膨脹充填材料工程力學(xué)特性的試驗(yàn)研究及應(yīng)用

馮志強(qiáng)，馬磊磊，管品武，唐 威，鄭 峰

(1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450000；2.鄭州市市政工程管理處，河南 鄭州 450000；3.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；4.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013；5.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013)

充填開(kāi)采是實(shí)現(xiàn)資源安全、綠色環(huán)保、高效開(kāi)采的重要開(kāi)采方式，充填材料的選擇及充填材料工程力學(xué)特性是充填開(kāi)采的核心組成部分。國(guó)內(nèi)外科研工作者和現(xiàn)場(chǎng)工作人員對(duì)充填材料進(jìn)行了大量的研究，取得了較多的研究成果，然而，充填材料的成本、使用后的力學(xué)特性、充填效果及充填接頂問(wèn)題等還需要不斷深入研究[1-3]。

充填接頂問(wèn)題關(guān)系到充填效果和充填體的承載強(qiáng)度。充填接頂率表示充填過(guò)程中充填材料接頂?shù)亩嗌?，充填接頂率越大，充填材料接頂越多，充填效果越好，反之，充填接頂率越小，充填材料接頂越少，充填效果越差，造成頂板冒落，巷道變形?yán)重，支護(hù)不穩(wěn)，危及施工人員和作業(yè)人員的安全等。已有文獻(xiàn)[4-5]研究了煤矸石不同配比下的泡沫混凝土性質(zhì)，利用正交試驗(yàn)對(duì)泡沫膏體充填材料進(jìn)行了配比優(yōu)化，得到了最佳配比，對(duì)不同泡沫混凝土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，并對(duì)煤礦采空區(qū)進(jìn)行了充填。泡沫混凝土[6-7]作為充填材料的研究剛剛起步，本文研究了含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土膨脹材料的動(dòng)靜載試驗(yàn)，使用雙氧水作為發(fā)泡劑，分析了泡沫混凝土充填材料的混合方法以及強(qiáng)度特征等，為泡沫混凝土膨脹充填材料在采礦工程中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 材料

制作泡沫混凝土的原材料是普通水泥、砂子、粉煤灰、水和預(yù)制泡沫。水灰比(W/C)為0.5。①水泥：水泥使用42.5R的普通水泥，水泥的性質(zhì)和具體組成見(jiàn)表1。②砂子：以2 520 kg/cm3的密度為粗骨料，實(shí)際顆粒小于5 mm，平均細(xì)度模數(shù)為2.5。③粉煤灰：粉煤灰作為細(xì)骨料平均顆粒直徑為15 μm，密度為2 400 kg/cm3的Ⅰ級(jí)粉煤灰。④發(fā)泡劑：濃度30%的工業(yè)過(guò)氧化氫作為發(fā)泡劑。在MnO2催化下，H2O2分解并釋放氧氣作為泡沫的來(lái)源。通過(guò)調(diào)節(jié)H2O2和MnO2的數(shù)量，可以調(diào)節(jié)發(fā)泡率和發(fā)泡能力。⑤穩(wěn)泡劑：硬脂酸鈣(C36H70CaO4)作為一種泡沫穩(wěn)定劑(1%的干物質(zhì))可以完全與干燥材料混合，泡沫穩(wěn)定是H2O2作為泡沫劑制備泡沫混凝土的必要條件，穩(wěn)定的泡沫可以避免泡沫的相互連接，從而防止表面泥漿泡沫的外溢。 ⑥水：自來(lái)水。

表1 水泥的性質(zhì)與組成Table 1 Properties and composition of cement

1.2 混合比例

泡沫混凝土的混合比和方法沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[8-9]。 根據(jù)選定的粉煤灰、砂、水泥、水的密度作為基本指標(biāo)，計(jì)算泡沫混凝土的設(shè)計(jì)密度。 泡沫混凝土的設(shè)計(jì)密度為1 000 kg/m3、1 200 kg/m3、1 400 kg/m3，具體的混合比見(jiàn)表2。

表2 泡沫混凝土的組成含量Table 2 Composition content of foam concrete

泡沫混凝土的材料混合設(shè)計(jì)密度為：水泥-砂(粉煤灰)-泡沫(雙氧水)-水原料混合比在泡沫混凝土中的關(guān)系見(jiàn)式(1)～式(6)。

ρm=Sa(Mc+Mfa)

(1)

ρm=Sa(Mc+Ms)

(2)

Mw=φ(Mc+Mfa)

(3)

Mw=φMc

(4)

Mfa=λMc

(5)

Ms=λMc

(6)

式中：ρm為泡沫混凝土的設(shè)計(jì)密度，kg/m3；Sa為質(zhì)量系數(shù)，而普通硅酸鹽水泥則為1.2；Mc為每立方體泡沫混凝土中使用的水泥用量，kg；Ms為每立方體泡沫混凝土中的砂量，kg；Mfa為每立方米泡沫混凝土中粉煤灰的含量，kg；Mw為每立方體泡沫混凝土中的水使用量，kg；φ為水灰比；λ為水泥的替代量。

水泥、砂和水的總體積計(jì)算見(jiàn)式(7)，每立方泡沫混凝土的泡沫體積計(jì)算見(jiàn)式(8)。

(7)

V2=k(1-V1)

(8)

式中：V1為水泥、砂和水的總體積，m3；V2為每立方泡沫混凝土的泡沫體積，m3；ρfa為砂的密度，kg/m3；ρc為水泥的密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；K為富裕系數(shù)，一般取1.1～1.4。

發(fā)泡劑的質(zhì)量計(jì)算見(jiàn)式(9)。

(9)

式中：Mf為每立方米泡沫混凝土中發(fā)泡劑的質(zhì)量，kg；Mh為根據(jù)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生1 mol氣體所需發(fā)泡劑的質(zhì)量，kg；β為發(fā)泡劑的純度。

1.3 制作方法

泡沫混凝土的制備過(guò)程對(duì)泡沫混凝土的密度、氣泡分布、形狀、大小都有非常大的影響。本實(shí)驗(yàn)中用H2O2分解產(chǎn)生氣泡作為發(fā)泡劑，通過(guò)控制H2O2和二氧化錳控制發(fā)泡量，從而控制泡沫混凝土的密度。 將水泥、砂等原材料按預(yù)定的計(jì)量放入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，攪拌約1 min至均勻，攪拌均勻后加入水、發(fā)泡劑，攪拌均勻，將混合物倒入Φ50 mm×100 mm的圓柱形塑料模具成型。24 h后脫模，并將泡沫混凝土放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，溫度=20 ℃±2 ℃，相對(duì)濕度>95%。分別對(duì)密度為1 000 kg/m3、1 200 kg/m3、1 400 kg/m3，以及泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d、7 d、14 d、28 d的泡沫混凝土取試樣利用電控微機(jī)伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)測(cè)試。

2 膨脹充填材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度

根據(jù)含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土的單軸試驗(yàn)，得到了兩種膨脹充填材料的力學(xué)特征。采用電控微機(jī)伺服試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試50 mm×100 mm的圓柱試樣。先對(duì)兩種泡沫混凝土的兩端進(jìn)行了拋光，以減少壓板和泡沫混凝土試樣之間的摩擦，從而減少了對(duì)試樣橫向變形的影響。從開(kāi)始加載到破壞，泡沫混凝土不開(kāi)裂，當(dāng)繼續(xù)接近或達(dá)到最大負(fù)載，一個(gè)小裂縫出現(xiàn)在試樣的中下部分，然后繼續(xù)加載，隨著壓力的增加，裂縫也開(kāi)始增加，裂縫的擴(kuò)展延伸到主裂紋，試樣開(kāi)始破壞和斷裂。28 d含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 28 d含砂泡沫混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curve of foam concrete withsand on 28 d

圖2 28 d含粉煤灰泡沫混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of foam concrete withfly ash on 28 d

通過(guò)泡沫混凝土的單軸壓縮試驗(yàn)，得到了不同密度、不同齡期的膨脹充填材料泡沫混凝土的力學(xué)性能，以泡沫混凝土28 d的應(yīng)力-應(yīng)變曲線說(shuō)明泡沫混凝土的變化規(guī)律[10]。泡沫混凝土基本上經(jīng)歷了4個(gè)過(guò)程。①?gòu)椥噪A段(A)。初始空隙與裂隙在發(fā)生閉合，空隙裂隙閉合后，泡沫混凝土發(fā)生彈性變形，此時(shí)應(yīng)力與應(yīng)變基本成線性關(guān)系。隨著壓力的不斷增大，泡沫混凝土的內(nèi)部出現(xiàn)塑性變形。②應(yīng)力下降階段(B)。泡沫混凝土應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)，泡沫混凝土開(kāi)始破壞，此時(shí)的應(yīng)力開(kāi)始下降。③平臺(tái)階段(C)。隨著荷載的不斷增加，泡沫混凝土出現(xiàn)一個(gè)平臺(tái)階段，此時(shí)泡沫混凝土中泡沫的孔壁具有一定的抗壓能力。④壓密階段(D)。載荷繼續(xù)增加，泡沫混凝土并沒(méi)有立即破壞，而是仍然具有一定的抗壓能力，泡沫混凝土中的空隙繼續(xù)被壓密，直至泡沫混凝土完全破壞。對(duì)比28 d含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線，同一密度下，含粉煤灰的極限抗壓強(qiáng)度大于含砂泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.2 動(dòng)載應(yīng)力應(yīng)變曲線

含砂泡沫混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和含粉煤灰泡沫混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力值均隨沖擊速度的增大而增大[11]。 如圖3和圖4所示，分別為密度為1 400 kg/m3含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土在沖擊速度為4.0 m/s、5.0 m/s、6.0 m/s時(shí)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。泡沫混凝土的動(dòng)力破壞可分為線彈性階段、屈服階段和孔壁破壞階段三個(gè)階段。①線性彈性階段：泡沫混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)支持一定的壓力，隨著的應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似線性彈性行為，表明初始孔隙空間內(nèi)的泡沫混凝土不能滲透。②屈服階段：隨著荷載的不斷增加，最終超過(guò)泡沫混凝土試件孔隙結(jié)構(gòu)的最大壓力，塑性應(yīng)變顯著增加，泡沫混凝土孔隙開(kāi)始發(fā)生塑性破壞，發(fā)生脆性破壞。③孔隙壁破壞階段：泡沫混凝土孔隙在動(dòng)荷載作用下達(dá)到應(yīng)力峰值后迅速膨脹，泡沫混凝土試件開(kāi)始出現(xiàn)宏觀損傷。當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到最大應(yīng)力值時(shí)，泡沫混凝土內(nèi)部孔隙壁在壓實(shí)過(guò)程中開(kāi)始發(fā)生破壞。試件的抗壓能力逐漸降低，泡沫混凝土試件內(nèi)部形成宏觀斷裂面。泡沫混凝土孔隙結(jié)構(gòu)完全破壞后，試件不再受荷載作用。

圖3 1 400 kg/m3含砂泡沫混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of 1 400 kg/m3foam concrete with sand

圖4 1 400 kg/m3含粉煤灰泡沫混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of 1 400 kg/m3foam concrete with fly ash

3 膨脹充填材料的抗壓強(qiáng)度

對(duì)比膨脹充填材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，養(yǎng)護(hù)28 d后，含砂泡沫混凝土的極限抗壓強(qiáng)度為3.34 MPa、4.20 MPa、5.47 MPa，含粉煤灰泡沫混凝土的極限抗壓強(qiáng)度為5.24 MPa、6.20 MPa、6.69 MPa。不論是含砂泡沫混凝土或含粉煤灰泡沫混凝土，隨著密度的增大，抗壓強(qiáng)度也增大。密度與含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土極限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖5和圖6所示。

圖5 28 d含砂泡沫混凝土的密度-極限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.5 Density-ultimate compressive strength curve offoam concrete with sand on 28 d

圖6 28 d含粉煤灰泡沫混凝土的密度-極限抗壓強(qiáng)度曲線Fig.6 Density-ultimate compressive strength curve offoam concrete with fly ash on 28 d

4 不同齡期泡沫混凝土強(qiáng)度特征

由于泡沫混凝土含有大量的空隙，泡沫混凝土水分在蒸發(fā)過(guò)程中比普通混凝土所需時(shí)間更長(zhǎng)，泡沫混凝土的膠結(jié)材料為水泥，水分蒸發(fā)慢，水泥固化速度較慢。隨著泡沫混凝土齡期越長(zhǎng)，泡沫混凝土的固化程度越高，泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度越大。含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間與峰值應(yīng)力關(guān)系曲線如圖7和圖8所示。

圖7 含砂泡沫混凝土的齡期-極限應(yīng)力曲線Fig.7 Age-limit stress curve of foam concrete with sand

圖8 含粉煤灰泡沫混凝土的齡期-極限應(yīng)力曲線Fig.8 Age-limit stress curve of foam concrete with fly ash

5 動(dòng)靜載關(guān)系及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

5.1 泡沫混凝土動(dòng)靜加載關(guān)系

泡沫混凝土的材料密度對(duì)其力學(xué)性能有一定的影響。隨著密度的增加，泡沫混凝土的屈服強(qiáng)度、平臺(tái)應(yīng)力和能量吸收能力均有明顯提高[12-13]。泡沫混凝土的應(yīng)力隨密度的增大而增大，含粉煤灰泡沫混凝土與含砂泡沫混凝土表現(xiàn)出不同的特性，含粉煤灰泡沫混凝土的抗壓強(qiáng)度高于含砂泡沫混凝土。應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出不同的階段，可以用孔隙結(jié)構(gòu)的函數(shù)來(lái)解釋。材料的強(qiáng)度通常是孔隙率的函數(shù)，但在本文中，密度增加20%并不會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度的顯著提高。這與制備泡沫混凝土所使用的材料、發(fā)泡劑種類(lèi)和養(yǎng)護(hù)工藝有關(guān)，在本文中，這種現(xiàn)象主要是由發(fā)泡劑引起的。

泡沫混凝土的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度大于靜態(tài)抗壓強(qiáng)度。泡沫混凝土在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下，具有明顯的延性和韌性。在準(zhǔn)靜載荷作用下破壞模式為壓實(shí)破壞，動(dòng)力破壞模式為逐層破壞，如圖9所示。

圖9 泡沫混凝土破壞模式Fig.9 Failure mode of foam concrete

5.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

陜西某礦工作面采用回采，通過(guò)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，原煤層開(kāi)采時(shí)存在多條空巷和采空區(qū)，采空區(qū)巷道幫部變形嚴(yán)重，影響了工作面的正?；夭?。在試驗(yàn)段巷道布置充填鉆孔，可以有效保證充填高度。在巷道中心線兩側(cè)各設(shè)置4個(gè)主要充填鉆孔，孔間距3 m，充填材料選擇密度為1 000 kg/m3的含粉煤灰泡沫混凝土。

通過(guò)對(duì)主要充填鉆孔進(jìn)行取樣,制作標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)計(jì)為1 000 kg/m3含粉煤灰泡沫混凝土充填材料現(xiàn)場(chǎng)取樣密度為1 028 kg/m3，可以滿足礦井安全開(kāi)采對(duì)充填材料的要求。通過(guò)對(duì)充填區(qū)域進(jìn)行鉆孔窺視檢驗(yàn)充填泡沫混凝土的狀態(tài)和效果可知，泡沫混凝土在頂板充填后，能夠和頂板充分接實(shí)，達(dá)到接頂目的，說(shuō)明泡沫混凝土作為充填材料起到了很好的效果。

6 結(jié) 論

1) 膨脹充填材料泡沫混凝土不論含砂或含粉煤灰，單軸應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程基本上都經(jīng)歷了4個(gè)過(guò)程：彈性階段、應(yīng)力下降階段、平臺(tái)階段和壓密階段，沖擊荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為3個(gè)階段：線彈性階段、屈服階段、孔壁破壞階段。

2) 泡沫混凝土的強(qiáng)度隨著密度的增大而增大，隨著氣泡的增多而減小。相同密度下，含粉煤灰泡沫混凝土極限抗壓強(qiáng)度大于含砂泡沫混凝土極限強(qiáng)度。

3) 膨脹充填材料泡沫混凝土的極限應(yīng)力隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大，隨著泡沫混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，泡沫混凝土的應(yīng)力增長(zhǎng)速率逐漸減少。泡沫混凝土在準(zhǔn)靜態(tài)荷載作用下，具有明顯的延性和韌性。在準(zhǔn)靜載荷作用下破壞模式為壓實(shí)破壞，動(dòng)力破壞模式為逐層破壞。

4) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，泡沫混凝土充填材料可以滿足煤礦充填開(kāi)采的應(yīng)用，對(duì)泡沫混凝土的在煤礦中的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。