摻入爐底渣制備巷道支護(hù)砂漿的試驗(yàn)研究

劉志強(qiáng) 王 亮,2,3 韋于彪 王 浩 劉 洋

(1. 安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院， 安徽 淮南 232001;2. 安徽理工大學(xué) 環(huán)境工程博士后流動(dòng)站， 安徽 淮南 232001;3. 淮北礦業(yè)股份有限公司 博士后工作站， 安徽 淮北 235000)

0 前 言

隨著煤炭資源的持續(xù)開采，淺層煤炭資源逐漸趨于枯竭，深部煤炭開采將成必然趨勢(shì)[1]。在深部開采過程中，由于巖體所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，存在內(nèi)部彈性能量猛烈釋放的風(fēng)險(xiǎn)，因此，必須加強(qiáng)巷道支護(hù)，以保障開采施工的安全性[2]。錨噴支護(hù)是一種經(jīng)濟(jì)有效的巷道支護(hù)技術(shù)，對(duì)保持巷道通暢、圍巖穩(wěn)定和人員安全具有重要作用[3]。在持續(xù)開采的過程中，地面壓力不斷增大，巷道承受的壓力也隨之增加，地質(zhì)條件變得更為復(fù)雜，因而對(duì)巷道支護(hù)的材料強(qiáng)度和抗沖擊性也提出了更高要求[4-5]。水泥砂漿作為構(gòu)筑巷道支護(hù)的重要材料，其性能研究備受關(guān)注。

爐底渣是電廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的一種廢料，在高溫熔融狀態(tài)下經(jīng)水淬處理后可表現(xiàn)出多孔性、高強(qiáng)度物理特性及良好的耐化學(xué)性，且具有一定的亞穩(wěn)活性，可用于制備混凝土骨料[6-7]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中可將爐底渣用作水泥混合料和混凝土的外加劑，這樣既解決了爐底渣的回收利用問題，又可增加其附加值。

在本次試驗(yàn)研究中，以5種不同比例的爐底渣替代水泥制備巷道支護(hù)砂漿，并分析砂漿制品的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

1 試樣制備與性能試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所用材料主要有：膠凝材料，選用海螺牌PO 42.5硅酸鹽水泥；細(xì)骨料，取自淮河河砂；爐底渣，取自淮南潘三煤礦。此外，試驗(yàn)用水取自淮南市自來水，其中添加聚羧酸高效液態(tài)減水劑，以改善拌合物的流動(dòng)性。

通過試驗(yàn)，觀察摻入爐底渣對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響。用不同比例的爐底渣替代水泥制備5組砂漿，即A、B、C、D、E組，其爐底渣替代率分別為0、25%、50%、75%、100%。各組砂漿的材料配合比如表1所示，其中A組為對(duì)照組。

表1 各組砂漿的材料配合比

為減輕慣性效應(yīng)和摩擦效應(yīng)的影響，將動(dòng)力試件的長(zhǎng)徑比設(shè)定為0.5[8]，并用Φ 50 mm×25 mm的鋼模進(jìn)行澆筑。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下(溫度為23℃±2℃、相對(duì)濕度≥95%)養(yǎng)護(hù)1 d后脫模，然后浸泡在飽和Ca(OH)2溶液中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至第28 d。用打磨機(jī)將試件兩端面打磨平整，端面的平整度控制在0.05 mm以內(nèi)，以避免試件在沖擊過程中受到偏壓而致應(yīng)力集中。

按照ASTM C109標(biāo)準(zhǔn)的要求，分別測(cè)試硬化3、7、28 d 的砂漿靜態(tài)抗壓強(qiáng)度?？箟簭?qiáng)度試件采用邊長(zhǎng)50 mm的立方體模具澆筑，與動(dòng)力試件在同一條件下養(yǎng)護(hù)。以3個(gè)試件為一組，取其平均值作為測(cè)試結(jié)果。

1.2 SHPB試驗(yàn)方法

采用Φ 50 mm分離式霍普金森壓桿(SHPB)試驗(yàn)裝置(見圖1),進(jìn)行試件沖擊壓縮試驗(yàn)研究。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)施加0.25 MPa沖擊氣壓時(shí)，試件出現(xiàn)貫通裂紋；當(dāng)繼續(xù)加大氣壓至0.45 MPa時(shí)，試件被完全擊碎。在此，根據(jù)三波法原理分別對(duì)試件施加0.25、0.35、0.45 MPa的沖擊氣壓，從而獲得應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

圖1 SHPB試驗(yàn)裝置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 砂漿的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度分析

對(duì)比5組硬化砂漿的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示?？梢钥闯觯?組硬化砂漿的抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而提高，其中A組硬化砂漿在3、7、28 d養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度分別為25.98、42.42、46.20 MPa。當(dāng)摻入爐底渣后，各組硬化砂漿在3、7、28 d養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度規(guī)律基本一致，都是隨著爐底渣摻量的增大而先提高后下降。當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，B、C、D、E組硬化砂漿的抗壓強(qiáng)度與 A組同期相比分別提高了28.32%、39.76%、54.06%和53.03%，其中D組砂漿的抗壓強(qiáng)度最佳。這是因?yàn)?，爐底渣因表面多孔而具有一定的吸水性，與水泥混合后可降低砂漿的有效水灰比，從而提高了砂漿的抗壓強(qiáng)度。

圖2 各組硬化砂漿的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度對(duì)比

但是，當(dāng)E組爐底渣的替代率為100%時(shí)，其有效水灰比過度降低，對(duì)水泥水化造成不利影響，其抗壓強(qiáng)度反而低于D組(但仍高于對(duì)照組)。這是因?yàn)?，?dāng)爐底渣的替代率大于75%時(shí)，砂漿中的游離Ca(OH)2分子不足以與爐底渣發(fā)生完全反應(yīng)，因此抗壓強(qiáng)度有所下降。

2.2 砂漿的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

根據(jù)三波法原理，測(cè)得不同應(yīng)變率下爐底渣砂漿的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，其變化曲線如圖3所示。在沖擊荷載的作用下，試件的內(nèi)部孔隙在極短時(shí)間內(nèi)迅速壓密、閉合，壓密階段短暫且不明顯，因此，其動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線幾乎直接進(jìn)入彈性變形階段，并呈近似線性增長(zhǎng)趨勢(shì)。隨著應(yīng)力持續(xù)增大,試件開始進(jìn)入屈服階段,并呈上凸形態(tài)。此時(shí)，軸向應(yīng)力卻隨著應(yīng)變的增大而緩慢減小,試件內(nèi)部微裂紋逐漸擴(kuò)展；當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí),應(yīng)力開始隨著應(yīng)變的增大而快速減小,試件內(nèi)部微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，直至試件整體被破壞[9]。

圖3 5組砂漿在不同應(yīng)變率下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過SHPB試驗(yàn)測(cè)得砂漿的各項(xiàng)性能參數(shù)，如表2所示?？梢钥闯?，爐底渣砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度會(huì)隨著應(yīng)變率的增大而提高。這是因?yàn)?，砂漿試件所吸收的能量主要用于初始裂縫的發(fā)展和新裂縫的形成，而隨著應(yīng)變率增大試件吸收的能量也相應(yīng)增多[10]。由于爐底渣的特殊孔隙結(jié)構(gòu)，可使骨料與砂漿基體之間形成致密的界面過渡區(qū)，因此爐底渣砂漿的抗沖擊性能強(qiáng)于一般水泥砂漿。

2.3 爐底渣摻量對(duì)動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響分析

圖4 各組砂漿動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與平均應(yīng)變率的擬合關(guān)系

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

在80～170 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)，A、B、C、D組爐底渣砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨著平均應(yīng)變率的增大而提高。其中，D組爐底渣砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度擬合曲線位于各組曲線的最上方，說明爐底渣替代率為75%時(shí)效果最佳。這是因?yàn)?，爐底渣具有一定的火山灰效應(yīng)，可增強(qiáng)水泥砂漿的密實(shí)度。

然而，當(dāng)E組爐底渣替代率過高時(shí)，砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度卻有所降低。這是因?yàn)?，爐底渣本身結(jié)構(gòu)疏松、幾何形狀不規(guī)則、微裂紋較多，導(dǎo)致漿體和骨料之間的黏結(jié)力減小，因此，在沖擊荷載作用下漿體和骨料之間易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而使硬化砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度減弱。

各組砂漿極限韌性(yA、yB、yC、yD、yE)與平均應(yīng)變率的擬合關(guān)系如圖5所示，其計(jì)算式如下：

圖5 各組砂漿極限韌性與平均應(yīng)變率的擬合關(guān)系

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

在80～170 s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)，A、B、C、D組爐底渣砂漿的極限韌性均隨著平均應(yīng)變率的增大而增強(qiáng)。在同等應(yīng)變率下，各組爐底渣砂漿的極限韌性均大于對(duì)照組，且D組砂漿的極限韌性最大，這說明爐底渣水泥砂漿的吸能效果優(yōu)于普通水泥砂漿。同時(shí)，試件吸收的能量在裂紋擴(kuò)展過程中逐漸消散，且試件吸收能量的能力越強(qiáng)，其裂縫數(shù)越多。爐底渣中含有大量的微裂隙，可使硬化砂漿的初始裂縫增多而起到一定的填充作用，因此，能夠在沖擊動(dòng)力下有效地抑制砂漿中有害孔的形成。

3 結(jié) 語

在本次試驗(yàn)研究中，用爐底渣以5種不同替代率替代水泥制備成巷道支護(hù)砂漿。通過SHPB沖擊試驗(yàn)，分析了爐底渣砂漿的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，以評(píng)估爐底渣砂漿對(duì)巷道支護(hù)的適用性。爐底渣砂漿在養(yǎng)護(hù)齡期3、7、28 d的靜態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨著爐底渣替代率的加大而提高，替代率為75%時(shí)砂漿的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。在同一應(yīng)變率下，硬化砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨著爐底渣替代率增大而呈先增大后減小趨勢(shì)，其中替代率75%的爐底渣砂漿動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度最大。當(dāng)替代率為75%時(shí)，爐底渣砂漿的極限韌性也最大，其吸收能量的能力強(qiáng)于其他各組。綜合靜態(tài)抗壓和動(dòng)態(tài)抗沖擊性能分析，認(rèn)為替代率為75%時(shí)爐底渣砂漿的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能最優(yōu)。