建筑垃圾充填膏體強(qiáng)度性能影響因素的試驗(yàn)

施現(xiàn)院，李 浩，劉 音，張浩強(qiáng)

（1.山東康格能源科技有限公司，山東 濟(jì)寧272000；2.山東科技大學(xué) 礦業(yè)與安全工程學(xué)院，山東 青島266590；3.中色國際帕魯特有限責(zé)任公司，北京100089）

在中國，煤礦膏體充填開采技術(shù)已成為治理煤礦采空區(qū)塌陷、處理煤礦固體廢棄物和解決“三下”壓煤問題的有效途徑[1-3]，由于充填材料的來源少、成本高等問題，開發(fā)1 種或多種新的充填材料應(yīng)用到礦山充填開采中是急需解決的問題。將建筑行業(yè)在建設(shè)或拆除過程中產(chǎn)生棄土、渣土等建筑垃圾作為充填材料，不僅可以解決占用土地的問題，而且可以代替部分膠凝材料，節(jié)約成本。影響煤礦充填膏體性能的因素較多，很大程度上取決于充填材料之間的配比、料漿濃度等因素[4-7]。近年來國內(nèi)很多科研工作者在建筑垃圾充填采空區(qū)方向的研究獲得了相應(yīng)的成果[8-13]。谷志孟教授[14-15]首批提出將城市建筑垃圾用于回填礦山采空區(qū)的想法，并結(jié)合實(shí)例論證兩者結(jié)合的可行性。韓宇峰[16-17]研究了不同類別建筑垃圾的表觀密度、堆積密度、吸水率及壓碎指標(biāo)，指出以建筑垃圾制備煤礦充填膏體滿足礦山充填要求；匡中文等[18]探究了城市建筑垃圾的來源、分類及其物化組成等，驗(yàn)證了其作為充填材料的優(yōu)越性，指出采用建筑垃圾作為膏體充填材料不但減少了地表、巖層移動(dòng)破壞對環(huán)境的危害，而且有效地保護(hù)了資源。陳維新[19-20]通過正交試驗(yàn)的方法確定建筑垃圾-粉煤灰基作為膠結(jié)充填材料，試驗(yàn)結(jié)果表明該充填材料具有快凝、塑形強(qiáng)、殘余強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。以上研究對建筑垃圾僅存在于表觀性質(zhì)的研究，但建筑垃圾與充填材料之間的相容性及配比等因素對充填膏體強(qiáng)度性能的探究性試驗(yàn)研究較少。為此，以建筑垃圾作為充填骨料，粉煤灰和少量水泥作為膠凝材料，通過設(shè)置不同水泥、粉煤灰、建筑垃圾的比例（以下簡稱固相比）和改變質(zhì)量分?jǐn)?shù)來探究對煤礦充填膏體單軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，并通過應(yīng)力應(yīng)變曲線來探究不同齡期對充填膏體抗壓強(qiáng)度的影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

建筑垃圾是城市建筑物拆除后產(chǎn)生的建筑廢渣，建筑垃圾組分見表1。建筑垃圾再生骨料主要指建筑垃圾經(jīng)過分選、破碎、清洗、分級后，按一定比例與級配混合加工而成的級配骨料。水泥（32.5 號）來源于中國山東山水水泥集團(tuán)有限公司，水泥化學(xué)成分見表2。粉煤灰來源于中國山東黃島電廠，表觀密度2 040 kg/m3，堆積密度750 kg/m3，粉煤灰化學(xué)成分見表3。試驗(yàn)所用脫硫石膏為黃島電廠濕法脫硫排除的工業(yè)廢渣，主要成分為CaSO4·2H2O，其品位可達(dá)90%～93%，游離水含量10%～12%，含堿低，無放射性，有害雜質(zhì)少。

表1 建筑垃圾組分Table 1 Components of construction waste

表2 水泥化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of cement

表3 粉煤灰化學(xué)成分Table 3 Chemical compositions of fly ash

1.2 試驗(yàn)方案

首先，利用控制變量法，根據(jù)設(shè)定的不同固相比（水泥∶粉煤灰∶建筑垃圾=1∶4∶6～1∶4∶7）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)（74%～78%）制備充填膏體，其規(guī)格為50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件；其次，將制備好的充填膏體置入溫度25 ℃，濕度為95%的混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)；最后，在設(shè)定的齡期（1/3、1、3、7、28 d）用DY-2008DX 全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)加載測試抗壓強(qiáng)度，每組取3 個(gè)樣品，測試結(jié)果取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 固相比對充填膏體強(qiáng)度的影響

不同固相比對充填膏體強(qiáng)度影響見表4，不同固相比下膏體抗壓強(qiáng)度柱狀圖如圖1。

表4 不同固相比對充填膏體抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test results of compressive strength of construction waste filling paste with different solid ratios

圖1 不同固相比下建筑垃圾充填膏體的抗壓強(qiáng)度柱狀圖Fig.1 Histogram of compressive strength of construction waste filling paste compared with different solids

在試驗(yàn)組中，C01 組作為對比參照，在不參加任何激發(fā)劑的情況下，其前期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度均能達(dá)到岱莊煤礦的強(qiáng)度要求。C04 組與C01 組相比，添加了一定量的脫硫石膏，其各個(gè)齡期的強(qiáng)度均提高較多，提高幅度在31.9%～49.3%，充分證明了脫硫石膏對水泥-粗粉煤灰的激發(fā)效果。從C02～C05 試驗(yàn)組中，可以得到以下結(jié)果：隨著建筑垃圾比例的增加，各個(gè)齡期的強(qiáng)度均呈下降的趨勢，從柱狀圖中也可以看出，在C02～C04 試驗(yàn)組中，其強(qiáng)度下降的趨勢并不明顯，并且在C03 的8 h 齡期時(shí)其強(qiáng)度還出現(xiàn)了增長的趨勢；在固相比為1∶4∶7 時(shí)，強(qiáng)度的下降較為顯著，各個(gè)齡期的強(qiáng)度較1∶4∶6 的下降了約28.4%～38.8%，但是其早期強(qiáng)度和最終強(qiáng)度也都達(dá)到岱莊煤礦充填的強(qiáng)度要求。

2.2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)對充填膏體強(qiáng)度的影響

不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對建筑垃圾充填膏體強(qiáng)度的影響見表5，不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下充填膏體的抗壓強(qiáng)度柱狀圖如圖2。

表5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對充填膏體抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test results of different mass concentrations on compressive strength of construction waste filling paste

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下充填膏體的抗壓強(qiáng)度柱狀圖Fig.2 Histogram of compressive strength of construction waste filling paste with different mass fractions

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，充填膏體的強(qiáng)度整體呈增長趨勢，但是在不同的養(yǎng)護(hù)齡期其增長幅度存在一定的差別。由圖2 可知，在C01～C02 試驗(yàn)組中，其8 h 抗壓強(qiáng)度提高了25%，而后其抗壓強(qiáng)度的提高幅度均穩(wěn)定在15%左右，但是其28 d 的抗壓強(qiáng)度卻稍有降低，這可能是由于試驗(yàn)誤差所致；在試驗(yàn)組C02～C03，充填膏體8 h 的抗壓強(qiáng)度提高了20%，28 d 抗壓強(qiáng)度提高了24.1%；在試驗(yàn)組C04～C05，其8 h 抗壓強(qiáng)度并沒有提高，且在1、3、7、28 d 抗壓強(qiáng)度的提高幅度也僅在10%以內(nèi)。這是由于質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高，充填膏體中沒有充足的水分參與水化反應(yīng)，導(dǎo)致其后期強(qiáng)度有所降低。從圖中還可以看出，在5 組試驗(yàn)中，充填膏體28 d 的強(qiáng)度基本沒有提高，這是由于水分在充填膏體的水化過程中已參與完成水化過程或者蒸發(fā)、流失等，此時(shí)，含水量的多少與充填膏體抗壓強(qiáng)度的關(guān)系較小。

2.3 不同齡期對充填膏體單軸抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)選取水泥∶粉煤灰∶建筑垃圾為1∶4∶6 的材料配比，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為76%。其不同齡期的單軸抗壓強(qiáng)度應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3。

由圖3 可知，建筑垃圾充填膏體的應(yīng)力應(yīng)變特性在不同時(shí)期具有比較大的差別。在養(yǎng)護(hù)8 h 后，充填膏體中的膠凝材料剛剛開始水化，而且充填膏體內(nèi)部也存在較多的空隙，因此其應(yīng)力應(yīng)變曲線非常平緩，而且從圖3 中可以看出當(dāng)充填膏體的峰值達(dá)到之后，其強(qiáng)度并沒有急劇下降，而是慢慢減小，塑性變形非常大，應(yīng)變接近達(dá)到了3%。隨著膠結(jié)材料水化反應(yīng)的進(jìn)行，應(yīng)力的強(qiáng)度迅速增加，而且應(yīng)力應(yīng)變的曲線梯度也迅速增加，從圖中看出在1～7 d 的階段其仍存在一定的塑性變形區(qū)域，但是充填膏體已逐漸進(jìn)入彈性變形階段，在充填膏體的應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度極限之后，其不會像巖石一樣發(fā)生脆性破裂，而是隨著應(yīng)變的增加，仍保持著較高的殘余強(qiáng)度，具有很好的可塑性[21]。因此，在充填膏體的前期水化階段8 h，建筑垃圾-粉煤灰基充填膏體的變形基本都屬于塑性變形，在1～7 d 時(shí)期，充填膏體的應(yīng)力應(yīng)變特性屬于塑-彈-塑性類型，這段時(shí)期對于充填膏體控制頂板下沉的效果大有益處。

從充填膏體的后期28 d 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖中可以看出，充填膏體的彈性模量接近1 000 MPa，其接近巖石的全應(yīng)力應(yīng)變曲線圖，主要的過程如下：首先，充填膏體也經(jīng)過了壓密階段，變形量較小，也表明充填膏體此時(shí)具有一定的強(qiáng)度；其次，充填膏體迅速進(jìn)入彈性變形階段，應(yīng)變隨應(yīng)力的增加量很小，在此過程中充填膏體可以對圍巖起到很大的支撐作用，也可以有效地控制圍巖變形和頂板下沉等問題；然后曲線進(jìn)入下彎階段，曲線斜率逐漸減小，充填膏體達(dá)到了峰值，對頂板的支撐達(dá)到了最大強(qiáng)度；最后，曲線迅速下降，同時(shí)也顯示出了一定的延性破，充填膏體的殘余強(qiáng)度雖沒有之前的高，但仍可以承受一定的載荷，對于采空區(qū)的頂板支護(hù)具有很好的益處。

圖3 建筑垃圾充填膏體不同養(yǎng)護(hù)齡期的全應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Total stress-strain curves of construction waste filling paste at different curing ages

3 結(jié) 論

1）隨著固相比的增加，建筑垃圾充填膏體各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度均呈緩慢下降的趨勢，當(dāng)固相比較大時(shí)，其抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，但其早期強(qiáng)度和最終強(qiáng)度也都達(dá)到岱莊煤礦充填的強(qiáng)度要求，這充分驗(yàn)證了建筑垃圾作為充填材料在礦山充填工程的可行性。

2）隨著建筑垃圾充填膏體質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，充填膏體的強(qiáng)度會有所增加，尤其是對其早期強(qiáng)度的提高較為顯著。因此，在滿足膏體料漿輸送性能的基礎(chǔ)之上，可以通過調(diào)節(jié)膏體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)來提高充填膏體的強(qiáng)度或者通過減少膠結(jié)劑的用量來間接滿足充填膏體的強(qiáng)度要求進(jìn)而為充填節(jié)約一定的材料成本。

3）建筑垃圾充填膏體的應(yīng)力應(yīng)變特性屬于塑-彈-塑性類型，當(dāng)充填膏體強(qiáng)度達(dá)到峰值后，會出現(xiàn)一定的延性破壞，但是剩余抗壓強(qiáng)度扔抗壓承受一定的載荷，這段時(shí)期對于充填膏體控制頂板下沉的效果大有益處。