改良黃土基密閉墻體力學及隔熱性能實驗研究

宋益名

(山東科技大學,山東 青島 266590)

0 引言

巷道密閉作為礦井調風、防火、隔水和抗沖擊的重要構筑物,可以有效實現通風系統調改風量、堵截巷道風流、封閉采空區、密閉災區的作用。長期以來,礦井密閉主要沿用傳統的矸石袋、料石、混凝土墻等方式,該作業方式主要存在以下問題[1-4]:1)施工原料重量較大,且不能滿足工作面快速施工要求;2)密閉墻體是剛性材質,緩沖性能較差,容易被壓裂壓垮出現漏風;3)大斷面封閉成本高且作業危險性大。

黃土作為低成本可持續發展的生態材料又開始受到關注。但黃土作為典型的結構性土,其大孔隙、鉛直管狀孔隙等特殊孔隙結構,造成其抗壓強度低、體積變形大和水穩定性差的特點。因此在工程應用中需要使用一定方法對黃土材料進行改良處理。使用黃土代替混凝土將為煤礦密閉墻“減員、提效、降本、降勞動負荷”提供新型解決方案。

1 原材料及實驗方法

1.1 實驗原料

所用黃土取自陜西省榆林市米脂縣表層土壤,取土深度1 cm～60 cm。所用水泥采用中國山東省濟南市平陰山水水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥P.O42.5。石膏采用中國河南省鄭州市錦源環保有限公司生產的半水脫硫石膏。UEA膨脹劑采用山東萊陽科宇外加劑廠的UEA膨脹劑。

1.2 實驗設計和材料制備

1.2.1 新拌黃土膏體流動性實驗設計

實驗采用T 0507—2005水泥膠砂流動度試驗方法和T 0518—2020水泥漿體自由泌水率試驗方法規定方法進行實驗。分析不同水固質量比(0.3,0.35,0.4,0.45,0.5)、不同水泥外摻量(c:10%,15%,20%,25%,30%)和不同石膏外摻量(g:5%,10%,15%)對黃土膏體流動性、泌水率的影響。

1.2.2 黃土墻體干縮率實驗設計

干縮率大可能會造成墻體開裂,從而影響墻體的氣密性。由于黃土在與水混合后其干縮率較大,石膏雖然具有微膨脹性但不足以抵抗其干縮率,UEA膨脹劑是一種以硫鋁酸鹽為主的膨脹劑,其能與水泥發生反應來實現抵抗干縮的效果,因此設置干縮率預試驗以分析膠凝材料、UEA膨脹劑對土體干縮率的影響。UEA摻量基數為水泥外摻質量。

1.2.3 黃土墻體正交實驗設計

為了更好的研究不同變量(水固比、水泥外摻量、石膏外摻量)對黃土膏體成型后墻體的各方面性能的影響,本文采用正交實驗的方法對澆筑成型墻體的各養護齡期抗壓強度、收縮率、導熱系數進行實驗,采用3因素3水平正交實驗,各因素分別為水固質量比:0.4,0.45,0.45;水泥外摻量:10%,20%,30%;石膏外摻量:5%,10%,15%。具體如表1所示。

表1 正交實驗設計

力學強度實驗參照GB/T 17671—1999水泥膠砂強度試驗方法,使用WDW3100型微機控制電子萬能試驗機和40 mm×40 mm水泥抗壓模具進行實驗,在垂直方向施加單軸壓力,加載速度設置為0.01 mm/min,得到試件的應力應變曲線,試件的抗壓強度計算公式可以反映水固比、水泥外摻量和石膏外摻量對密閉墻體力學性能的影響。

參照標準ASTM C518—2004,使用DRM-Ⅱ導熱系數測試儀進行實驗,在平行于試樣上下表面涂覆導熱系數為2.0 W/(m·K)的導熱硅脂,幫助熱量在試樣表面均勻傳遞。即試樣的平均導熱系數可以反映水固比、水泥外摻量和石膏外摻量對密閉墻體隔熱性能的影響。

2 結果與分析

2.1 新拌黃土膏體流動性實驗結果分析

外摻水泥實驗結果如圖1所示,結果表明水泥外摻可以提高黃土膏體的流動性,原因是水泥顆粒粒徑小于黃土顆粒,水泥漿體的流動性在同等液固比下優于黃土,在水固比不變的情況下提高水泥摻量對流動度的提升最高可達74 mm,使黃土膏體具有更好的擴展度。根據肖露軍對流動度提出的可澆筑性分級[5],在水固質量比大于0.35時外摻水泥可以使膏體的可澆筑性達到“Good”,滿足可澆筑性。

復摻石膏實驗結果表明,當水泥外摻量為c:30%時,復摻石膏會降低黃土膏體的流動度,因為石膏的摻入加速了膏體的硬化,導致黏度增大。在水固質量比為0.3時,加入的水被黃土和石膏顆粒吸附,擴展很少,水固質量比提高至0.35后并沒有明顯改善。當水固質量比為0.4時,流動性明顯提高,表明在0.35～0.4之間吸附水分已飽和。當水固質量比大于0.4后,自由水增加,流動度顯著提高。綜合分級結果,水固質量比大于0.4時復摻石膏的流動性達到“Good”。因此,后續實驗應采用水固質量比大于0.4進行。

泌水率反映了膏體的析水性能,膏體在輸送過程中需要析出一部分水形成潤滑層以減小沿程阻力,一般不大于3%～5%。外摻水泥泌水率實驗結果如圖2所示,結果表明在加入水泥后,泌水率較未外摻水泥明顯降低,黃土本身懸浮性弱,在未摻加膠凝材料時沉淀速率較快;而外摻水泥后,由于水泥漿體持水性強,提高了膏體的懸浮性,降低泌水率。且隨著水泥外摻量的增加,泌水率進一步減小,在外摻水泥30%、水固質量比0.4時達到最小值3.1%。復摻石膏實驗結果如圖2所示,結果表明,在水泥外摻30%時復摻石膏會進一步降低膏體泌水率,且膏體泌水率隨著石膏外摻量的增加而降低。外摻5%石膏時,在不同水固比下泌水率較單獨外摻30%水泥分別降低59.1%,64.8%和71.3%。外摻10%石膏時分別降低67.1%,75.4%和78.2%。外摻15%石膏時分別降低80%,82.1%和84.8%。

2.2 黃土墻體干縮率結果分析

墻體干縮率結果如圖3所示,在UEA膨脹劑摻量為0時各組均出現了不同程度的干縮,這是因為隨著水固比的升高試件內自由水增加,自由水受水泥水化作用以及自然蒸發而減少,從而干縮率增大。且水泥和石膏作為膠凝材料,在水化后會生成C-S-H結晶和鈣礬石會有效固結土體,且石膏具有微膨脹性,在水化后可以補償墻體收縮,降低收縮率。在UEA摻量為0.5%時試件干縮率顯著降低,且前三組各齡期干縮率均為0,說明摻加UEA能夠有效抑制墻體干縮。

2.3 黃土墻體正交實驗結果分析

測試的九組正交實驗試塊的抗壓強度、導熱系數和熱擴散系數結果數據均被統計在表2中,由于正交實驗的數據結果隨機分布,因此需要對其進行主次影響因素分析和摻量配比優化分析處理。

表2 正交實驗結果

2.3.1 抗壓強度實驗結果分析

9組試樣中,a6在不同齡期(7 d,14 d和28 d)表現出最高抗壓強度分別為1.79 MPa,4.96 MPa和7.22 MPa。相反,a4和a7的抗壓強度較低,分別為0.546 MPa,1.22 MPa和1.88 MPa。整體極差為1.24 MPa(7 d),3.74 MPa(14 d)和5.34 MPa(28 d),高于平均值1.17 MPa(7 d),2.58 MPa(14 d)和4.37 MPa(28 d)。結果表明,不同因素水平的變化對抗壓強度有顯著影響。通過極差分析可得:

1)齡期為7 d時,水固比對抗壓強度的影響最大,極差達到0.76 MPa;水泥外摻量次之,極差達到0.45 MPa;石膏外摻量最小,極差達到0.18 MPa。這是因為隨著水固比的升高試件內自由水增加,在試件成型初期,水泥水化程度較低,沒有充分吸收試件內的自由水,此時顆粒間空隙充水會起到潤滑作用,宏觀上抗壓強度會減小。

2)齡期為14 d時,水泥外摻量對抗壓強度的影響最大,極差達到2.50 MPa;水固比次之,極差達到1.52 MPa;石膏外摻量最小,極差達到0.47 MPa。這是因為隨著養護齡期的增加,土體內自由水與水泥進行水化反應使得自由水減少,顆粒間缺少潤滑而使得黏聚力增大,增強宏觀抗壓強度。同時水泥水化程度升高,土體內自由水與水泥進行水化反應在土體中生成的C-S-H凝膠和鈣礬石增加從而有效加固土體,使土體強度提高。

3)齡期為28 d時,水泥外摻量對抗壓強度的影響最大,極差達到3.41 MPa;水固比次之,極差達到2.09 MPa;石膏外摻量最小,極差達到0.83 MPa。在28 d齡期時,水泥已經與土體中的自由水充分完成水化反應,生成的C-S-H凝膠充填在土體的孔隙裂隙內,使土體達到最大強度。

各因素水平效應曲線如圖4所示,水固比變化對墻體抗壓強度表現出明顯的相關性,隨著水固比增大,墻體抗壓強度明顯下降,這是因為隨水固比升高,膏體內自由水含量增加,黃土顆粒表面的水化膜增厚,試件成型后隨著養護齡期的增加自由水揮發,會生成較多的毛細孔和微裂紋,造成抗壓強度降低;水泥外摻量變化對墻體抗壓強度的影響表現出明顯相關性,墻體抗壓強度隨水泥和石的摻量提高而明顯提高,這是由于水泥產生了水化產物C-S-H。C-S-H凝膠提供了一種強度骨架,可以將土顆粒緊密地結合在一起。因此,增加水泥摻量會產生更多的C-S-H凝膠,提高無側限抗壓強度;水泥外摻量變化對墻體抗壓強度的影響規律沒有表現出相關性,在養護齡期7 d時抗壓強度較穩定,在養護齡期為14 d時抗壓強度隨摻量增加而升高,這可能是因為石膏發生氣凝反應,反應產物起到填充、膠結作用,從而提高強度,在28 d齡期抗壓強度隨摻量增加先降低后升高,這可能是因為石膏外摻量水平從C1提升至C2時由于石膏的微膨脹效應,使墻體試件內裂隙增加,而石膏水平從C2提升至C3時,石膏的充分水化反應,對抗壓強度的提高作用大于其膨脹對抗壓強度的降低作用。綜合上述,根據各因素的指標分析,為保證墻體具有較強的抗壓強度,各因素的最佳水平為A1B3C1。

2.3.2 導熱系數及熱擴散系數實驗結果分析

導熱系數是一種表示材料在穩定狀態下傳導熱量的能力。九組試樣中試樣a3表現較好,為最低值0.255,而試樣a8表現最差,為最大值0.441 9。根據極差均值R分析,水固比對導熱系數的影響最大,極差達到0.129 W/(m·K),石膏外摻量次之,極差達到0.033 W/(m·K),水泥外摻量的影響最小,極差為0.022 W/(m·K)。

熱擴散系數是物體中某一點溫度的擾動傳遞到另一點的速率的量度,在非穩態傳熱過程中,熱擴散系數相較于導熱系數有更精確的反應,它表征單位試件內熱擾動的傳播面積。由于熱擴散系數與溫度的變化直接相關,因此熱擴散系數越小其隔熱性能越好。由圖5所示,九組試樣中a3表現較好,為最低值0.255,而試樣a8表現最差,為最大值0.441 9。根據極差均值R分析,水固比對熱擴散系數影響最大,極差達到0.002 790 7;水泥外摻量次之,極差達到0.000 962 2;石膏外摻量的影響最小,極差為0.000 213 8。

根據圖5,水固比對導熱系數和熱擴散系數都表現出明顯相關性,這是因為隨著水固比增大,試件內自由水增加,更多的自由水可以傳導溫度擾動。導熱系數和熱擴散系數極差增大;水泥外摻量系數表現出部分相關性,隨著水泥摻量增大導熱系數極差小幅度降低;石膏外摻量對導熱系數沒有表現出相關性,隨著石膏外摻量從C1(5%)提高至C2(10%),導熱系數表現出下降趨勢,石膏是一種相對良好的絕熱材料,較高的密度和較少的孔隙通常會提高隔熱性。綜合上述,根據各因素的指標分析,為保證墻體具有較好的性能,各因素的最佳水平為A1B3C2。

3 結論

本研究旨在改進井下密閉墻的施工方法,以提高經濟效益。通過實驗研究了不同水泥和石膏摻量對黃土墻體的影響,包括收縮率、抗壓強度和隔熱性能。研究得出以下主要結論:

1)水泥外摻可以提高黃土膏體的流動性,使其適用于大部分水固比情況,而石膏外摻則在較高水固比下提高流動性。墻體的干縮率隨著水固比的增加而增加,但添加0.5%的UEA膨脹劑可以顯著減小干縮率,甚至降至0。

2)水泥和石膏生成的化合物對干縮起到抑制作用,提高墻體穩定性。合理選擇水固比、使用UEA膨脹劑,以及優化水泥和石膏含量,可有效降低墻體的干縮,提高墻體的抗壓強度和隔熱性能,可提高墻體的耐久性和穩定性,減少變形和損壞。