泡沫混凝土多孔性与单轴抗压力学试验研究

陶祥令,刘辉

(1.江苏建筑职业技术学院 矿业与交通工程学院,江苏 徐州 221116 2.江苏省建筑安全与减灾工程技术研发中心,江苏 徐州 221116)

泡沫混凝土多孔性与单轴抗压力学试验研究

陶祥令1,2,刘辉2

(1.江苏建筑职业技术学院 矿业与交通工程学院,江苏 徐州 221116 2.江苏省建筑安全与减灾工程技术研发中心,江苏 徐州 221116)

轻质材料泡沫混凝土存在较多封闭孔隙,具有在煤矿采空区充填的推广价值,且具备大量利用工业废物(如粉煤灰、矿渣和煤矸石等)的潜质.课题组研究制备了一种能卸压的泡沫混凝土材料,并通过室内试验及压缩特性研究,对泡沫多孔混凝土材料压缩力学特征进行了分析探讨.

泡沫混凝土;力学特性;多孔性;缓冲;充填;卸压

近年来我国很多煤矿进入深部开采,地应力条件复杂程度及岩体强度明显增加,巷道围岩表现出大变形和冲击地压,其变形破坏及能量转移规律研究已经成为采矿工程研究的重要课题之一.国内外学者针对高应力巷道的掘进与维护下的安全防护进行了大量研究和实践,取得了一些成果.文献[1]根据巷道冲击震动破坏机理分析,建立了冲击地压巷道围岩的强弱强结构力学模型,从理论上合理分析了对策.文献[2- 3]研究了强开采条件下巷道变形破坏与能量转移特征规律,从能量释放角度分析了巷道裂缝发生和扩展区域,具有重要的实际指导意义.

在巷道采空区充填方面,泡沫混凝土具有流动性高、集料消耗少、质量轻,以及防火、隔声、抗震、耐久等优异性能.本文拟根据泡沫混凝土的原料组成、配制方法及性能等研究现状,通过高强泡沫混凝土在室温下高应变率加载的压缩试验,分析探讨材料的多孔性影响因素及力学特性,为该材料在矿山巷道采空区的充填应用提供理论参考依据.

1 巷道采空后形变机理

巷道掘进开挖是将处于原始应力状态的岩土体进行应力重新分布,并伴随着采动作用影响和冲击震动波等多场耦合的应力场叠加.随着时空效应的延续,重新构造的应力若大于岩体极限承载能力,巷道采空区围岩将发生局部或全部破坏;或者已经处于重新构造应力平衡状态的岩体又受到外界传播的冲击震动波的破坏.因此,巷道采空区缓冲让压支护除考虑卸载后地应力重分布带来的影响外,还应重点分析采动活动等产生的冲击震动波——当两者的叠加破坏超过巷道围岩支护体的承载极限时,就会发生巷道采空区的失衡.

多孔泡沫材料具有较好的吸能、抗震和阻尼特性,文献[2,4]研制的一种泡沫金属材料刚柔耦合支护结构已应用于煤矿巷道支护.因此,制取施工便捷的泡沫混凝土材料并应用于巷道卸压缓冲充填区,将有助于保障巷道围岩和支护结构的稳定性.

1.1多孔材料缓冲能量下的应力应变解释

假定在多孔材料冲击过程中的能量无损耗,外部机械能全部转变为缓冲材料的变形能,则缓冲材料效果的优劣可依据单位体积吸收能量的能力大小进行判断.不同的缓冲材料,其弹性特性不同,对冲击能量的吸收能力也不同.根据材料力学中单位体积吸收能量公式,式中u等效于应力-应变关系(σ-ε)曲线积分的所得面积.其阴影部分的面积越大,缓冲材料单位体积所吸收的能量亦越大,因而缓冲材料的缓冲效果亦越好.

1.2 多孔材料受压形态分析

多孔泡沫金属材料已应用于航空航天、机械、汽车、高铁等领域.其受压过程的应力-应变可分为弹性阶段、平台阶段和致密阶段,在该过程中能显著吸收一定能量.文献[4]通过试验得到上述3个划分阶段.Lim等人[3]通过数值模拟软件(LSDYNA)对多胞固体动力压溃进行模拟,得到了塑性变形和能量耗散作用下的多胞塑性压溃形态(如图1所示).其后,K.Ramamurthy等人[5]根据泡沫混凝土的基体材料组成获得孔隙率与压缩强度的规律;魏鸿林等人[6]通过对泡沫混凝土材料微观分析,指出其主要破坏特征具有胞壁的工程塑性弯曲/破坏局部化现象;周顺鄂等人[7]在对泡沫混凝土压缩性及抗压强度模型研究中,将其压缩过程分为4个阶段,即平台阶段、密实阶段、屈服阶段和衰退阶段.可以说,上述研究论证了高强泡沫混凝土能有效地吸收冲击波能量,从而能够促进和保障巷道支护结构的稳定.因此,开展研制高强泡沫混凝土及相关力学特性参数研究,具有广阔的应用前景.

图1 LS-DYNA计算的环形系统各个变形阶段示意Fig.1 Schematic diagram of loop system at each transformation stage with LS DYNA calculation

2 试验材料及试验过程

2.1 试验材料

试验材料主要有:I型硅酸盐水泥(GB 175—2007)(42.5)、粘土陶粒(性能参数见表1)、JT复合动物蛋白发泡剂、聚丙烯纤维、微硅粉(Elken公司,颗粒粒径为0.01～0.1 mm)、助剂(早强剂,减水剂,引气剂,稳泡剂)、自来水等.试样采用100 mm×100 mm×100 mm的标准砂浆试块尺寸.

表1 骨料(粘土陶粒)性能Tab.1 Aggregate(clay ceramic)properties

经验表明,掺入纤维的合适长度为6 mm.随聚丙烯纤维掺量的增加,泡沫混凝土的脆性降低,韧性增强,抗裂性提高,聚丙烯纤维的适宜掺量为0.6%.由于发泡剂的优劣直接关系泡沫性质,进而影响泡沫混凝土的成孔和成型,因此对发泡剂的性能要求较为严格.试验时选用的发泡剂相关参数见表2.

表2 发泡剂性能Tab.2 Foaming agent properties

2.2 试样制备及测试过程

1)试样制备.泡沫混凝土制备步骤如下(以一组试验方案为例):(1)称量预定材料用量备用,按预制泡沫的方法制备泡沫混凝土;(2)将水泥和微硅粉均匀干拌1.5～2 min,然后加水(扣除泡沫制备用水)和助剂,继续搅拌2 min后,加入纤维,再搅拌4 min(不掺纤维的省去此步);(3)将同步按比例混合的发泡剂和水用发泡机制成泡沫,并将制好的泡沫加到料浆中用搅拌机匀速搅拌1～2 min;(4)将泡沫混凝土浇注到试模中,用木板刮平表面,将试样静置于试验室中24 h脱模,并送入标准养护室养护至规定龄期.

2)试样测试.通过测试,研究水灰比、泡沫含量、纤维含量、骨料粒径、骨料含量、微硅粉含量等因素对泡沫混凝土压缩强度的影响规律.(1)表观密度测试,提前3 d取出试样,置入120℃烘箱中连续烘干3 d后立即进行测试;(2)抗压强度测试,在YAW- 1000液压式万能试验机上进行,其中抗压强度测试加载速率为0.1 MPa/s;(3)微观结构等参数的测定和分析,使用KH 3000数字显微系统进行观测,并将扫描图片进行二值化处理,以便于观看内部孔隙结构及孔隙参数统计.

3 试验结果分析

3.1 孔隙率与强度关系

3.1.1 孔隙结构微观观测 通过数字显微系统扫描试样的剖面切片,将扫描图片进行二值化处理,选取几种典型的孔隙率观看内部孔隙结构(如图2所示)并进行孔隙参数统计.

图2 试样切片的内部孔隙结构与二值化Fig.2 Internal pore structure and binaryzation of sample section

由图2及不同孔径的百分比统计分析得出:当材料孔隙率较小时,孔径小的孔隙所占百分比较大,孔隙分布相互独立、均匀,且孔隙圆度值较高,大多呈近似圆形;当孔隙率较大时,则孔隙形状棱角较明显,圆度值较低.随着泡沫含量继续增大,当泡沫含量在40%～80%范围,即平均密度在1.00～0.50 g/cm3时,抗压强度衰减趋势将变缓,变化过程近似线性.同时随着水灰比的增大,该阶段抗压强度的变化率将趋于减小.

3.1.2 多因素与抗压强度关系 随机挑选2组不同序列(骨料粒径分别为5～10 mm、10～15 mm),将添加骨料的泡沫砂浆抗压强度随材料平均密度变化规律的实测与拟合结果进行对比(如图3所示).由图3可见,实测值与拟合值有较高的吻合度,因此可采用拟合回归结果对影响泡沫混凝土因素进行对比分析.

图3 不同骨料粒径抗压强度 表观密度实测值与拟合值对比Fig.3 Comparison between measured value and fitted value of compressive strength-apparent density of different

不同骨料掺量的泡沫砂浆材料的抗压性能的实测结果见表3.

表3不同径粒骨料掺量下抗压强度 表观密度变化Tab.3 Changes of compressive strength-apparent density of different mixing amount of aggregate size

3.2 试样在压缩过程中的力学特性分析

以密度为0.80 g/cm3和1.30 g/cm3的泡沫混凝土在0.1 MPa/s的加载速率下进行压缩试验,不同孔隙率下的材料工程应力-应变曲线如图4所示.压缩试验过程见图5.

图4 不同孔隙率下的材料工程应力-应变曲线Fig.4 Engineering stress-strain curve of materials of different porosity

图5 压缩试验过程Fig.5 Compression test process

结合图4,分析泡沫混凝土试样压缩应力-应变曲线.该曲线大致可分为三个段和一个点,具体描述如下:

1)弹塑缓增阶段.图4中①阶段在加载应力后,材料进入弹塑性屈服的受压状态.材料内部表层泡沫部分孔穴破损,靠近表面一些浇注不实的缺陷孔被也被压实,应力随着应变增加而趋势变缓(有文献称平台阶段).在此压缩过程中试样侧面变形极小,可以认为试样压缩方向的应变基本等于体积变化率,即定义

(其中:ε为应变,S为截面积,V′为试样压缩后的体积,V为试样原体积,L′为试样变形后的长度,L为试样原长度,ΔL为试样压缩变形量),符合材料各向同性的特点,此阶段即定义为弹塑缓增阶段.

2)类弹性密实阶段.图4中②阶段应力随应变基本呈线性增长.在此阶段胞壁破坏叠合在一起,形成密实区,应力随应变陡增,试样顶部和底部出现竖向的短裂隙,侧外表面向上下出现少许短裂隙.通过多组试验发现,试样内部浇注不实孔壁坍塌会造成此阶段产生应力转折(见图4中密度0.8 g/cm3②阶段区间),随着压缩破坏的孔壁被继续压实,应力随应变的正比增加.在此阶段试样密实处于线弹性范围,孔壁承载弹性变形.将此段定义为类弹性密实阶段.

3)衰退阶段.图4中④阶段试样整体被破坏,应力较明显地随着应变的增加而急速衰退,最后试样破坏失效.将此段定义为衰退阶段.

4)屈服破坏点.图4中③点为试样承载极限点,该点称为屈服破坏点.从应力到达峰值后,被破坏的孔壁之间相互贯通,从顶部到底部的孔壁被压垮而导致应力集中.竖向层面被压实后形成变形带,试样外表面形成自上而下的长裂隙,试样侧面剥落.当泡沫混凝土断面上骨架承载力超过其断裂强度时,发生脆性破坏.随着应力的增加,试样整个块面发生破裂(通过大量的试验图像可观察到裂隙分布有一定规律性,其发展角度与竖轴线夹45°角,高密度试样表现得愈为明显),超过此屈服破坏点,应力随着应变的增加而急速衰退.

上述对于3个阶段的划分并不是绝对的.大量试验研究表明,泡沫混凝土压缩力学特性受多种因素制约,如基本材料性能、孔隙率大小、掺合料多少及制备工艺造成孔壁的微缺陷等,甚至在试验过程中的外部振荡也会造成应力-应变曲线的转折点.在上述影响因素中,若假定基本材料性能处于稳定状态,孔隙率大小对泡沫混凝土的压缩力学性能影响为最大.

4 结论

1)泡沫混凝土在煤矿巷道采空后作为充填体是可行的,且泡沫混凝土材料具有保温保湿综合效应,拥有较大的应用空间,推广前景巨大.

2)通过对可用于煤矿巷道采空区充填卸压的多孔材料——高强泡沫混凝土压缩应力-应变曲线的特性研究,得到了泡沫混凝土强度与影响因素关系及压缩特性曲线特征.

3)对0.80 g/cm3和1.30 g/cm3两种密度泡沫混凝土试样进行压缩试验,其压缩力学特征可概括为三个段和一个点,即弹塑缓增阶段、类弹性密实阶段、衰退阶段和屈服破坏点.

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[2] 潘一山,肖永惠,李国臻,等.一种矿用消波耗能缓冲装置设计及试验初探[J].岩石力学与工程学报,2012,31(4):5- 11.

[3] Lim B B,transient response of pipe to shock loading[D].Singapore:Nanyang technological university,2001.

[4] 吕祥锋,潘一山.刚-柔-刚支护防治冲击地压理论解析及实验研究[J].岩石力学与工程学报,2012,31(1):58-65.

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[6] 魏鸿林,张世利,李克庆,等.泡沫混凝土的制备及其显微结构[C]//2009年全国保温材料技术交流会论文汇编,2009:30- 35.

[7] 周顺鄂,卢忠远,焦雷,等.泡沫混凝土压缩特性及抗压强度模型[J].武汉理工大学学报,2010,32(11):9- 13.

Mechanics experiment study on porosity and uniaxial compression of foam concrete

TAO Xiang-ling1,2,LIU Hui2
(1.School of Mining and Transportation Engineering,Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.Jiangsu Research&Development Centre of Construction Safety and Disaster Mitigation,Xuzhou,Jiangsu 221116,China)

As a light material,foam concrete has many closed pores,which brings about promotional value of being filled in mined-out areas,and it has a potential to use a large quantity of industrial waste such as coal ash,slag and gangue.Research group prepares a kind of releasable foam concrete material and expounds the compression mechanical property of foam cellular concrete through laboratory experiment and compression property study.

foam concrete;mechanical property;porosity;buffer;fill;pressure relief

TU 55

A

2095- 3550(2014)02- 0004- 04

2014- 02- 14

徐州市科技指导计划项目 (XZZD1322);江苏省高校科研成果产业化推进项目资助 (JHB2012- 69);江苏建筑职业技术学院校级科研资助项目 (JYA312- 05)

陶祥令,男,山东菏泽人,博士生,从事深部岩土力学和采空区绿色充填的研究.

E- mail:278209399@qq.com

(责任编辑:赵国淮)