改性脫硫石膏基噴射混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用與監(jiān)測(cè)

榮傳新，錢立德，王 彬，程 樺，宋海清，李冠豪，李 琳

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

“濕式石灰石-石膏法脫硫”是目前應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硫工藝[1]，隨著該項(xiàng)技術(shù)的推廣使用，全世界范圍內(nèi)的SO2的排放量已經(jīng)成功得到了控制，與此同時(shí)作為該項(xiàng)工藝的副產(chǎn)品-脫硫石膏的排放量卻大幅增加，與粉煤灰一樣，煙氣脫硫石膏已成為第二大固體廢棄物，其堆儲(chǔ)和外運(yùn)的壓力逐漸成為困擾社會(huì)發(fā)展的一大難題[2-3]。如何提高煙氣脫硫石膏的綜合利用率，減少煙氣脫硫石膏這種工業(yè)副產(chǎn)物大量堆放帶來(lái)的占地和二次污染的難題，已經(jīng)成為當(dāng)前社會(huì)普遍關(guān)心的議題。

近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，作為第一大固體廢棄物的粉煤灰在建材制品、高分子制品、廢水以及廢氣處理等方面都得到了成功的運(yùn)用[4-6]，粉煤灰混凝土更是已經(jīng)成為土木工程中一種不可或缺的高性能材料[7]，粉煤灰已經(jīng)逐漸從一種固體廢棄物轉(zhuǎn)換成一種具有較高利用價(jià)值的資源，這為解決脫硫石膏大量堆棄的問(wèn)題提供了重要啟示。基于此，近些年國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)脫硫石膏的材料屬性進(jìn)行了探究[8-11]，并對(duì)脫硫石膏在環(huán)境治理以及建筑材料中的運(yùn)用進(jìn)行了可行性研究[12-15]，研究成果表明，改性后的脫硫石膏與水泥具有比較接近的材料屬性，可以替代水泥作為混凝土的膠凝材料[16-17]，因此，在上述已有研究成果的基礎(chǔ)上，本文擬將改性后的脫硫石膏替代水泥作為膠凝材料應(yīng)用到巷道噴層支護(hù)中，并對(duì)這種改性脫硫石膏基噴射混凝土噴層的支護(hù)效果進(jìn)行了研究。

1 材料特性

為了研究改性脫硫石膏基混凝土的材料屬性與水泥基混凝土屬性的差異，分別對(duì)以兩種材料為膠凝材料的混凝土進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析改性脫硫石膏(以下簡(jiǎn)稱“石膏”)替代水泥作為膠凝材料的可行性。

對(duì)兩種混凝土材料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)時(shí)，水泥基噴射混凝土采用井下噴漿料常規(guī)的配合比為：水泥∶瓜子片∶砂∶水=1∶2.1∶1.9∶0.46(加3%速凝劑)，由于石膏和水泥的需水量不同，石膏噴射混凝土的用水量是通過(guò)坍落度和擴(kuò)展度這兩個(gè)指標(biāo)與水泥基噴射混凝土基本保持一致為前提進(jìn)行確定的，最終確定脫硫石膏基噴射混凝土的配合比為：改性脫硫石膏母料：瓜子片∶砂∶水=1∶2.1∶1.9∶0.33。

兩種混凝土養(yǎng)護(hù)28d后的力學(xué)性能參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 兩種混凝土的材料屬性對(duì)比

注：試驗(yàn)所用水泥為淮南礦區(qū)井下噴漿常用的八公山牌P·O32.5水泥；抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度都是28d期齡的混凝土的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，脫硫石膏基混凝土的力學(xué)性能與普通水泥基混凝土基本一致，滿足噴層支護(hù)材料的力學(xué)性能要求。

2 現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果監(jiān)測(cè)與分析

在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)時(shí)，對(duì)普通混凝土噴層和改性脫硫石膏基噴層的受力及變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的分析來(lái)對(duì)改性脫硫石膏基噴射混凝土的支護(hù)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)測(cè)站布置

現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)在淮滬煤電丁集煤礦東二11-2軌道大巷上部車場(chǎng)1341(1)高抽巷聯(lián)巷進(jìn)行，如圖1所示，巷道所屬巖層的巖性為中砂巖，巷道斷面尺寸如圖2所示。共布置3個(gè)測(cè)站，1#、2#測(cè)站位于改性脫硫石膏噴射段，3#測(cè)站位于普通混凝土噴射段。

現(xiàn)場(chǎng)每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面噴層處測(cè)點(diǎn)的傳感元件布設(shè)如圖2所示。每個(gè)測(cè)試斷面在拱頂、兩肩和兩幫共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)埋設(shè)鋼筋計(jì)8個(gè)，混凝土應(yīng)變計(jì)8個(gè)。

圖1 丁集煤礦試驗(yàn)巷道測(cè)站位置示意圖

在實(shí)際噴射過(guò)程中能夠觀察到在不添加速凝劑的前提下，改性脫硫石膏基噴射混凝土具有硬化時(shí)間快、無(wú)流淌、粘著力強(qiáng)、回彈料少等特點(diǎn)。

2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

將三個(gè)監(jiān)測(cè)站對(duì)應(yīng)的改性脫硫石膏基混凝土噴層支護(hù)結(jié)構(gòu)以及水泥基混凝土噴層支護(hù)結(jié)構(gòu)的環(huán)向以及軸向的鋼筋計(jì)和混凝土應(yīng)變計(jì)的監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制成曲線圖，通過(guò)鋼筋的應(yīng)力以及混凝土的應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律來(lái)判斷兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)效果(其中受拉為正，受壓為負(fù))。

1)巷道環(huán)向鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變

三個(gè)監(jiān)測(cè)站處噴層支護(hù)結(jié)構(gòu)環(huán)向鋼筋應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 噴層結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測(cè)傳感元件布置圖

(a)1#測(cè)站環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律 (b)2#測(cè)站環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律

(c)3#測(cè)站環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律 (d)各測(cè)站環(huán)向鋼筋應(yīng)力在不同位置的分布規(guī)律(75d)圖3 各測(cè)站環(huán)向鋼筋應(yīng)力分布圖

由圖3可見，巷道頂部的環(huán)向鋼筋處于受拉狀態(tài)，其余測(cè)點(diǎn)的鋼筋處于受壓狀態(tài)。截止到監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)刻，兩個(gè)石膏噴層監(jiān)測(cè)面處的環(huán)向鋼筋最大壓應(yīng)力分別為-160.1MPa、-58.5MPa，水泥噴層監(jiān)測(cè)面的環(huán)向鋼筋最大壓應(yīng)力為-57.6MPa，均小于鋼筋的屈服強(qiáng)度；兩個(gè)石膏噴層監(jiān)測(cè)面處的環(huán)向鋼筋最大拉應(yīng)力分別為13.6MPa、7.7MPa，水泥噴層監(jiān)測(cè)面鋼筋最大拉應(yīng)力為33.5MPa，均小于鋼筋的屈服強(qiáng)度。

3個(gè)測(cè)站對(duì)應(yīng)的2種混凝土噴層支護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土環(huán)向應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

(a)1#測(cè)站混凝土環(huán)向應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律 (b)2#測(cè)站混凝土環(huán)向應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律

(c)3#測(cè)站混凝土環(huán)向應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律 (d) 各測(cè)站混凝土環(huán)向應(yīng)變不同位置的分布規(guī)律(75d)圖4 各測(cè)站對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)混凝土環(huán)向應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線圖

由圖4可見，1#測(cè)站的石膏混凝土噴層右肩部的環(huán)向應(yīng)變隨著支護(hù)時(shí)間的增加而不斷增大，其余測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨時(shí)間的變化幅度較?。?#測(cè)站石膏混凝土噴層的左肩部應(yīng)變隨著支護(hù)時(shí)間的增加而不斷增大，其余測(cè)點(diǎn)混凝土環(huán)向應(yīng)變基本保持不變，這主要是由于石膏混凝土在后期的膨脹變形較小所致；3#測(cè)站水泥混凝土在巷道頂部的環(huán)向壓應(yīng)變?cè)谥ёo(hù)初期呈近似線性增長(zhǎng)，這主要是由于混凝土收縮變形所致。在監(jiān)測(cè)后期，三個(gè)測(cè)站的混凝土環(huán)向應(yīng)變已基本趨于穩(wěn)定。

在監(jiān)測(cè)過(guò)程中，1#、2#測(cè)站石膏混凝土的環(huán)向壓應(yīng)變最大值為-808.6με、-355.2με，3#測(cè)站水泥混凝土的環(huán)向壓應(yīng)變最大值為-101.8με；1#、2#測(cè)站石膏混凝土的環(huán)向拉應(yīng)變最大值為57.3με、40.3με，3#測(cè)站混凝土環(huán)向拉應(yīng)變最大值為143.6με。

在監(jiān)測(cè)的第75d，噴層支護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土環(huán)向應(yīng)變?cè)诓煌恢玫姆植家?guī)律如圖4(d)所示，除拱頂位置以外，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體處于受壓狀態(tài)，通過(guò)對(duì)比，水泥混凝土噴層在拱頂位置的拉應(yīng)變較大，而石膏混凝土噴層的拱肩位置的壓應(yīng)變較大。

2)巷道軸向鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變

各監(jiān)測(cè)站軸向鋼筋應(yīng)力以及應(yīng)變的測(cè)試結(jié)果如圖5～圖6所示。

(a)1#測(cè)站軸向鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律

(b)2#測(cè)站軸向鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律

(c)3#測(cè)站軸向鋼筋應(yīng)力隨時(shí)間變化規(guī)律圖5 各監(jiān)測(cè)測(cè)站軸向鋼筋應(yīng)力分布

由測(cè)試結(jié)果可知，1#測(cè)站的鋼筋軸向應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，拱頂位置以及拱肩位置的鋼筋軸向應(yīng)力在經(jīng)歷了支護(hù)初期的快速增長(zhǎng)階段之后，逐漸進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，拱肩位置的應(yīng)力持續(xù)增長(zhǎng)至支護(hù)后的60d，最大拉應(yīng)力達(dá)到38.6MPa，而拱頂位置的應(yīng)力增長(zhǎng)階段僅持續(xù)了10d，最大拉應(yīng)力達(dá)到13.1MPa；2#測(cè)站的鋼筋軸向應(yīng)力在監(jiān)測(cè)前期一直處于波動(dòng)狀態(tài)，但波動(dòng)幅度較小，拱頂位置的最大應(yīng)力達(dá)到-4.3MPa，拱肩位置的最大應(yīng)力達(dá)到7.2MPa，在監(jiān)測(cè)時(shí)段后期，應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)；3#測(cè)站的鋼筋軸向應(yīng)力由于受水泥水化熱釋放的影響，在監(jiān)測(cè)初期應(yīng)力快速增長(zhǎng)，隨著水泥水化熱釋放結(jié)束，拱頂以及拱肩位置的鋼筋軸向應(yīng)力逐漸減小，并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)，噴層支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂位置，應(yīng)力值達(dá)到26.5MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱肩位置，應(yīng)力值達(dá)到-33.4MPa。整個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段中，3個(gè)監(jiān)測(cè)站的鋼筋軸向應(yīng)力均小于鋼筋的屈服強(qiáng)度。

(a)1#測(cè)站軸向混凝土應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律

(b)2#測(cè)站軸向混凝土應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律

(c)3#測(cè)站軸向混凝土應(yīng)變隨時(shí)間變化規(guī)律圖6 各監(jiān)測(cè)面軸向混凝土應(yīng)變分布

由圖6可知，1#測(cè)站各測(cè)點(diǎn)軸向混凝土應(yīng)變表現(xiàn)為拉應(yīng)變，兩側(cè)拱肩位置的應(yīng)變隨著支護(hù)時(shí)間的增加而不斷增大，拱頂位置的應(yīng)變表現(xiàn)較為穩(wěn)定，拱肩位置以及拱頂位置應(yīng)變最大值分別達(dá)到230.4με以及30.3με；2#測(cè)站各測(cè)點(diǎn)軸向混凝土應(yīng)變主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變，在監(jiān)測(cè)時(shí)間段內(nèi)，應(yīng)變一直處于上下波動(dòng)狀態(tài)，但波動(dòng)范圍較小，拱肩位置應(yīng)變最大值達(dá)到-37.5με以及10.3με；3#測(cè)站巷道頂部的混凝土應(yīng)變表現(xiàn)為拉應(yīng)變，兩側(cè)拱肩位置為壓應(yīng)變，各測(cè)點(diǎn)在支護(hù)前期應(yīng)變快速增大，隨后進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，拱頂位置應(yīng)變的最大值達(dá)到193.5με，拱肩位置的應(yīng)變最大值達(dá)到105.2με。

3 結(jié)論

(1)改性脫硫石膏基混凝土噴層支護(hù)結(jié)構(gòu)與水泥基混凝土噴層支護(hù)結(jié)構(gòu)一樣都具有較好的承載能力，可以達(dá)到巷道噴層支護(hù)的承載力標(biāo)準(zhǔn)。

(2)兩個(gè)監(jiān)測(cè)站處石膏混凝土的環(huán)向拉應(yīng)變最大值分別為57.3με、40.3με，而水泥混凝土的環(huán)向拉應(yīng)變最大值為143.6με，表明改性脫硫石膏基噴射混凝土具有較好的抗變形能力。

(3)現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)效果顯示，與水泥基噴射混凝土相比，石膏基混凝土具有硬化時(shí)間快、無(wú)流淌、粘著力強(qiáng)、回彈料少等特點(diǎn)，且石膏混凝土沒有明顯的水化熱釋放過(guò)程，在整個(gè)支護(hù)過(guò)程中，性質(zhì)比較穩(wěn)定，是一種優(yōu)良的噴射支護(hù)材料。