中各物質的質量份數比為：水泥486份，早強劑zq-1型劑1份，水180份，細骨料844份，超細巖粉填充料2份，粗骨料686份，非緩凝型減水劑佔噴射混凝土總質量的1%，生態無鹼速凝劑為佔噴射混泥土總質量的6%；（7）預製塊的製備：（a）將zq-1型早強劑加入水中，充分攪拌10-15min；（b）將水泥、細骨料、粗骨料先加入攪拌機中，幹拌5-8min，使其混合均勻，然後將幹拌料倒入（a）中，並同時加入非緩凝型減水劑，充分攪拌10-15min，其中粗骨料使用現場回收製備的巖碴進行5%-40%的替代；（c）將準備好的超細巖粉填充料加入（b）中，繼續攪拌10-12min，使巖粉在粗細骨料界面處充分填充；將生態無鹼速凝劑加入（c）中，繼續攪拌2min，然後將混凝土裝入標準模具，製備混凝土試塊，待混凝土凝結後，將製備好的混凝土試塊脫模養護；（8）強度複查：針對製備好的混凝土試塊，測試噴射混凝土試塊的1天和7天強度，得到成品d1和d7的硬度值變化範圍，從而得到最佳替代比例。
6.步驟（2）中利用質量精確評估法檢測含泥量。
7.當步驟（3）中含泥量大於2%時，衝洗晾乾後添加碎石後再次測量，直至實現含泥量達標。
8.一種巖碴回收設備，使用上述利用巖碴的噴射混凝土製備方法，按工位順序依次包括安裝在巖碴傳送帶出口的一級篩分設備，處於所述一級篩分設備尾部的手持式質檢臺，處於所述以及篩分設備出口的二級篩分檢測設備，處於所述二級篩分檢測設備出口的巖石破碎機和高速研磨機，處於所述高速研磨機後方的混凝土原料攪拌機，所述二級篩分檢測設備包括篩分機構和含泥量檢測機構。
9.所述二級篩分檢測設備包括送料車和安裝在送料車內的方形料鬥，所述料鬥內又設有方形籠架，所述方形籠架各龍筋間的間隙大於15mm，所述方形籠架的頂部設有吊耳，所述料鬥內設有計量線，且所述料鬥的邊緣線設有防洩漏的密封元件，所述料鬥頂部設有入流管道，底部設有洩流管道；所述料鬥的底部設有重力感應原件以測量料鬥內巖料的重量。
10.所述巖石破碎機的入料口還並聯設有定量落泥的石粉入料口。
11.所述手持式質檢臺包括檢測臺和檢測臺上安置的手持式檢測機，還包括遠程檢測信息屏，所述遠程檢測信息屏的信息輸入端連接後臺伺服器，所述後臺伺服器的輸入端連接單軸抗壓強度試驗實的試驗設備，試驗設備檢測各批次中取樣樣品的強度結果以傳輸至遠程檢測信息屏，同時所述檢測臺的後方設有容納各批次試驗料材的待加工場地。
12.本發明的有益效果在於：
本發明工序簡單，價格低廉，環保無汙染，所製備的高強噴射混凝土能夠在較短的時間內達到很高的強度，對圍巖的封閉起到良好的效果；設計了一套有效的密度檢測和調節設備，一方面可以實現碎料的低成本過濾，另一方面可以結合刻度線，注水量和重力測量，實現對石料密度的評估，從而判定含泥量是否合理，成本低且檢測快速，還可以進一步輔助完成石料的清洗。
附圖說明
13.圖1為石粉填充增強粗細骨料界面強度微觀sem圖；圖2為本發明的製備流程圖；圖3為實施案例1不同時間的抗壓強度；圖4為實施案例12不同時間的抗壓強度；圖5為實施案例3不同時間的抗壓強度；圖6為實施案例4不同時間的抗壓強度；圖7為實施案例5不同時間的抗壓強度；圖8是二級篩分檢測設備的結構示意圖；圖9是巖碴回收設備流程示意圖；圖中各部件名稱：1.方形料鬥；2.方形籠架；3. 吊耳；4. 洩流管道；5. 入流管道；6. 計量線；7.重力感應元件；8. 巖塊；9. 一級篩分設備；10. 手持式質檢臺；11. 篩分機構；12. 石粉入料口；13. 巖石破碎機；14. 高速研磨機；15.碎料收集箱；16.碎料；17. 混凝土原料攪拌機；18.轉運車車架。
具體實施方式
14.以下結合附圖對本發明的優選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優選實施例僅用於說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。
15.實施例1設計一種利用巖碴的噴射混凝土製備方法，包括如下步驟：（1）現場巖碴選取：主要包括：（a）在常規施工中，依據盾構施工的前期地質勘查資料，選取巖石等級高於三級圍巖的洞段掘出的厚度大於10mm的巖塊8；或者在鑽爆法施工的洞段，選取厚度大於10mm的巖塊8；（2）巖塊8力學性能檢測：（a）收集步驟（1）中的巖塊8，通過現場點載荷或單軸抗壓強度試驗，選取其中單軸抗壓強度≥60mpa的巖塊8，形成原料a；（b）所述原料a利用篩選設備過篩，剔除現場厚度＜15mm的巖塊8，形成原料b；（c）檢測原料b的含泥量；（3）巖塊8清洗晾乾：僅當原料b的含泥量≤2%時，所述原料b過水清洗後自然晾乾，形成原料c；（4）巖碴破碎收集：使用巖石破碎機13將原料c進行破碎，破碎機粒徑設定為5-10mm，形成破碎後的原料d；（5）巖粉加工：所述原料d引入高速研磨機14，磨碎成粉以形成原料e，然後使用球磨機將原料e繼續研磨成超細顆粒，使其細度達到0.1~0.3μm，形成原料f；（6）噴射混凝土配製：將原料f做為粗骨料的一部分進行配製，替代率在5%到40%之
間，之後混凝土中各物質的質量份數比為：水泥486份，早強劑zq-1型劑1份，水180份，細骨料844份，超細巖粉填充料2份，粗骨料686份，非緩凝型減水劑佔噴射混凝土總質量的1%，生態無鹼速凝劑為佔噴射混泥土總質量的6%；（7）預製塊的製備：（a）將zq-1型早強劑加入水中，充分攪拌10-15min；（b）將水泥、細骨料、粗骨料先加入攪拌機中，幹拌5-8min，使其混合均勻，然後將幹拌料倒入（a）中，並同時加入非緩凝型減水劑，充分攪拌10-15min，其中粗骨料使用現場回收製備的巖碴進行5%-40%的替代；（c）將準備好的超細巖粉填充料加入（b）中，繼續攪拌10-12min，使巖粉在粗細骨料界面處充分填充；將生態無鹼速凝劑加入（c）中，繼續攪拌2min，然後將混凝土裝入標準模具，製備混凝土試塊，待混凝土凝結後，將製備好的混凝土試塊脫模養護；（8）強度複查：針對製備好的混凝土試塊，測試噴射混凝土試塊的1天和7天強度，得到成品d1和d7的硬度值變化範圍，從而得到最佳替代比例。
16.步驟（2）中利用質量精確評估法檢測含泥量。質量精確評估法採用常用的檢測質量體積核算密度的方法，或者利用密度檢測設備多次檢測取平均值檢測密度的方法。
17.當步驟（3）中含泥量大於2%時，衝洗晾乾後添加碎石後再次測量，直至實現含泥量達標。
18.本實施例中還涉及一種巖碴回收設備，使用上述利用巖碴的噴射混凝土製備方法，按工位順序依次包括安裝在巖碴傳送帶出口的一級篩分設備9，處於所述一級篩分設備9尾部的手持式質檢臺10，處於所述以及篩分設備出口的二級篩分檢測設備，處於所述二級篩分檢測設備出口的巖石破碎機13和高速研磨機14，處於所述高速研磨機14後方的混凝土原料攪拌機17，所述二級篩分檢測設備包括篩分機構11和含泥量檢測機構。
19.所述二級篩分檢測設備包括送料車和安裝在送料車內的方形料鬥1，所述料鬥內又設有方形籠架2，所述方形籠架2各龍筋間的間隙大於15mm，所述方形籠架2的頂部設有吊耳3，所述料鬥內設有計量線6，且所述料鬥的邊緣線設有防洩漏的密封元件，所述料鬥頂部設有入流管道5，底部設有洩流管道4；所述料鬥的底部設有重力感應原件以測量料鬥內巖料的重量。工作過程中，可以通過籠架的反覆提拉，曬分掉厚度不夠的材料，之後再放進料鬥中，加定量的水後，測定內部的液位線和底部的稱重，利用體積、重量和密度的公式及推算方法，變相算出含泥量是否達標。方形料鬥1和籠架的設計在於準運過程中可以有效篩分漏料至碎料收集箱15。具體的，本實施例中，控制如水量為50l,如果刻度線顯示為60l，說明巖塊8的體積為10l，之後結合重力，得出巖塊8的實際密度，再結合巖塊8的種類測量理論密度，中間的差值就是含泥量的影響，反推出該結果下，可能含泥量的誘因，確定含泥量，當含泥量小於2%時，進行下一步，當含泥量不達標時，根據現場工況確定要不要添加外運的石料來降低含泥量。如果現場距離石料廠過遠，運輸成本過高，此批石料暫時不用，或以擱置形式等待後期填埋，或在場備統籌下等待運輸成本低的時機再做處理。
20.所述巖石破碎機13的入料口還並聯設有定量落泥的石粉入料口12。
21.所述手持式質檢臺10包括檢測臺和檢測臺上安置的手持式檢測機，還包括遠程檢測信息屏，所述遠程檢測信息屏的信息輸入端連接後臺伺服器，所述後臺伺服器的輸入端連接單軸抗壓強度試驗實的試驗設備，試驗設備檢測各批次中取樣樣品的強度結果以傳輸至遠程檢測信息屏，同時所述檢測臺的後方設有容納各批次試驗料材的待加工場地。該方法的計量結果接觸遠程信息傳輸，雖然時間長但是更為精確。
22.實施例2本實施例中，巖石單軸抗壓強度為110mpa，然後通過巖塊8清洗晾乾，巖碴破碎收集以及巖粉加工等工序，等待噴射混凝土配製時使用。將1
㎏
的zq-1型早強劑加入180
㎏
的水中，充分攪拌10min；將486 kg的42.5水泥、844 kg河沙、686 kg的5-10mm的碎石先後加入攪拌機中，幹拌8min，使其混合均勻，然後將幹拌料倒入上述溶液中，並同時加入1kg非緩凝型減水劑，充分攪拌12min，其中的一部分碎石通過採石場購買獲得，一部分使用現場回收製備的巖碴進行替代，替代率分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%；將準備好的超細巖粉填充料加入上述攪拌料中，繼續攪拌10min；然後將噴射混凝土裝入密閉的沙漿罐待用；將6%的無鹼速凝劑分別與噴射砂漿在噴射頭處均勻混合在陝西省引漢濟渭引水隧洞工程試噴，效果良好。同時，將製備好的噴射混凝土裝入100*100*100mm的標準模具中，製備混凝土試塊，在室內測試混凝土的性能。
23.實施案例的噴射混凝土的性能測試結果如下表經數據分析，本實施例中巖碴利用極限替代率為35%。
24.實施例2本實施例中，巖塊8單軸抗壓強度為100mpa，然後通過巖塊8清洗晾乾，巖碴破碎收集以及巖粉加工等工序，等待噴射混凝土配製時使用。將2
㎏
的zq-1型早強劑加入360
㎏
的水中，充分攪拌12min；將972 kg水泥、1688 kg河沙、1372 kg的5-10mm的碎石先後加入攪拌機中，幹拌10min，使其混合均勻，然後將幹拌料倒入上述溶液中，並同時加入2kg非緩凝型減水劑，充分攪拌15min，其中的一部分碎石通過採石場購買獲得，一部分使用現場回收製備的巖碴進行替代，替代率分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%；將準備好的超細巖粉填充料加入上述攪拌料中，繼續攪拌12min；然後將噴射混凝土裝入密閉的沙漿罐待用；將6%的無鹼速凝劑分別與噴射砂漿在噴射頭處均勻混合在川藏鐵路色季拉山隧道項目試噴，效果良好。同時，將製備好的噴射混凝土裝入100*100*100mm的標準模具中，製備混凝土試塊，在室內測試混凝土的性能。
25.實施案例的噴射混凝土的性能測試結果如下表
經數據分析，本實施例項目巖碴利用極限替代率為30%。
26.實施例3本實施例中，巖塊8單軸抗壓強度為90mpa，然後通過巖塊8清洗晾乾，巖碴破碎收集以及巖粉加工等工序，等待噴射混凝土配製時使用。將1
㎏
的zq-1型早強劑加入180
㎏
的水中，充分攪拌11min；將486 kg水泥、844 kg河沙、686 kg的5-10mm的碎石先後加入攪拌機中，幹拌10min，使其混合均勻，然後將幹拌料倒入上述溶液中，並同時加入1kg非緩凝型減水劑，充分攪拌15min，其中的一部分碎石通過採石場購買獲得，一部分使用現場回收製備的巖碴進行替代，替代率分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%；將準備好的超細巖粉填充料加入上述攪拌料中，繼續攪拌12min；然後將噴射混凝土裝入密閉的沙漿罐待用；將6%的無鹼速凝劑分別與噴射砂漿在噴射頭處均勻混合在二期輸水工程隧洞項目試噴，效果良好。同時，將製備好的噴射混凝土裝入100*100*100mm的標準模具中，製備混凝土試塊，在室內測試混凝土的性能。
27.實施案例的噴射混凝土的性能測試結果如下表本實施例中巖碴利用極限替代率為30%。
28.實施例4本實施例中，巖塊8單軸抗壓強度為80mpa，然後通過巖塊8清洗晾乾，巖碴破碎收集以及巖粉加工等工序，等待噴射混凝土配製時使用。將2
㎏
的zq-1型早強劑加入360
㎏
的水中，充分攪拌12min；將972 kg水泥、1688 kg河沙、1372 kg的5-10mm的碎石先後加入攪拌機中，幹拌10min，使其混合均勻，然後將幹拌料倒入上述溶液中，並同時加入2kg非緩凝型減水劑，充分攪拌15min，其中的一部分碎石通過採石場購買獲得，一部分使用現場回收製備的巖碴進行替代，替代率分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%；將準備好的超細巖粉填充料加入上述攪拌料中，繼續攪拌12min；然後將噴射混凝土裝入密閉的沙漿罐待用；將6%的無鹼速凝劑分別與噴射砂漿在噴射頭處均勻混合在隧道項目試噴，效果良好。同時，
將製備好的噴射混凝土裝入100*100*100mm的標準模具中，製備混凝土試塊，在室內測試混凝土的性能。
29.實施案例的噴射混凝土的性能測試結果如下表本實施例中巖碴利用極限替代率為25%。
30.實施例5本實施例中，巖石單軸抗壓強度為90mpa，然後通過巖塊8清洗晾乾，巖碴破碎收集以及巖粉加工等工序，等待噴射混凝土配製時使用。將1
㎏
的zq-1型早強劑加入180
㎏
的水中，充分攪拌10min；將486 kg水泥、844 kg河沙、686 kg的5-10mm的碎石先後加入攪拌機中，幹拌8min，使其混合均勻，然後將幹拌料倒入上述溶液中，並同時加入1kg非緩凝型減水劑，充分攪拌12min，其中的一部分碎石通過採石場購買獲得，一部分使用現場回收製備的巖碴進行替代，替代率分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%；將準備好的超細巖粉填充料加入上述攪拌料中，繼續攪拌10min；然後將噴射混凝土裝入密閉的沙漿罐待用；將6%的無鹼速凝劑分別與噴射砂漿在噴射頭處均勻混合在隧洞工程試噴，效果良好。同時，將製備好的噴射混凝土裝入100*100*100mm的標準模具中，製備混凝土試塊，在室內測試混凝土的性能。
31.實施案例的噴射混凝土的性能測試結果如下表經數據分析，雲本實施例中巖碴利用極限替代率為30%最後應說明的是：以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，對於本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。