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沥青加工工艺
1前言
国投新集能源股份有限公司新集一矿西副井马头门底板下段立井井壁位于以泥岩为主的软弱岩层。
泥岩易风化且遇水膨胀,当井筒掘砌后,周边围岩松动圈在产生、发展过程中出现碎胀变形的同时,破裂岩体产生宏观裂隙,从而导致围岩强度降低,松动圈再次扩大,并且加剧了具有膨胀性岩石的物理化学膨胀和力学膨胀,体积成倍增加,其过程中的岩体膨胀变形压力巨大。
此时,如立井井壁无法承载巨大的膨胀压力,将造成混凝土井壁开裂破坏,因此,泥岩的吸湿膨胀特性可能会导致井壁结构失效。
为保证新集一矿西副井马头门处立井井壁施工的安全可靠性,项目部针对该段软弱岩层,提出采用新型井壁结构,其中沥青板调压滑动层是一种重要复合材料,为确保其力学特性满足设计要求,安徽理工大学地下工程结构研究所在其配合和性能试验基础上,专门进行了加工工艺研究,具体报告如下。
2沥青滑动层材料性能要求
本复合材料的性能是根据材料在新型井壁结构中的作用,并参考以往经验和国内外有关资料,并通过实验试验而确定。
对于调压滑动层材料,由于在井壁外起调压、滑动和缓冲作用,所以要求其具有一定的流变性,适当的压缩性,并具有一定的强度。
也就是说,此材料的使用,既要满足易于地层与井壁间滑动以及调整不均匀地压,以改善井壁受力情况,因此应具备一定的流变性和可压缩性;又要具有一定的强度,方便施工搬运等。
根据多种材料,多种配合的反复试配及筛选,参照要求的性能指标,最后决定采用三种材料复合即沥青、珍珠岩和粉煤灰。
然后又经过进一步的配制得出一种最佳配合比,其物理力学性能指标如下表(表1)
表1沥青调压滑动层材料的物理学参数
使用材料
配比
容重(千克/立方米)
沥青+膨胀珍珠岩+粉煤灰
1:
0.4:
1.1
1093
抗压强度(MPa)
抗剪强度(MPa)
试压温度(℃)
压缩30%
压缩50%
0.8
1.1
﹤0.50
20
3材料特性及来源
沥青滑动板材料以石油沥青油-100甲(或乙)作为粘结材料,膨胀珍珠岩和电厂粉煤灰为其粗细骨料,它们的理化指标及其用量分别由下列表给出。
表2沥青材料的物理性能及技术标准
项目
100号甲
100号乙
针入度(25℃,100g)1/10mm
81-120
81-120
延度(25℃)cm,不小于
80
60
软化点(环球法)℃,不小于
40
40
溶解度(三氯甲浣,四氯化碳或萃)%不小于
99
99
蒸发损失(160℃5b)%不大于
1
1
蒸发后针入度比%不小于
60
60
闪点(开口)℃,不低于
200
200
水分%,不大于
0.2
0.2
表3膨胀珍珠岩材料的化学成分
Si02
A120
C80
K20
Ka20
Fe20
Kg0
烧失量
75.44
14.23
1.51
4.28
2.45
0.73
0.27
1.03
表4膨胀珍珠岩材料的物理性能
项目
单位
指标
项目
单位
指标
容量
Kg/m3
﹤80
常温导热系数
Kca1/m.h.℃
﹤0.045
使用温度
℃
-200-800
M/mc
﹤0.0523
含水率
%
﹤2
颗粒
粒径大于2.5毫米的不超过5%,粒径小于0.15毫米的不大于8%
所使用的粉煤灰要求燃烧较为完全,色浅的粉末状干燥物。
表5每立方沥青滑动层各材料用量
名称
用量
重量(Kg)
体积(m3)
石油道路沥青油-100甲、乙
400
0.379
膨胀珍珠岩
160
2.001
粉煤灰
440
0.65
注:
在生产过程中三种材料均应考虑15%的损耗
各种材料来源广泛,沥青各地石油公司有售;膨胀珍珠岩在南京化机三厂保温材料分厂、杭州保温材料厂等许多地方都生产;粉煤灰为火力发电厂工业废料可就近取材。
3加工工艺
3.1沥青融化
把欲融化的沥青破碎成小块,称取并记录重量后放入加热容器(可以是容量较大的铁锅,这样方便拌料)中。
加热,待沥青完全融化后,继续加热至冒泡,维持二、三分钟,让沥青中水份尽可能地挥发,但应注意不可过火烧焦。
3.2材料拌合
按比例称取已经脱水或晒(烘)干的粉煤灰和膨胀珍珠岩材料,掺在一起翻动几次,基本拌匀,然后一次加入融化的沥青中迅速搅拌,直至均匀。
当环境温度较低时。
搅拌过程中要继续加热,以减少拌合难度。
环境温度在2℃0以上,可不加热。
一次拌合量不宜过多,要根据用料速度灵活掌握。
3.3材料成型
将拌好的沥青拌合物放置冷却至30-40%即可入模压制。
拌合可用人工、铲子(一次拌合量大,还可配合使用扒子等工具)进行。
加工工艺流程如下:
3.3.1模具擦油
为防止沥青拌合料与压制模具间粘连,增加脱模难度,甚至脱碎压成品而不能正常生产,每压一块前都应在模具内表面擦一层黄油或凡士林,也可用滑石粉代替,用滑石粉时不需要像黄油那样完全涂抹,只需抓一把滑石粉撒入模内即可迸满模具,这样可以提高成型速度和效率。
3.3.1入模
把称量好的松散材料放入模具中,若模具中的添料厚薄不均,应略加摊平方可压制。
入模前要控制拌合料的入模温度,拌合料温度过高易粘模和压头,脱模和脱模后压成品易于变形;拌合料温度过低,压制比较困难,不易压实,所需压力大。
入模温度将受到环境温度、成型速度、成型尺寸脱模润滑剂的制约,因此,要视实际生产条件而定,应在生产实践中,合理地选择适宜温度。
3.3.3压力机压制成型
压力机压制时,加力过程要缓慢进行,不得瞬间冲击,以使材料在模具中有充分的时间调整均匀,方可饱满,加压时间可控制在10-20秒之间,时间过长会降低工效,时间过短影响压制效果,加压至预定行程后,要稳压一段时间,一般在20-30秒左右,若适量的压过一点(可根据实验调整)稳压时间可适当地降低至10秒左右或更短一些,卸压速度可尽量加快,以提高产量,卸压时间可设计为5-10秒之间。
3.3.4脱模
脱模工作可用气动缸完成,脱模速度和压力应根据实验而定,以能顺利脱出且保持完整为先决条件,脱模时间可在3-5秒内。
3.3.5清模
当模具或压制油缸头上粘有沥青混合物时,要及时清除,以免继续扩大粘结程度乃至影响成型效果或脱模速度。
清模可用腻刀和钢丝刷等工具,更重要的是清模一定要彻底,否则将达不到预期效果。
4压力参数要求
滑动层材料制作时,成型压力一般在2.0-2.5MPa.为提高成型速度,可适当加大成型压力,但不宜超过2.55MPa,否则将增加压力机等设备的设计和制作难度,提高投资费用。
沥青制品的幅面不宜过大,幅面大自然可以提高加工速度,但相应地要求压力机能力加大,而快大易碎且难脱模,因此应结合现场实际情况即井筒具体尺寸予以合理选择,但根据以往经验,其最大尺寸不宜超过300*400mm2,以此推算压力机的能力应不低于30T,并且要求进缸速度较快,所以选择油泵时应采用大流量的高压泵,满足油缸达到最大行程时间10-30秒,油泵最大行程不得低于150mm,退出速度要尽量加快,最好在5秒内完成,还有一点需要说明的是,压力机活塞头上应有可以调整的限位,防止压过或压程不足,而且要求压程达到时,此限位能够直接压在模具上口上,连模具一起压下,这样可防止压制过程中模具往上移动。
为了提高生产速度,每套压力机上可设计两个或两个以上压头,同步运转。
5模具加工要求
由于所压沥青混合物材料在温度较高,压力较大的情况下,基本呈流体状态,因此材料对模具边框的压力也将达到或接近成型压力,即2.0-2.55MPa,故在模具设计和加工中应考虑这一问题,除应采用较厚的板材或其它型钢外,还要加焊一道或几道加强筋,以增加边框的刚度,防止模具在使用过程中边框发生较大的变形。
具体地说不仅要使边框不产生塑形变形,还应使边框所受最大应力不超过弹性极限的50%,并保证最大变形量不超过3mm。
模具的有效高度应达到压成品厚度的2.5倍以上,因此不小于250mm,若要在其底部衬垫钢板(可防止压制过程中模具上移,沥青材料从模具四周挤出)时,则还应加上此钢板厚度(如10mm),为了方便压头容易进入模具,模具上口亦要留出空余量(15mm即可),因此模具总高度要达到275mm左右高度。
模具边长视具体情况而定,但不宜超过300*400mm2,模具可做成活底或无底均可,这自然要看模具的整体设计需要而定。
模具内表面一定要刨光,以减少脱模阻力。
模具的四条边框可以是整体式的,这样可以保证成型产品的形状规则,但要求边框焊接处焊缝一定要实在牢固。
6产品质量监督
产品质量监控对产品生产者来说是一个十分重要的问题,要组织好产品生产,必须对产品质量进行严格的检验。
6.1产品质量检验和监控原则
6.1.1加工机具试车成功后,即可进行产品试生产,在此期间必须同时进行试产品的质量检验,根据反馈的信息,完善或调整机械的性能或参数,再次生产,检验产品并反馈信息,直至生产出合格产品才能正常批量生产。
此过程用框图表示为
6.1.2在正常生产期间,还必须定期进行产品质量抽检,若发现产品性能或质量波动较大以至不合格,必须及时停机检查,找出问题症结。
6.1.3生产中,若某些会影响到产品质量的因素变化,而对产品的质量怀疑或拿不准,必须立即抽样检查。
6.2材料性能检验方法
6.2.1产品取样
试生产阶段,每次调整过机具后生产6-9块产品,从中任意抽取3块作为试验样品。
正常生产期间,每一验收批任取三块作为抽样样品。
生产条件改变后,对怀疑的产品任取三块作为试验取样。
6.2.2做试件(块)
对所取样的产品用混凝土取芯机在每一块钻取2个尺寸为Φ50*100毫米的试件,分别作为抗压试块和抗剪试块。
每个取样(三块压制品)共钻去6个试块分两组即抗压一组,抗剪一组,皆各来自每次取样的三个压制品。
6.2.3物理参数量取
测量每块压制品的尺寸是否满足设计要求(可在取芯前量测),并对每个试件进行直径和高度的精确测量,以及质量称取,计算此压制品的具体容量。
6.2.4试压
在试压前,先将试块放入20℃标准温度条件下2小时,然后取出进行加载试验,对于抗压强度测定应边加载边读取分级荷载下的压缩量,直至压缩量达到50﹪时止,此时的强度即为本试件的抗压强度。
对于抗剪强度采用特别的加载架测试,试块放正后,连续加载一次剪断,读取最大值,进行搞剪强度评定。
加压时,速度应保持恒定。
抗压试验,加载速度要控制在0.02-0.025MPa/秒之间。
抗剪试验,加载速度控制在每秒0.01-0.025MPa之间。
6.2.5性能分析
根据试验结果对所取样品进行性能分析,对照性能要求进行质量评定,给出判断是否合格(当试块试验参数与设计性能要求相差不超过10﹪时认为合格)。
7生产及运输中的几点注意事项
7.1拌料均匀,保证2MPa的成型压力,以使材料内部落实,保证产品质量。
7.2成型尺寸不宜过大,以便于施工和运输。
7.3运输时不宜堆码过高,强烈挤压,并且应防止日光的强烈照射。
7.4材料应堆放在阴凉处,切勿接近高温热源。
7.5加工或运输中,要轻拿轻放,不要冲击或抛摔。
7.6加工后应冷凉一段时间,方可堆放。
7.7若材料堆放时间较长时,应在二层之间用报纸或其它物隔离,以防相互粘连。
8生产能力预测
若各生产环节衔接谐调,并且加工机具设计符合要求的话,预计每生产一块时间可在40-60秒内完成,那么每小时生产量为0.3-0.45立方米(每块尺寸为400*250*100毫米,下同),当生产人员熟练操作后,每块生产时间可望缩短到30秒左右,此时的生产能力能达到0.6立方米/小时。
以上是针对每套机具有只一个压头而言,若为双压头,产量可提高1.5-2.0倍。
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