再生磚粉水泥砂漿動(dòng)態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)研究

徐 穎,孫 蕾,王 亮,2,沈文峰,王 浩

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001；2.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司博士后工作站,安徽 淮北 235000)

在煤礦開采中，保持巷道通暢與圍巖穩(wěn)定對(duì)礦井安全至關(guān)重要[1-2]。錨桿支護(hù)具有支護(hù)主動(dòng)、及時(shí)等特點(diǎn)[3]，可以有效減輕巷道圍巖變形或預(yù)防其受到破壞。錨桿支護(hù)能很好地控制普通靜壓巷道圍巖的變形破壞，而在動(dòng)壓巷道、沖擊地壓巷道中，巷道中的混凝土噴層具有脆性且本身帶裂縫工作，受到?jīng)_擊載荷作用后易開裂甚至是脫落[4-5]，影響礦井安全及煤炭高效開采。因此，動(dòng)壓巷道對(duì)錨桿支護(hù)材料提出了更高的要求[6]。

使用再生磚粉作為礦物摻合料對(duì)水泥基材料的靜態(tài)力學(xué)性能的影響，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，但是關(guān)于對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能影響的研究十分有限。黏土磚壓碎指標(biāo)值相對(duì)較低、孔隙率大、易吸水膨脹，將廢棄黏土磚破碎、篩分后作再生骨料替代部分水泥，可促進(jìn)水泥水化[7]。黏土磚中含有一定量的SiO2、Al2O3，可以將其制備成磚粉用作混凝土或砂漿中的膠凝材料，發(fā)揮填充作用與活性效應(yīng)[8-9]。文獻(xiàn)[10]指出再生磚粉混凝土與普通混凝土的抗壓強(qiáng)度相差不大甚至略有提高。文獻(xiàn)[11]通過研究進(jìn)一步表明再生磚粉摻量不宜超過水泥質(zhì)量的30%。文獻(xiàn)[12]認(rèn)為磚粉能夠改善水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)，從而有效提高其耐久性。文獻(xiàn)[13]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在高應(yīng)變率范圍內(nèi)，黏土磚的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度和極限應(yīng)變對(duì)應(yīng)變率非常敏感，但在低應(yīng)變率范圍內(nèi)的敏感性較低。文獻(xiàn)[14]通過研究高應(yīng)變率下黏土磚的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，提出了兩者極限強(qiáng)度差值的經(jīng)驗(yàn)公式。由上述研究可知，目前僅有對(duì)再生磚粉靜態(tài)力學(xué)性能的研究，以及對(duì)黏土磚本身的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的研究，對(duì)于再生磚粉作為摻合料的混凝土砂漿的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究還有待加強(qiáng)。

因此，本文對(duì)不同替代率的再生磚粉水泥砂漿進(jìn)行不同氣壓下的動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，分析動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線，研究峰值應(yīng)變和極限韌性等指標(biāo)，并與普通砂漿進(jìn)行對(duì)比分析，分析再生磚粉摻量對(duì)水泥砂漿動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，以期為錨桿支護(hù)材料的工程應(yīng)用提供技術(shù)參考和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用再生黏土磚粉與P·O42.5硅酸鹽水泥(海螺牌)作為再生磚粉砂漿試件的膠凝材料，其主要化學(xué)成分如表1所示。再生磚粉是將實(shí)驗(yàn)室收集的廢棄黏土磚逐級(jí)破碎、研磨、過篩(100目)，最終得到粒徑小于150μm的再生微細(xì)粉末。細(xì)骨料取自于淮河河砂，細(xì)度模數(shù)2.56，表觀密度2 550kg/m3。試驗(yàn)中用水均采用淮南市自來水。

表1 水泥與磚粉主要成分 %

利用X射線衍射儀衍射測試了再生磚粉的礦物組成如圖1所示。再生磚粉的主要礦物結(jié)晶相為石英和硅灰石膏，其中石英是由黏土中的硅酸鹽礦物分解產(chǎn)生，黏土中的硅酸鹽礦物與有機(jī)碳在高溫下反應(yīng)生成硅灰石膏。

圖1 磚粉的XRD分析結(jié)果

1.2 試件制備

將再生磚粉分別替代水泥質(zhì)量的0%(對(duì)照組)、10%、20%、30%，根據(jù)表2配合比制作水泥砂漿試件，試件編號(hào)分別為A(對(duì)照組)、B、C、D。試件的長徑比定為0.5，能有效降低慣性與摩擦兩種效應(yīng)對(duì)其所造成的影響[15]，試件尺寸為φ50mm×25mm。試件放置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)(溫度為20℃±2℃，相對(duì)濕度≥95%)進(jìn)行28d的養(yǎng)護(hù)后取出，并通過打磨拋光機(jī)對(duì)試件的兩個(gè)端面進(jìn)行打磨直至達(dá)到端面平整，端面平整度盡量控制在0.05mm以內(nèi)，以免試樣在加載過程中受到偏壓形成應(yīng)力集中對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響。

表2 再生磚粉砂漿配合比(W/C=0.5)

1.3 SHPB試驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

沖擊壓縮試驗(yàn)采用φ50mm 分離式 SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)。撞擊桿、入射桿、透射桿的長度分別為0.6m、 2.4m、 1.2m；各桿材質(zhì)均為密度 7.8g/cm3、 彈性模量210GPa、 縱波波速5 190m/s的合金鋼。在試沖實(shí)驗(yàn)之后，本次試驗(yàn)最終選用0.25MPa、0.35MPa、0.45MPa 3種沖擊氣壓(0.25MPa沖擊氣壓時(shí)試件軸向出現(xiàn)裂紋，0.45MPa沖擊氣壓時(shí)試件可以完全破碎)，以便得到不同應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線。同組條件下以3個(gè)試件為對(duì)象進(jìn)行沖擊壓縮實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)前將入射桿、 撞擊桿、 透射桿和試件調(diào)整至同一軸線上，且每次試驗(yàn)時(shí)入射桿與撞擊桿之間的距離應(yīng)調(diào)整相同。在試件兩端面涂抹適量凡士林可緩解入射桿、 透射桿與試件之間的摩擦， 在入射桿端頭粘結(jié)整形片， 一定程度上可以削弱波形的彌散效應(yīng)。 沖擊完成后，根據(jù)公式(1)～(3)(三波法計(jì)算原理)可求得試件在沖擊荷載作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率。

(1)

(2)

(3)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

SHPB試驗(yàn)經(jīng)數(shù)據(jù)處理，可得到在沖擊荷載下，普通砂漿和再生磚粉砂漿在多種應(yīng)變率下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示。在不同應(yīng)變率下，再生磚粉水泥砂漿的性能參數(shù)如表3所示。

表3 不同應(yīng)變率下各組砂漿的性能參數(shù)

在應(yīng)力初始階段，砂漿試件經(jīng)過一段壓密實(shí)過程后進(jìn)入彈性階段，這一階段曲線斜率為試塊的動(dòng)態(tài)彈性模量E。隨著平均應(yīng)變率的增加，各組砂漿試件的動(dòng)態(tài)彈性模量和峰值應(yīng)力均隨之提高。曲線初始階段出現(xiàn)部分下凹段，由于試塊表面不平整，凸起部分先接觸到入射桿承受沖擊荷載，隨即發(fā)生破裂形成應(yīng)力跌落現(xiàn)象。隨后試件的其他部分開始接觸入射桿，應(yīng)力相繼回升。當(dāng)作用在試件上的應(yīng)力持續(xù)增大時(shí)，試件開始進(jìn)入屈服階段，這時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)上凸特征，軸向應(yīng)力隨應(yīng)變的增長呈減緩趨勢，試件內(nèi)部裂紋逐漸橫向擴(kuò)展[16]。由圖2(c)、(d)可知，高應(yīng)變率下的峰值應(yīng)力并不明顯，在峰值應(yīng)力出現(xiàn)前后形成了廣闊的平臺(tái)，致使曲線的整體形狀更接近于梯形，該現(xiàn)象表明試件在較大應(yīng)變范圍內(nèi)仍可保持一定的強(qiáng)度[17]，具有良好的韌性和變形能力。

(a) 普通砂漿

應(yīng)力到達(dá)峰值后,試件進(jìn)入最終破壞階段，荷載下降速度大于裂縫增長速度，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，此時(shí)荷載急劇下降后失去承載能力。由圖2可知，高應(yīng)變率下的峰值應(yīng)變最低，這是因?yàn)楦咚贈(zèng)_擊荷載具有瞬時(shí)性，試件會(huì)發(fā)生局部破壞。

圖3是動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度fc與平均應(yīng)變率之間的擬合關(guān)系，得到線性關(guān)系式

圖3 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與平均應(yīng)變率的擬合關(guān)系曲線

(4)

(5)

(6)

在30～150s-1范圍內(nèi)，3種再生磚粉砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度均隨著平均應(yīng)變率的增加而增加，摻入10%磚粉的擬合曲線在對(duì)照組的上方，說明10%摻量的再生磚粉對(duì)砂漿動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度有一定的提高效果。這是由于磚粉具有一定的填充效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，不僅提高了硬化水泥砂漿的密實(shí)度，同時(shí)促進(jìn)了水泥的二次水化。在水化初始階段，摻入的磚粉吸收體系中較多的水分后產(chǎn)生真空吸壓效應(yīng)，該效應(yīng)有效減少了水泥漿體與集料之間的距離，提高了水泥漿體與集料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。同時(shí)水泥水化產(chǎn)物中的Ca(OH)2可作為激發(fā)劑與磚粉中SiO2、Al2O3發(fā)生二次水化反應(yīng)，進(jìn)一步提高磚粉與水泥漿體之間的界面強(qiáng)度[18]。再生磚粉摻量為30%的擬合曲線在對(duì)照組的下方，即砂漿的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度有所降低，這是因?yàn)榇u粉屬于輔助型膠凝材料，活性較水泥低，若磚粉摻量過大會(huì)減小水泥漿體與集料之間的接觸面積，降低漿體與集料之間的粘結(jié)力。在動(dòng)態(tài)荷載的作用下，磚粉和砂之間易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，從而降低其抗沖擊性能。

3.2 平均應(yīng)變率對(duì)峰值應(yīng)變的影響

峰值應(yīng)變是指砂漿試樣受到?jīng)_擊荷載作用后達(dá)到動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，體現(xiàn)出砂漿試樣的變形能力，也是反映試樣脆延性的指標(biāo)。達(dá)到峰值應(yīng)變后試樣破壞失去承載能力。

圖4為再生磚粉水泥砂漿峰值應(yīng)變與平均應(yīng)變率之間的關(guān)系。由圖4可知，磚粉摻量為30%的砂漿試樣的峰值應(yīng)變表現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢；在平均應(yīng)變率小于110s-1時(shí)，再生磚粉砂漿的峰值應(yīng)變整體趨勢在對(duì)照組之上，說明應(yīng)變率較小時(shí)再生磚粉砂漿在沖擊荷載作用下表現(xiàn)出更強(qiáng)的變形能力。隨著應(yīng)變率的增加，峰值應(yīng)力呈下降趨勢，對(duì)照組的峰值應(yīng)力逐漸超過磚粉替代率為10%和20%的水泥砂漿。這是因?yàn)榇u粉具有較好的吸水性，當(dāng)其摻量增多時(shí)，會(huì)將砂漿拌合時(shí)的水保留在自身的孔隙中；隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，砂漿進(jìn)行緩慢釋水[19]，使硬化的水泥砂漿產(chǎn)生較多的微孔。當(dāng)應(yīng)變率增加時(shí)，磚粉的微孔隙效應(yīng)增強(qiáng)，峰值應(yīng)變?cè)鰪?qiáng)。試樣的峰值應(yīng)變隨著應(yīng)變率的增加先增大后減小，這是因?yàn)樯皾{試塊在受到?jīng)_擊時(shí)先有一個(gè)壓密的趨勢，當(dāng)平均應(yīng)變率增大到一定程度，試樣在變形前就被破壞。

圖4 砂漿峰值應(yīng)變與平均應(yīng)變率之間的關(guān)系

3.3 平均應(yīng)變率對(duì)極限韌性的影響

極限韌性可通過對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行積分求曲線下的面積得到，表征材料從加載到失效過程中所吸收能量的能力，代表單位材料在變形過程中吸收能量的大小，是砂漿強(qiáng)度和延性的綜合體現(xiàn)。

由表3可知，隨著應(yīng)變率的增加，水泥砂漿的峰值韌性呈線性增長趨勢。圖5是再生磚粉砂漿與普通砂漿的極限韌性與應(yīng)變率的關(guān)系擬合曲線。由圖5可知，再生磚粉摻量為10%和20%時(shí)的極限韌性擬合曲線在對(duì)照組上方，且摻量為10%的再生磚粉砂漿在可知范圍內(nèi)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過對(duì)照組。摻量為30%的再生磚粉砂漿極限韌性擬合曲線有略微下降的趨勢，這是由于混凝土受到?jīng)_擊荷載時(shí)，能量的消耗主要來自初始裂縫的發(fā)展和新裂縫的產(chǎn)生，而后者是能量主要消耗的原因[20]。由于磚粉具有不規(guī)則的多棱角形態(tài)，相對(duì)于水泥更容易搭接交聯(lián)形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。因此加入磚粉后，沖擊荷載作用下的初始裂縫尺寸降低，有害孔隙減少，裂縫產(chǎn)生的數(shù)量增加，單位體積能耗較高。

圖5 砂漿的極限韌性與平均應(yīng)變率關(guān)系

3 結(jié)論

沖擊荷載作用下，在平均應(yīng)變率為30～150s-1范圍內(nèi)，替代率為10%的再生磚粉砂漿動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度最大，替代率為30%的再生磚粉水泥砂漿試樣峰值應(yīng)變整體趨勢在對(duì)照組之上；再生磚粉摻量為10%和20%的砂漿，應(yīng)變率≤110s-1時(shí)峰值應(yīng)變整體趨勢在對(duì)照組之上；替代率為10%的再生磚粉砂漿吸收沖擊能量的性能優(yōu)于其他組別；綜合各動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，替代率為10%的再生磚粉水泥砂漿比普通水泥砂漿更適用于動(dòng)壓巷道中的錨桿支護(hù)。

再生磚粉作為水泥砂漿中的礦物摻合料，在動(dòng)態(tài)力學(xué)性能方面有良好的表現(xiàn)，可為今后開發(fā)新型錨桿支護(hù)材料提供參考。但由于試驗(yàn)條件有限，未考慮到實(shí)際應(yīng)用，巷道內(nèi)部存在著溫度、濕度等環(huán)境因素對(duì)其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響，今后將進(jìn)一步展開討論與研究。