建筑垃圾充填膏体强度性能影响因素的试验

2020-08-21施现院张浩强

煤矿安全 2020年8期

施现院，李浩，刘音，张浩强

（1.山东康格能源科技有限公司，山东济宁272000；2.山东科技大学矿业与安全工程学院，山东青岛266590；3.中色国际帕鲁特有限责任公司，北京100089）

在中国，煤矿膏体充填开采技术已成为治理煤矿采空区塌陷、处理煤矿固体废弃物和解决“三下”压煤问题的有效途径[1-3]，由于充填材料的来源少、成本高等问题，开发1 种或多种新的充填材料应用到矿山充填开采中是急需解决的问题。将建筑行业在建设或拆除过程中产生弃土、渣土等建筑垃圾作为充填材料，不仅可以解决占用土地的问题，而且可以代替部分胶凝材料，节约成本。影响煤矿充填膏体性能的因素较多，很大程度上取决于充填材料之间的配比、料浆浓度等因素[4-7]。近年来国内很多科研工作者在建筑垃圾充填采空区方向的研究获得了相应的成果[8-13]。谷志孟教授[14-15]首批提出将城市建筑垃圾用于回填矿山采空区的想法，并结合实例论证两者结合的可行性。韩宇峰[16-17]研究了不同类别建筑垃圾的表观密度、堆积密度、吸水率及压碎指标，指出以建筑垃圾制备煤矿充填膏体满足矿山充填要求；匡中文等[18]探究了城市建筑垃圾的来源、分类及其物化组成等，验证了其作为充填材料的优越性，指出采用建筑垃圾作为膏体充填材料不但减少了地表、岩层移动破坏对环境的危害，而且有效地保护了资源。陈维新[19-20]通过正交试验的方法确定建筑垃圾-粉煤灰基作为胶结充填材料，试验结果表明该充填材料具有快凝、塑形强、残余强度高的优点。以上研究对建筑垃圾仅存在于表观性质的研究，但建筑垃圾与充填材料之间的相容性及配比等因素对充填膏体强度性能的探究性试验研究较少。为此，以建筑垃圾作为充填骨料，粉煤灰和少量水泥作为胶凝材料，通过设置不同水泥、粉煤灰、建筑垃圾的比例（以下简称固相比）和改变质量分数来探究对煤矿充填膏体单轴抗压强度的影响规律，并通过应力应变曲线来探究不同龄期对充填膏体抗压强度的影响机理。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

建筑垃圾是城市建筑物拆除后产生的建筑废渣，建筑垃圾组分见表1。建筑垃圾再生骨料主要指建筑垃圾经过分选、破碎、清洗、分级后，按一定比例与级配混合加工而成的级配骨料。水泥（32.5 号）来源于中国山东山水水泥集团有限公司，水泥化学成分见表2。粉煤灰来源于中国山东黄岛电厂，表观密度2 040 kg/m3，堆积密度750 kg/m3，粉煤灰化学成分见表3。试验所用脱硫石膏为黄岛电厂湿法脱硫排除的工业废渣，主要成分为CaSO4·2H2O，其品位可达90%～93%，游离水含量10%～12%，含碱低，无放射性，有害杂质少。

表1 建筑垃圾组分Table 1 Components of construction waste

表2 水泥化学成分Table 2 Chemical compositions of cement

表3 粉煤灰化学成分Table 3 Chemical compositions of fly ash

1.2 试验方案

首先，利用控制变量法，根据设定的不同固相比（水泥∶粉煤灰∶建筑垃圾=1∶4∶6～1∶4∶7）和质量分数（74%～78%）制备充填膏体，其规格为50 mm×100 mm 的标准圆柱体试件；其次，将制备好的充填膏体置入温度25 ℃，湿度为95%的混凝土标准养护箱进行养护；最后，在设定的龄期（1/3、1、3、7、28 d）用DY-2008DX 全自动压力试验机加载测试抗压强度，每组取3 个样品，测试结果取平均值。

2 试验结果及分析

2.1 固相比对充填膏体强度的影响

不同固相比对充填膏体强度影响见表4，不同固相比下膏体抗压强度柱状图如图1。

表4 不同固相比对充填膏体抗压强度的试验结果Table 4 Test results of compressive strength of construction waste filling paste with different solid ratios

图1 不同固相比下建筑垃圾充填膏体的抗压强度柱状图Fig.1 Histogram of compressive strength of construction waste filling paste compared with different solids

在试验组中，C01 组作为对比参照，在不参加任何激发剂的情况下，其前期强度和后期强度均能达到岱庄煤矿的强度要求。C04 组与C01 组相比，添加了一定量的脱硫石膏，其各个龄期的强度均提高较多，提高幅度在31.9%～49.3%，充分证明了脱硫石膏对水泥-粗粉煤灰的激发效果。从C02～C05 试验组中，可以得到以下结果：随着建筑垃圾比例的增加，各个龄期的强度均呈下降的趋势，从柱状图中也可以看出，在C02～C04 试验组中，其强度下降的趋势并不明显，并且在C03 的8 h 龄期时其强度还出现了增长的趋势；在固相比为1∶4∶7 时，强度的下降较为显著，各个龄期的强度较1∶4∶6 的下降了约28.4%～38.8%，但是其早期强度和最终强度也都达到岱庄煤矿充填的强度要求。

2.2 质量分数对充填膏体强度的影响

不同质量分数对建筑垃圾充填膏体强度的影响见表5，不同质量分数下充填膏体的抗压强度柱状图如图2。

表5 不同质量分数对充填膏体抗压强度的试验结果Table 5 Test results of different mass concentrations on compressive strength of construction waste filling paste

图2 不同质量分数下充填膏体的抗压强度柱状图Fig.2 Histogram of compressive strength of construction waste filling paste with different mass fractions

从试验结果中可以看出，随着质量分数的增加，充填膏体的强度整体呈增长趋势，但是在不同的养护龄期其增长幅度存在一定的差别。由图2 可知，在C01～C02 试验组中，其8 h 抗压强度提高了25%，而后其抗压强度的提高幅度均稳定在15%左右，但是其28 d 的抗压强度却稍有降低，这可能是由于试验误差所致；在试验组C02～C03，充填膏体8 h 的抗压强度提高了20%，28 d 抗压强度提高了24.1%；在试验组C04～C05，其8 h 抗压强度并没有提高，且在1、3、7、28 d 抗压强度的提高幅度也仅在10%以内。这是由于质量分数过高，充填膏体中没有充足的水分参与水化反应，导致其后期强度有所降低。从图中还可以看出，在5 组试验中，充填膏体28 d 的强度基本没有提高，这是由于水分在充填膏体的水化过程中已参与完成水化过程或者蒸发、流失等，此时，含水量的多少与充填膏体抗压强度的关系较小。

2.3 不同龄期对充填膏体单轴抗压强度的影响

试验选取水泥∶粉煤灰∶建筑垃圾为1∶4∶6 的材料配比，质量分数为76%。其不同龄期的单轴抗压强度应力应变曲线如图3。

由图3 可知，建筑垃圾充填膏体的应力应变特性在不同时期具有比较大的差别。在养护8 h 后，充填膏体中的胶凝材料刚刚开始水化，而且充填膏体内部也存在较多的空隙，因此其应力应变曲线非常平缓，而且从图3 中可以看出当充填膏体的峰值达到之后，其强度并没有急剧下降，而是慢慢减小，塑性变形非常大，应变接近达到了3%。随着胶结材料水化反应的进行，应力的强度迅速增加，而且应力应变的曲线梯度也迅速增加，从图中看出在1～7 d 的阶段其仍存在一定的塑性变形区域，但是充填膏体已逐渐进入弹性变形阶段，在充填膏体的应力达到屈服强度极限之后，其不会像岩石一样发生脆性破裂，而是随着应变的增加，仍保持着较高的残余强度，具有很好的可塑性[21]。因此，在充填膏体的前期水化阶段8 h，建筑垃圾-粉煤灰基充填膏体的变形基本都属于塑性变形，在1～7 d 时期，充填膏体的应力应变特性属于塑-弹-塑性类型，这段时期对于充填膏体控制顶板下沉的效果大有益处。

从充填膏体的后期28 d 应力应变曲线图中可以看出，充填膏体的弹性模量接近1 000 MPa，其接近岩石的全应力应变曲线图，主要的过程如下：首先，充填膏体也经过了压密阶段，变形量较小，也表明充填膏体此时具有一定的强度；其次，充填膏体迅速进入弹性变形阶段，应变随应力的增加量很小，在此过程中充填膏体可以对围岩起到很大的支撑作用，也可以有效地控制围岩变形和顶板下沉等问题；然后曲线进入下弯阶段，曲线斜率逐渐减小，充填膏体达到了峰值，对顶板的支撑达到了最大强度；最后，曲线迅速下降，同时也显示出了一定的延性破，充填膏体的残余强度虽没有之前的高，但仍可以承受一定的载荷，对于采空区的顶板支护具有很好的益处。