摻入爐底渣制備巷道支護砂漿的試驗研究

劉志強 王 亮,2,3 韋于彪 王 浩 劉 洋

(1. 安徽理工大學 土木建筑學院， 安徽 淮南 232001;2. 安徽理工大學 環(huán)境工程博士后流動站， 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[1]。在深部開采過程中，由于巖體所處地質(zhì)環(huán)境復雜，存在內(nèi)部彈性能量猛烈釋放的風險，因此，必須加強巷道支護，以保障開采施工的安全性[2]。錨噴支護是一種經(jīng)濟有效的巷道支護技術，對保持巷道通暢、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)條件變得更為復雜，因而對巷道支護的材料強度和抗沖擊性也提出了更高要求[4-5]。水泥砂漿作為構筑巷道支護的重要材料，其性能研究備受關注。

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、高強度物理特性及良好的耐化學性，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。

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

1 試樣制備與性能試驗方法

1.1 試樣制備

試驗所用材料主要有：膠凝材料，選用海螺牌PO 42.5硅酸鹽水泥；細骨料，取自淮河河砂；爐底渣，取自淮南潘三煤礦。此外，試驗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性。

通過試驗，觀察摻入爐底渣對水泥砂漿力學性能的影響。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組為對照組。

表1 各組砂漿的材料配合比

為減輕慣性效應和摩擦效應的影響，將動力試件的長徑比設定為0.5[8]，并用Φ 50 mm×25 mm的鋼模進行澆筑。在標準環(huán)境下(溫度為23℃±2℃、相對濕度≥95%)養(yǎng)護1 d后脫模，然后浸泡在飽和Ca(OH)2溶液中繼續(xù)養(yǎng)護至第28 d。用打磨機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力集中。

按照ASTM C109標準的要求，分別測試硬化3、7、28 d 的砂漿靜態(tài)抗壓強度?？箟簭姸仍嚰捎眠呴L50 mm的立方體模具澆筑，與動力試件在同一條件下養(yǎng)護。以3個試件為一組，取其平均值作為測試結果。

1.2 SHPB試驗方法

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

圖1 SHPB試驗裝置示意圖

2 試驗結果分析

2.1 砂漿的靜態(tài)抗壓強度分析

對比5組硬化砂漿的靜態(tài)抗壓強度，結果如圖2所示。可以看出，5組硬化砂漿的抗壓強度均隨著養(yǎng)護齡期的延長而提高，其中A組硬化砂漿在3、7、28 d養(yǎng)護齡期的抗壓強度分別為25.98、42.42、46.20 MPa。當摻入爐底渣后，各組硬化砂漿在3、7、28 d養(yǎng)護齡期的抗壓強度規(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。當養(yǎng)護齡期為28 d時，B、C、D、E組硬化砂漿的抗壓強度與 A組同期相比分別提高了28.32%、39.76%、54.06%和53.03%，其中D組砂漿的抗壓強度最佳。這是因為，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度。

圖2 各組硬化砂漿的靜態(tài)抗壓強度對比

但是，當E組爐底渣的替代率為100%時，其有效水灰比過度降低，對水泥水化造成不利影響，其抗壓強度反而低于D組(但仍高于對照組)。這是因為，當爐底渣的替代率大于75%時，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，因此抗壓強度有所下降。

2.2 砂漿的動態(tài)應力-應變曲線分析

根據(jù)三波法原理，測得不同應變率下爐底渣砂漿的動態(tài)應力-應變數(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)部孔隙在極短時間內(nèi)迅速壓密、閉合，壓密階段短暫且不明顯，因此，其動態(tài)應力-應變曲線幾乎直接進入彈性變形階段，并呈近似線性增長趨勢。隨著應力持續(xù)增大,試件開始進入屈服階段,并呈上凸形態(tài)。此時，軸向應力卻隨著應變的增大而緩慢減小,試件內(nèi)部微裂紋逐漸擴展；當軸向應力達到峰值時,應力開始隨著應變的增大而快速減小,試件內(nèi)部微裂紋進一步擴展，直至試件整體被破壞[9]。

圖3 5組砂漿在不同應變率下的動態(tài)應力-應變曲線

通過SHPB試驗測得砂漿的各項性能參數(shù)，如表2所示?？梢钥闯觯瑺t底渣砂漿的動態(tài)抗壓強度會隨著應變率的增大而提高。這是因為，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，而隨著應變率增大試件吸收的能量也相應增多[10]。由于爐底渣的特殊孔隙結構，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于一般水泥砂漿。

2.3 爐底渣摻量對動態(tài)抗壓強度的影響分析

圖4 各組砂漿動態(tài)抗壓強度與平均應變率的擬合關系

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

在80～170 s-1應變率范圍內(nèi)，A、B、C、D組爐底渣砂漿的動態(tài)抗壓強度均隨著平均應變率的增大而提高。其中，D組爐底渣砂漿的動態(tài)抗壓強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%時效果最佳。這是因為，爐底渣具有一定的火山灰效應，可增強水泥砂漿的密實度。

然而，當E組爐底渣替代率過高時，砂漿的動態(tài)抗壓強度卻有所降低。這是因為，爐底渣本身結構疏松、幾何形狀不規(guī)則、微裂紋較多，導致漿體和骨料之間的黏結力減小，因此，在沖擊荷載作用下漿體和骨料之間易發(fā)生相對滑動，從而使硬化砂漿的動態(tài)抗壓強度減弱。

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

圖5 各組砂漿極限韌性與平均應變率的擬合關系

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

在80～170 s-1應變率范圍內(nèi)，A、B、C、D組爐底渣砂漿的極限韌性均隨著平均應變率的增大而增強。在同等應變率下，各組爐底渣砂漿的極限韌性均大于對照組，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，試件吸收的能量在裂紋擴展過程中逐漸消散，且試件吸收能量的能力越強，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，能夠在沖擊動力下有效地抑制砂漿中有害孔的形成。

3 結 語

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