廢矸石改進的豆礫石作為煤礦TBM壁后充填材料力學(xué)性能探究

摘""要：以廢矸石為粗骨料加水泥混合漿液制備盾尾間隙充填材料。研究不同水灰比與不同外加劑配比下充填材料在不同養(yǎng)護時間（1"d、7"d、14"d），單軸抗壓強度的變化，結(jié)果表明：廢矸石改進豆礫石作為粗骨料使得充填材料壓密階段增長，表現(xiàn)出一定的延性，材料抗壓強度提高。隨著養(yǎng)護時間的增長，充填材料抗壓強度增高。當(dāng)外加劑按一定配比加入混合漿液，充填材料早期強度提升且抗壓強度峰值提高，達到早強高強的效果。隨著矸石的加入與漿液交互補強，承載機制包括矸石嚙合、粘結(jié)補強和膠結(jié)固化3個重要過程。在壓實過程中應(yīng)力-應(yīng)變曲線出現(xiàn)孔隙壓密、滑移調(diào)整和破碎重構(gòu)3個階段。

關(guān)鍵詞：廢矸石"固廢充填"抗壓強度"注漿材料"力學(xué)性能

中圖分類號："TD82

Study"on"Mechanical"Properties"of"of"Pea"Gravel"Improved"from"Waste"Gangue"as"Backfilling"Material"for"Coal"Mine"TBM"Walls

MAO"An1""TANG"Bin1，"2"*""LI"Hongliang3""HOU"Junling4""TAO"Wenbin5

1."School"of"Civil"Engineering"and"Architecture，"Anhui"University"of"Science"and"Technology，"Huainan，"Anhui"Province，"232001"China;"2.State"Key"Laboratory"of"Mining"Response"and"Disaster"Prevention"and"Control"in"Deep"Coal"Mine"of"Anhui"University"of"Science"and"Technology，"Huainan，"Anhui"Province，"232001"China;"3.Huainan"Mining"（"Group"）"Co.，"Ltd.，"Huainan，"Anhui"Province，"2320013"China;"4.School"of"Vanadium"and"Titanium，"Panzhihua"University，"Panzhihua，"Sichuan"Province，"617000"China;"5.Anhui"Transport"Consulting"and"Design"Institute"Co.，"Ltd.，"Hefei，"Anhui"Province，"230088"China

Absrtact："The"shield"tail"gap"filling"material"was"prepared"by"using"waste"gangue"as"coarse"aggregate"and"cement"mixed"slurry."The"changes"of"uniaxial"compressive"strength"of"filling"materials"under"different"water-cement"ratios"and"different"admixture"ratios"under"different"curing"time"（"1d，"7d，"14d"）"were"studied."The"results"show"that"the"improvement"of"pea"gravel"as"coarse"aggregate"using"waste"gangue"results"in"an"increase"in"the"compaction"stage"of"the"filling"material，"showing"a"certain"ductility，"and"the"compressive"strength"of"materials"increases."With"the"increase"of"maintenance"time，"the"compressive"strength"of"filling"material"increases."When"the"admixture"is"added"to"the"mixed"slurry"according"to"a"certain"ratio，"the"early"strength"of"the"filling"material"can"be"improved"and"the"peak"value"can"be"increased"to"achieve"the"effect"of"early"strength"and"high"strength."With"the"addition"of"gangue"and"the"interaction"of"slurry"reinforcement，"the"bearing"mechanism"includes"three"important"processes："gangue"meshing，"bonding"reinforcement"and"cementation"curing."During"the"compaction"process，"the"stress-strain"curve"appears"three"stages"of"pore"compaction，"slip"adjustment"and"fracture"reconstruction.

Key"Words："Waste"gangue;"Solid"waste"filling;"Compressive"strength;"Grouting"material;"Mechanical"properties

隨著煤礦需求量的增加，對于施工現(xiàn)場產(chǎn)生廢料的處理一直是人們探討的問題[1-2]，常西坤等人[3]就廢棄物循環(huán)再利用研究不同石膏水泥比、粉煤灰水泥比和矸石漿液比下充填體抗壓強度的變化規(guī)律，"深部煤礦巷道開采過程中產(chǎn)生的廢矸石進行處理再投入巷道支護中，避免了廢料的堆積，節(jié)省了施工材料[4]。

楊科等人[5]設(shè)計了不同粉煤灰摻量的加漿改性固體充填材料壓實試驗，為充填材料后期強度的提高及充填成本的降低提供理論和數(shù)據(jù)支撐。Tong"Z等人[6]考慮混凝土強度等級和煤矸石替代率，對煤矸石砂混凝土的力學(xué)性能和環(huán)境性能進行了實驗和理論研究。SHEN"L.L等人[7]提出用6種添加劑制備高含水煤泥水基膠凝材料，以粘結(jié)煤泥顆粒，改善其力學(xué)性能。念騰飛等人[8]采用蒙特卡洛算法生成隨機的不規(guī)則包圍盒再利用ODEC算法對生成的包圍盒進行填充進而生成不規(guī)則的骨料。楊彥海等人[9]采用CT對混合料進行三維重造，獲取數(shù)字圖像信息導(dǎo)入軟件進行掃描得到集料模型探究不同長寬比、高寬比對混合料強度的影響。

本文采取現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬結(jié)合的方式，采用單軸壓縮試驗探討不同配比以及養(yǎng)護時間對于混合漿液的力學(xué)性能的影響。

1"單軸壓縮試驗

1.1""試件制備

在深部巷道掘進工作面取廢矸石樣本作為豆礫石，試驗室進行篩分處理，得到直徑5～10"mm豆礫石作為粗骨料，試塊尺寸為100"mm×100"mm×100"mm的立方體。在標(biāo)準(zhǔn)條件下分別養(yǎng)護1"d、7"d、14"d后取出。

1.2"原材料與配合比設(shè)計

本文試驗所用材料有：P42.5混凝土、廢矸石（5～10"mm）、膨脹劑、早強劑、減水劑（如圖1所示）。按照設(shè)計配比（見表1）。進行試塊的制備，試塊澆筑完成后進行養(yǎng)護，分批分次進行單軸壓縮試驗。

1.3""試驗設(shè)備和方案

試驗采用WAW-1000萬能試驗機如圖2所示。

圖2"""WAW-1000萬能試驗機

單軸壓縮試驗采用WAW-1000萬能試驗機，試驗嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)及儀器操作規(guī)程進行，采用位移控制加載方法，軸向加載速率1"mm/min，加載至試件產(chǎn)生裂紋，發(fā)生破壞停止。系統(tǒng)記錄加載過程中的力和位移等數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線。試樣峰值強度即為單軸抗壓強度。

按照配比以及養(yǎng)護時間依次進行單軸壓縮試驗，具體試驗步驟如下。

（1）按照分組和養(yǎng)護時間對試件進行標(biāo)號，處理試塊表面，清理試驗儀器平臺減小誤差。

（2）調(diào)整試驗儀器讓加載設(shè)備與試塊緊密貼合。

（3）準(zhǔn)備工作完成后，試驗機選用位移控制，采用1"mm/min的軸向位移加載使試件破壞，記錄試件試驗數(shù)據(jù)。

2""試驗結(jié)果與討論

2.1""試驗數(shù)據(jù)

試塊單軸抗壓性能研究按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T"50081-2002）"的有關(guān)規(guī)定進行。通過單軸抗壓試驗得出填充材料試塊的抗壓強度、彈性模量、變形模量等。抗壓試件采用尺寸100"mm×100"mm×100"mm"立方體試塊每組澆筑三塊，分別對養(yǎng)護時間為1"d、7"d、14"d的試塊進行單軸抗壓試驗，結(jié)果見表2。

2.2""不同養(yǎng)護時間下充填材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同配比和養(yǎng)護時間下室內(nèi)試驗結(jié)果如圖4所示。其中，圖4（a）為6種配比在不同養(yǎng)護時間下的單軸抗壓強度，圖4（b）為配比1-3在不同養(yǎng)護時間下單軸加載試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖4可見，充填材料剪切位移曲線均為應(yīng)變軟化型曲線，所以不同養(yǎng)護天數(shù)下應(yīng)力-應(yīng)變曲線走勢基本一致，隨著養(yǎng)護時間增加峰值應(yīng)力提高。試塊隨著軸向位移的增加呈現(xiàn)出明顯的壓密階段，此時曲線相對平緩，隨后出現(xiàn)彈性階段應(yīng)力隨軸向位移的增加而快速增加、裂縫開展階段、破壞階段達到峰值后急劇下降，隨后趨于平穩(wěn)。

（1）壓密階段（OA），由于充填豆礫石的粒徑和占比不變，所以隨著養(yǎng)護時間的增長壓密階段長度基本不變，但隨著養(yǎng)護時間的增長壓密階段切線模量增大。

（2）彈性變形階段（AB），該階段加載力較小，粗骨料產(chǎn)生彈性變形，試件內(nèi)部缺陷發(fā)展緩慢，曲線走勢呈線性關(guān)系。

（3）裂縫發(fā)展階段（BC），隨著軸向加載力的不斷增大，試塊內(nèi)部的空隙逐漸壓實壓密，開始出現(xiàn)裂紋并快速發(fā)展，直至承載力達到峰值，切向模量隨著應(yīng)變的增加在峰值點C降為0。

（4）破壞階段（CD），到達峰值應(yīng)力C后，試塊表面裂紋急速發(fā)展，試塊表面出現(xiàn)多道豎向裂紋，隨著裂紋的增多，試塊開始由兩邊向中間脫落。

應(yīng)力峰值差別輕微，與配比與養(yǎng)護時間有關(guān)。應(yīng)力峰值隨著養(yǎng)護時間的增加而增大，同時壓力的峰值也更快地達到，貼合工程實際所需要的早強與高強要求。

3""結(jié)論

本文制作了不同水灰比、外加劑摻量、養(yǎng)護時間的試塊，進行單軸壓縮實驗，得出以下結(jié)論。

（1）外加劑的添加和養(yǎng)護時間的延長都會增強試塊的單軸抗壓強度，1～14"d單軸抗壓強度最高增加32.2%。相同養(yǎng)護天數(shù)下，不同配比外加劑的試塊單軸抗壓強度最高提升24.3"MPa。

（2）當(dāng)水灰比為0.5，外加劑摻量分別為膨脹劑7%、早強劑5%、減水劑0.6%時，試塊表現(xiàn)出的單軸抗壓強度最高，隨養(yǎng)護時間的增強單軸抗壓強度增長速率最快，在壓密階段后強度增長速度更快，單軸抗壓強度峰值更高，達到峰值的時間更短，符合實際工程需求。

參考文獻

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