膨脹充填材料工程力學特性的試驗研究及應用

馮志強，馬磊磊，管品武，唐 威，鄭 峰

(1.河南交通職業技術學院，河南 鄭州 450000；2.鄭州市市政工程管理處，河南 鄭州 450000；3.鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001；4.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京 100013；5.煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京 100013)

充填開采是實現資源安全、綠色環保、高效開采的重要開采方式，充填材料的選擇及充填材料工程力學特性是充填開采的核心組成部分。國內外科研工作者和現場工作人員對充填材料進行了大量的研究，取得了較多的研究成果，然而，充填材料的成本、使用后的力學特性、充填效果及充填接頂問題等還需要不斷深入研究[1-3]。

充填接頂問題關系到充填效果和充填體的承載強度。充填接頂率表示充填過程中充填材料接頂的多少，充填接頂率越大，充填材料接頂越多，充填效果越好，反之，充填接頂率越小，充填材料接頂越少，充填效果越差，造成頂板冒落，巷道變形嚴重，支護不穩，危及施工人員和作業人員的安全等。已有文獻[4-5]研究了煤矸石不同配比下的泡沫混凝土性質，利用正交試驗對泡沫膏體充填材料進行了配比優化，得到了最佳配比，對不同泡沫混凝土的力學性質進行了研究，并對煤礦采空區進行了充填。泡沫混凝土[6-7]作為充填材料的研究剛剛起步，本文研究了含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土膨脹材料的動靜載試驗，使用雙氧水作為發泡劑，分析了泡沫混凝土充填材料的混合方法以及強度特征等，為泡沫混凝土膨脹充填材料在采礦工程中的應用奠定了基礎。

1 試驗方法

1.1 材料

制作泡沫混凝土的原材料是普通水泥、砂子、粉煤灰、水和預制泡沫。水灰比(W/C)為0.5。①水泥：水泥使用42.5R的普通水泥，水泥的性質和具體組成見表1。②砂子：以2 520 kg/cm3的密度為粗骨料，實際顆粒小于5 mm，平均細度模數為2.5。③粉煤灰：粉煤灰作為細骨料平均顆粒直徑為15 μm，密度為2 400 kg/cm3的Ⅰ級粉煤灰。④發泡劑：濃度30%的工業過氧化氫作為發泡劑。在MnO2催化下，H2O2分解并釋放氧氣作為泡沫的來源。通過調節H2O2和MnO2的數量，可以調節發泡率和發泡能力。⑤穩泡劑：硬脂酸鈣(C36H70CaO4)作為一種泡沫穩定劑(1%的干物質)可以完全與干燥材料混合，泡沫穩定是H2O2作為泡沫劑制備泡沫混凝土的必要條件，穩定的泡沫可以避免泡沫的相互連接，從而防止表面泥漿泡沫的外溢。 ⑥水：自來水。

表1 水泥的性質與組成Table 1 Properties and composition of cement

1.2 混合比例

泡沫混凝土的混合比和方法沒有統一的標準[8-9]。 根據選定的粉煤灰、砂、水泥、水的密度作為基本指標，計算泡沫混凝土的設計密度。 泡沫混凝土的設計密度為1 000 kg/m3、1 200 kg/m3、1 400 kg/m3，具體的混合比見表2。

表2 泡沫混凝土的組成含量Table 2 Composition content of foam concrete

泡沫混凝土的材料混合設計密度為：水泥-砂(粉煤灰)-泡沫(雙氧水)-水原料混合比在泡沫混凝土中的關系見式(1)～式(6)。

ρm=Sa(Mc+Mfa)

(1)

ρm=Sa(Mc+Ms)

(2)

Mw=φ(Mc+Mfa)

(3)

Mw=φMc

(4)

Mfa=λMc

(5)

Ms=λMc

(6)

式中：ρm為泡沫混凝土的設計密度，kg/m3；Sa為質量系數，而普通硅酸鹽水泥則為1.2；Mc為每立方體泡沫混凝土中使用的水泥用量，kg；Ms為每立方體泡沫混凝土中的砂量，kg；Mfa為每立方米泡沫混凝土中粉煤灰的含量，kg；Mw為每立方體泡沫混凝土中的水使用量，kg；φ為水灰比；λ為水泥的替代量。

水泥、砂和水的總體積計算見式(7)，每立方泡沫混凝土的泡沫體積計算見式(8)。

(7)

V2=k(1-V1)

(8)

式中：V1為水泥、砂和水的總體積，m3；V2為每立方泡沫混凝土的泡沫體積，m3；ρfa為砂的密度，kg/m3；ρc為水泥的密度，kg/m3；ρw為水的密度，kg/m3；K為富裕系數，一般取1.1～1.4。

發泡劑的質量計算見式(9)。

(9)

式中：Mf為每立方米泡沫混凝土中發泡劑的質量，kg；Mh為根據化學反應產生1 mol氣體所需發泡劑的質量，kg；β為發泡劑的純度。

1.3 制作方法

泡沫混凝土的制備過程對泡沫混凝土的密度、氣泡分布、形狀、大小都有非常大的影響。本實驗中用H2O2分解產生氣泡作為發泡劑，通過控制H2O2和二氧化錳控制發泡量，從而控制泡沫混凝土的密度。 將水泥、砂等原材料按預定的計量放入攪拌機進行攪拌，攪拌約1 min至均勻，攪拌均勻后加入水、發泡劑，攪拌均勻，將混合物倒入Φ50 mm×100 mm的圓柱形塑料模具成型。24 h后脫模，并將泡沫混凝土放入標準養護箱中養護，溫度=20 ℃±2 ℃，相對濕度>95%。分別對密度為1 000 kg/m3、1 200 kg/m3、1 400 kg/m3，以及泡沫混凝土養護時間為3 d、7 d、14 d、28 d的泡沫混凝土取試樣利用電控微機伺服試驗機進行試驗進行單軸抗壓試驗測試。

2 膨脹充填材料的應力-應變曲線關系

2.1 單軸抗壓強度

根據含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土的單軸試驗，得到了兩種膨脹充填材料的力學特征。采用電控微機伺服試驗機測試系統，測試50 mm×100 mm的圓柱試樣。先對兩種泡沫混凝土的兩端進行了拋光，以減少壓板和泡沫混凝土試樣之間的摩擦，從而減少了對試樣橫向變形的影響。從開始加載到破壞，泡沫混凝土不開裂，當繼續接近或達到最大負載，一個小裂縫出現在試樣的中下部分，然后繼續加載，隨著壓力的增加，裂縫也開始增加，裂縫的擴展延伸到主裂紋，試樣開始破壞和斷裂。28 d含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土的應力-應變曲線分別如圖1和圖2所示。

圖1 28 d含砂泡沫混凝土的應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curve of foam concrete withsand on 28 d

圖2 28 d含粉煤灰泡沫混凝土的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curve of foam concrete withfly ash on 28 d

通過泡沫混凝土的單軸壓縮試驗，得到了不同密度、不同齡期的膨脹充填材料泡沫混凝土的力學性能，以泡沫混凝土28 d的應力-應變曲線說明泡沫混凝土的變化規律[10]。泡沫混凝土基本上經歷了4個過程。①彈性階段(A)。初始空隙與裂隙在發生閉合，空隙裂隙閉合后，泡沫混凝土發生彈性變形，此時應力與應變基本成線性關系。隨著壓力的不斷增大，泡沫混凝土的內部出現塑性變形。②應力下降階段(B)。泡沫混凝土應力達到最大時，泡沫混凝土開始破壞，此時的應力開始下降。③平臺階段(C)。隨著荷載的不斷增加，泡沫混凝土出現一個平臺階段，此時泡沫混凝土中泡沫的孔壁具有一定的抗壓能力。④壓密階段(D)。載荷繼續增加，泡沫混凝土并沒有立即破壞，而是仍然具有一定的抗壓能力，泡沫混凝土中的空隙繼續被壓密，直至泡沫混凝土完全破壞。對比28 d含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土的應力應變曲線，同一密度下，含粉煤灰的極限抗壓強度大于含砂泡沫混凝土的抗壓強度。

2.2 動載應力應變曲線

含砂泡沫混凝土的應力-應變曲線和含粉煤灰泡沫混凝土的應力-應變曲線的峰值應力值均隨沖擊速度的增大而增大[11]。 如圖3和圖4所示，分別為密度為1 400 kg/m3含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土在沖擊速度為4.0 m/s、5.0 m/s、6.0 m/s時的動態應力-應變曲線。泡沫混凝土的動力破壞可分為線彈性階段、屈服階段和孔壁破壞階段三個階段。①線性彈性階段：泡沫混凝土的孔隙結構支持一定的壓力，隨著的應力-應變曲線近似線性彈性行為，表明初始孔隙空間內的泡沫混凝土不能滲透。②屈服階段：隨著荷載的不斷增加，最終超過泡沫混凝土試件孔隙結構的最大壓力，塑性應變顯著增加，泡沫混凝土孔隙開始發生塑性破壞，發生脆性破壞。③孔隙壁破壞階段：泡沫混凝土孔隙在動荷載作用下達到應力峰值后迅速膨脹，泡沫混凝土試件開始出現宏觀損傷。當應力值達到最大應力值時，泡沫混凝土內部孔隙壁在壓實過程中開始發生破壞。試件的抗壓能力逐漸降低，泡沫混凝土試件內部形成宏觀斷裂面。泡沫混凝土孔隙結構完全破壞后，試件不再受荷載作用。

圖3 1 400 kg/m3含砂泡沫混凝土應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of 1 400 kg/m3foam concrete with sand

圖4 1 400 kg/m3含粉煤灰泡沫混凝土應力應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of 1 400 kg/m3foam concrete with fly ash

3 膨脹充填材料的抗壓強度

對比膨脹充填材料的試驗數據可以看出，養護28 d后，含砂泡沫混凝土的極限抗壓強度為3.34 MPa、4.20 MPa、5.47 MPa，含粉煤灰泡沫混凝土的極限抗壓強度為5.24 MPa、6.20 MPa、6.69 MPa。不論是含砂泡沫混凝土或含粉煤灰泡沫混凝土，隨著密度的增大，抗壓強度也增大。密度與含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土極限抗壓強度關系曲線如圖5和圖6所示。

圖5 28 d含砂泡沫混凝土的密度-極限抗壓強度曲線Fig.5 Density-ultimate compressive strength curve offoam concrete with sand on 28 d

圖6 28 d含粉煤灰泡沫混凝土的密度-極限抗壓強度曲線Fig.6 Density-ultimate compressive strength curve offoam concrete with fly ash on 28 d

4 不同齡期泡沫混凝土強度特征

由于泡沫混凝土含有大量的空隙，泡沫混凝土水分在蒸發過程中比普通混凝土所需時間更長，泡沫混凝土的膠結材料為水泥，水分蒸發慢，水泥固化速度較慢。隨著泡沫混凝土齡期越長，泡沫混凝土的固化程度越高，泡沫混凝土的抗壓強度越大。含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土養護時間與峰值應力關系曲線如圖7和圖8所示。

圖7 含砂泡沫混凝土的齡期-極限應力曲線Fig.7 Age-limit stress curve of foam concrete with sand

圖8 含粉煤灰泡沫混凝土的齡期-極限應力曲線Fig.8 Age-limit stress curve of foam concrete with fly ash

5 動靜載關系及現場應用

5.1 泡沫混凝土動靜加載關系

泡沫混凝土的材料密度對其力學性能有一定的影響。隨著密度的增加，泡沫混凝土的屈服強度、平臺應力和能量吸收能力均有明顯提高[12-13]。泡沫混凝土的應力隨密度的增大而增大，含粉煤灰泡沫混凝土與含砂泡沫混凝土表現出不同的特性，含粉煤灰泡沫混凝土的抗壓強度高于含砂泡沫混凝土。應力-應變曲線呈現出不同的階段，可以用孔隙結構的函數來解釋。材料的強度通常是孔隙率的函數，但在本文中，密度增加20%并不會導致強度的顯著提高。這與制備泡沫混凝土所使用的材料、發泡劑種類和養護工藝有關，在本文中，這種現象主要是由發泡劑引起的。

泡沫混凝土的動態抗壓強度大于靜態抗壓強度。泡沫混凝土在準靜態荷載作用下，具有明顯的延性和韌性。在準靜載荷作用下破壞模式為壓實破壞，動力破壞模式為逐層破壞，如圖9所示。

圖9 泡沫混凝土破壞模式Fig.9 Failure mode of foam concrete

5.2 現場應用

陜西某礦工作面采用回采，通過實地調研發現，原煤層開采時存在多條空巷和采空區，采空區巷道幫部變形嚴重，影響了工作面的正?；夭?。在試驗段巷道布置充填鉆孔，可以有效保證充填高度。在巷道中心線兩側各設置4個主要充填鉆孔，孔間距3 m，充填材料選擇密度為1 000 kg/m3的含粉煤灰泡沫混凝土。

通過對主要充填鉆孔進行取樣,制作標準試件進行試驗，設計為1 000 kg/m3含粉煤灰泡沫混凝土充填材料現場取樣密度為1 028 kg/m3，可以滿足礦井安全開采對充填材料的要求。通過對充填區域進行鉆孔窺視檢驗充填泡沫混凝土的狀態和效果可知，泡沫混凝土在頂板充填后，能夠和頂板充分接實，達到接頂目的，說明泡沫混凝土作為充填材料起到了很好的效果。

6 結 論

1) 膨脹充填材料泡沫混凝土不論含砂或含粉煤灰，單軸應力應變過程基本上都經歷了4個過程：彈性階段、應力下降階段、平臺階段和壓密階段，沖擊荷載作用下的應力-應變曲線表現為3個階段：線彈性階段、屈服階段、孔壁破壞階段。

2) 泡沫混凝土的強度隨著密度的增大而增大，隨著氣泡的增多而減小。相同密度下，含粉煤灰泡沫混凝土極限抗壓強度大于含砂泡沫混凝土極限強度。

3) 膨脹充填材料泡沫混凝土的極限應力隨著養護時間的增加而增大，隨著泡沫混凝土的養護時間的增加，泡沫混凝土的應力增長速率逐漸減少。泡沫混凝土在準靜態荷載作用下，具有明顯的延性和韌性。在準靜載荷作用下破壞模式為壓實破壞，動力破壞模式為逐層破壞。

4) 現場實踐表明，泡沫混凝土充填材料可以滿足煤礦充填開采的應用，對泡沫混凝土的在煤礦中的進一步應用奠定了基礎。