水致弱化影響下粉煤灰泡沫混凝土充填體性能試驗研究

張淑坤,李永靖,孫　琦

(遼寧工程技術大學土木與交通學院，阜新　123000)

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水致弱化影響下粉煤灰泡沫混凝土充填體性能試驗研究

張淑坤,李永靖,孫琦

(遼寧工程技術大學土木與交通學院，阜新123000)

以普通硅酸鹽水泥、發泡劑、粉煤灰和外加劑為原料，制備采空區充填材料。通過試驗研究，在不同含水率影響下，充填體的強度特性、應力-應變特性和變形特性。研究結果表明：自由水對充填體力學性能弱化較為明顯。具體表現為：隨含水率增加，制備的充填體試件抗壓強度、抗剪強度遞減，前期遞減幅度較大，后期較小；充填體峰值強度、峰后殘余強度以及延性均隨含水率增加而遞減；隨含水率的增加，彈性模量降低幅度較大，泊松比變化幅度較小，剪切模量和體彈性模量均減小，水弱化影響下充填體會產生進一步壓縮。

粉煤灰泡沫混凝土充填體； 含水率； 強度特性； 應力-應變關系； 變形特性

1　引　言

隨著社會經濟的發展，我國對于煤炭資源的需求有增無減。大量煤炭資源開采打破了原有的地應力平衡，從而形成采空區失穩，導致地表裂縫、移動、塌陷等災害頻繁發生。有效控制類似災害發生，保護地面建(構)筑物和生態環境，實現煤炭資源綠色開采[1]，采用充填治理控制采空區上覆巖層移動，無疑是一個安全有效的辦法[2]。采空區充填技術從最初的干式充填、濕式充填，逐漸向現在的膠結膏體充填方式轉變。膠結膏體充填相對于前2種充填方式具有接頂率高、對上覆巖層移動控制效果好等特點，但由于膏體充填材料為骨料和水泥形成的膠凝材料構成，因此成本也較高。本著充填技術節能、高效的發展思路，膏體充填材料的研發種類也在不斷革新。尤其是為了降低充填成本兼顧較好的膠凝強度，學者們進行了大量的嘗試，特別是摻入工業廢料粉煤灰來制備采空區膏體充填材料成為了研究熱點[3]。

圖1　試件局部放大[4]Fig.1　Partial enlarged detail

粉煤灰泡沫混凝土具有質輕、多孔、吸收變形能力強的特點，經過實驗證明，其力學特性較為適合用于采空區充填。課題組前期也進行了相關試驗，如圖1所示，為粉煤灰泡沫混凝土制備的充填體試件局部放大[4]。其表面呈現凹凸不平的蜂窩狀，內部則為封閉汽泡，密度較小。采用這種充填體，在保證充填體積前提下，消耗材料較少。在制備過程中，摻入適量的粉煤灰，生成有益于混凝土強度提高的水化硫酸鈣、水化硫鋁酸鈣，同時也解決了電廠大量粉煤灰對現有環境的污染問題。然而，充填體在采空區內結石后會承擔采空區頂板壓力，因頂板壓力會導致充填體壓縮變形，直至充填體內部裂隙形成及發育[5]。實際上，采空區內部往往不同程度的含有地下水，無論是哪種充填材料自由水都會滲入結石充填體形成的裂隙中，對充填體性能產生弱化影響，降低了充填治理的效果。這種自由水無論是對煤體[6-8]、巖體[9,10]或其他充填材料[11]，都具有不同程度的弱化作用。粉煤灰泡沫混凝土充填體也不例外，目前針對于自由水對該充填體的弱化性能研究較少。因此，文中特針對水致弱化影響下粉煤灰泡沫混凝土充填體性能進行試驗研究，分析充填體變形破壞機理，為采空區充填提供相應的理論依據，進而確定粉煤灰泡沫混凝土充填材料的適用性，為進一步實際應用奠定基礎。

2　試　驗

2.1試驗原材料

選用阜新當地產普通42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰為阜新熱電廠粉煤灰，具體化學成分組成如表1所示，并采用鋁粉為制備充填體試件的發泡劑。通過采用熟石灰和芒硝對粉煤灰進行復合激發，提高粉煤灰活性，復合激發劑與摻入粉煤灰質量比為3%。復合激發劑可以使粉煤灰顆粒表面的Si-O和Al-O鍵斷裂，生成水化硅酸鋁和水化硅酸鈣等膠結物，并將骨料包裹在內，使充填體達到較高強度。

表1　粉煤灰化學成分

2.2試件的制備

試件通過配料、發泡、混合攪拌、倒入模具、成型養護，最后制備成尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的試件，進行相關材料性能測試。

按照前期試驗成果，制備絕干密度為400 kg/m3，粉煤灰摻量20%，對應發泡體積量約為1800 mL/kg左右，水料比為0.41。試件具體制備流程[4]：首先對發泡劑進行充分攪拌，制成均勻穩定的泡沫，直至達到所需泡沫量為止；按照試驗配比摻入水泥、粉煤灰，高速攪拌形成均勻膏體；將制備好的泡沫加入該膏體中，繼續攪拌均勻，時間約為3～4 min左右；將制備好的膏體倒入模具中，養護28 d，進行相關性能測試，試件如圖2所示。本次共計制備了9組27個試件，進行了不同含水率情況下的強度測試、應力-應變測試和變形性能測試。

圖2　試件制備Fig.2　Sample preparation

3　結果與討論

分別針對不同含水率影響下，粉煤灰泡沫混凝土充填體的強度特性、其應力-應變關系及變形特性進行試驗測試及分析，研究水對粉煤灰泡沫混凝土充填體性能弱化規律。

3.1含水率變化對充填體強度特性影響

如圖3所示，隨著試件含水率從60.5%增加至82.3%，充填體抗壓強度陡然減小，從2.1 MPa減小至1 MPa左右。含水率增加至72%左右時，充填體抗壓強度減小幅度最大，含水率由72%增至84%左右時，充填體抗壓強度減小幅度減緩。原因在于外荷載作用導致充填體形成的裂縫、擴展并連通，滲透至充填體內部的水對充填體形成了弱化。含水率越大，滲透至充填體內部自由水就越多，弱化程度也越大。當達到含水率75%以上時，對強度的弱化影響基本完成，不會再有大幅度減小。若保持荷載一定，而延長自由水作用時間，試件會再次形成新的裂縫，自由水會再次進入新裂縫孔隙中導致材料強度再次弱化，充填體抗壓強度還會進一步降低。

如圖4所示，為不同含水率影響下充填體材料抗剪強度變化規律。隨著含水率的增加，充填體抗剪強度減弱趨勢大體與其抗壓強度曲線相近。相近含水率情況下，充填體抗剪強度約為抗壓強度的1/7左右。在含水率變化75%～85%區間后半程曲線中，充填體抗剪強度變化趨勢不大。同樣，延長自由水作用時間，也會導致充填體抗剪強度進一步降低。

由此可見，隨著含水率的增加，充填體強度是逐漸弱化的。前半程曲線強度降低幅度較大，后半程曲線強度降低幅度較小。若延長自由水作用時間，充填體材料強度會進一步降低，這涉及到充填體在自由水弱化作用下的蠕變特性，該部分內容是后期研究的一個方向，本次不做深入探討。

圖3　充填體抗壓強度Fig.3　Compressive strength of filler

圖4　充填體抗剪強度Fig.4　Shear strength of filler

3.2含水率變化對充填體應力-應變關系影響

試件養護后，對含水率為55%、67.2%和79.5%的試件，進行應力-應變壓縮試驗，試驗結果列入統一坐標系中進行對比分析，如圖5所示。充填體為摻入粉煤灰的水泥混合料膠凝而成，充填體應力-應變關系大體與一般巖石體變形趨勢相近。為了有針對性的進行分析，將其應力-應變曲線分為4個階段。

第1階段為oai段(i=1,2,3，不同下標分別表示為含水率為55%、67.2%和79.5%對應的曲線階段，其它階段類同)：施加荷載后，在該階段主要表現為彈性變形，試件內部在外荷載作用下達到進一步密實態，表面沒有出現裂紋，維持這一狀態所經歷的應力跨度較大，這也是充填體所需要的性能。在含水率55%和67.2%的試件中彈性變形階段較為明顯，如oa1和oa2階段，oa2較oa1經歷應力跨度較小，尤其是在含水率79.5%的試件中彈性變形階段已經不明顯，且試件在加載初期逐漸發生變形過程中，就伴有不同程度的裂紋擴展。

第2階段為aibi階段：應力-應變關系主要表現為非線性關系，曲線逐漸彎曲，斜率變小，充填體材料強度達到峰值狀態。由于外荷載進一步擠壓，試件開始出現裂紋，內部自由水開始逐漸滲出，充填體材料進入屈服階段。含水率79.5%的試件，在初期就逐漸進入該階段，含水率67.2%的試件進入該階段要略早于含水率55%的試件。

圖5　充填體應力-應變關系　Fig.5　Relationship between stress and strain of filler

第3階段為bici階段：該階段充填體內部應力松弛，應變增長，內部塑性區域迅速發展擴大，裂縫裂隙貫通。隨著含水率的增加，充填體峰值強度遞減速度較快。

第4階段cidi階段：為充填體材料破壞后的殘余強度，雖然應力不再增加，但試件應變量仍繼續增加，而后期這種強度延性也是充填體所需的特性。試件含水率從55%增加到79.5%，應變增量從0.09(c1d1)縮短至0.02(c3d3)，表示充填體峰后抗變形能力變差。這是由于裂隙的擴展演化，使孔隙水進一步深入充填體內部導致弱化的結果。含水率越大，自由水越多，裂縫中水弱化效果就越加充分，這種弱化程度越強，自然峰后強度延性也越差。

總體可見，在含水率的影響下，充填體材料的峰值、峰后殘余強度以及延性都隨著含水率增加而遞減，充填體材料的彈性變形階段隨著含水率的增加，表現的越發不明顯。

3.3含水率變化對充填體變形特性影響

由式(1)～(3)的關系可知，根據彈性模量E、泊松比μ，便可計算出其他可以衡量材料變形性能的常數，如剪切模量G、拉梅常數λ以及體積彈性模量K。

(1)

(2)

(3)

因此，研究含水率變化對充填體變形特性影響，測定并分析充填體試件的彈性模量E和泊松比μ變化規律即可。如圖6所示，為含水率影響下試件彈性模量變化規律。隨著含水率的增加，彈性模量降低幅度較大，這與圖5中表現出的彈性變形性能隨著含水率變化關系相吻合。

圖6　充填體彈性模量Fig.6　Elasticity modulus of filler

圖7　充填體泊松比Fig.7　Poisson's ratio of filler

如圖7所示，為含水率影響下試件泊松比變化規律。針對于泊松比，含水率的增加對其影響卻較小，含水率在65%～85%變化區間內，泊松比在0.07～0.09變化，幅度較小。為了研究方便，忽略對泊松比的影響。綜合公式(1)～(3)可知，含水率的增加會弱化充填體彈性模量，那么其他變形參數如剪切模量，體彈性模量均減小，與前期抗壓強度及抗剪強度測試結果相吻合，同時體彈性模量的減小表明充填體材料在水弱化情況下會進一步產生壓縮。

4　結　論

針對不同含水率影響下粉煤灰泡沫混凝土充填體強度特性、應力應變關系及變形特性進行了室內試驗研究，試驗結果表明：自由水對充填體材料性能弱化較為明顯，具體表現為：

(1)充填體強度特性影響方面，隨著含水率的增加，充填體試件抗壓強度、抗剪強度遞減，初期遞減幅度較大，后期較小；

(2)充填體應力-應變關系影響方面，在含水率的影響下，充填體材料的峰值、峰后殘余強度以及延性都是隨著含水率增加而遞減的，充填體材料的彈性變形階段隨著含水率的增加，表現的越發不明顯；

(3)充填體變形特性影響方面，隨著含水率的增加，彈性模量降低幅度較大，泊松比變化幅度較小，其他變形參數如剪切模量，體彈性模量均減小，充填體材料在水弱化情況下會進一步產生壓縮。

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Experimental Study on Foamed Concrete Block Filler under the Influence of Moisture Content

ZHANGShu-kun,LIYong-jing,SUNQi

(Institute of Civil and Transportation,Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China)

Using ordinary portland cement, foaming agent, fly ash, admixture as raw material to make paste filling material. Studying filling strength characteristic, stress-strain relationship and deformation characteristic under the influence of different moisture content by laboratory test. The results show that the weakening of the filling is obvious in free water. Specific performance is that with the increase of moisture content, the compressive strength and shear strength of filling decrease, early decrease range is larger, latter is smaller; peak strength of filling, post peak residual strength and ductility decrease with the increase of moisture content; With the increase of moisture content, the elastic modulus decreases faster, the Poisson's ratio changes smaller, other deformation parameters such as shear modulus, elastic modulus both decrease. The filling further compresses in moisture content.

foamed concrete block filler; moisture content; strength characteristic；stress-strain relationship; deformation characteristic

國家自然科學基金青年基金資助項目(50804020).

張淑坤(1983-)，男，講師，博士.主要從事巖土工程方面的科研與教學工作.

TU528

A

1001-1625(2016)06-1851-05