水致弱化影响下粉煤灰泡沫混凝土充填体性能试验研究

张淑坤,李永靖,孙　琦

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，阜新　123000)



水致弱化影响下粉煤灰泡沫混凝土充填体性能试验研究

张淑坤,李永靖,孙琦

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，阜新123000)

以普通硅酸盐水泥、发泡剂、粉煤灰和外加剂为原料，制备采空区充填材料。通过试验研究，在不同含水率影响下，充填体的强度特性、应力-应变特性和变形特性。研究结果表明：自由水对充填体力学性能弱化较为明显。具体表现为：随含水率增加，制备的充填体试件抗压强度、抗剪强度递减，前期递减幅度较大，后期较小；充填体峰值强度、峰后残余强度以及延性均随含水率增加而递减；随含水率的增加，弹性模量降低幅度较大，泊松比变化幅度较小，剪切模量和体弹性模量均减小，水弱化影响下充填体会产生进一步压缩。

粉煤灰泡沫混凝土充填体； 含水率； 强度特性； 应力-应变关系； 变形特性

1　引　言

随着社会经济的发展，我国对于煤炭资源的需求有增无减。大量煤炭资源开采打破了原有的地应力平衡，从而形成采空区失稳，导致地表裂缝、移动、塌陷等灾害频繁发生。有效控制类似灾害发生，保护地面建(构)筑物和生态环境，实现煤炭资源绿色开采[1]，采用充填治理控制采空区上覆岩层移动，无疑是一个安全有效的办法[2]。采空区充填技术从最初的干式充填、湿式充填，逐渐向现在的胶结膏体充填方式转变。胶结膏体充填相对于前2种充填方式具有接顶率高、对上覆岩层移动控制效果好等特点，但由于膏体充填材料为骨料和水泥形成的胶凝材料构成，因此成本也较高。本着充填技术节能、高效的发展思路，膏体充填材料的研发种类也在不断革新。尤其是为了降低充填成本兼顾较好的胶凝强度，学者们进行了大量的尝试，特别是掺入工业废料粉煤灰来制备采空区膏体充填材料成为了研究热点[3]。

图1　试件局部放大[4]Fig.1　Partial enlarged detail

粉煤灰泡沫混凝土具有质轻、多孔、吸收变形能力强的特点，经过实验证明，其力学特性较为适合用于采空区充填。课题组前期也进行了相关试验，如图1所示，为粉煤灰泡沫混凝土制备的充填体试件局部放大[4]。其表面呈现凹凸不平的蜂窝状，内部则为封闭汽泡，密度较小。采用这种充填体，在保证充填体积前提下，消耗材料较少。在制备过程中，掺入适量的粉煤灰，生成有益于混凝土强度提高的水化硫酸钙、水化硫铝酸钙，同时也解决了电厂大量粉煤灰对现有环境的污染问题。然而，充填体在采空区内结石后会承担采空区顶板压力，因顶板压力会导致充填体压缩变形，直至充填体内部裂隙形成及发育[5]。实际上，采空区内部往往不同程度的含有地下水，无论是哪种充填材料自由水都会渗入结石充填体形成的裂隙中，对充填体性能产生弱化影响，降低了充填治理的效果。这种自由水无论是对煤体[6-8]、岩体[9,10]或其他充填材料[11]，都具有不同程度的弱化作用。粉煤灰泡沫混凝土充填体也不例外，目前针对于自由水对该充填体的弱化性能研究较少。因此，文中特针对水致弱化影响下粉煤灰泡沫混凝土充填体性能进行试验研究，分析充填体变形破坏机理，为采空区充填提供相应的理论依据，进而确定粉煤灰泡沫混凝土充填材料的适用性，为进一步实际应用奠定基础。

2　试　验

2.1试验原材料

选用阜新当地产普通42.5硅酸盐水泥，粉煤灰为阜新热电厂粉煤灰，具体化学成分组成如表1所示，并采用铝粉为制备充填体试件的发泡剂。通过采用熟石灰和芒硝对粉煤灰进行复合激发，提高粉煤灰活性，复合激发剂与掺入粉煤灰质量比为3%。复合激发剂可以使粉煤灰颗粒表面的Si-O和Al-O键断裂，生成水化硅酸铝和水化硅酸钙等胶结物，并将骨料包裹在内，使充填体达到较高强度。

表1　粉煤灰化学成分

2.2试件的制备

试件通过配料、发泡、混合搅拌、倒入模具、成型养护，最后制备成尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的试件，进行相关材料性能测试。

按照前期试验成果，制备绝干密度为400 kg/m3，粉煤灰掺量20%，对应发泡体积量约为1800 mL/kg左右，水料比为0.41。试件具体制备流程[4]：首先对发泡剂进行充分搅拌，制成均匀稳定的泡沫，直至达到所需泡沫量为止；按照试验配比掺入水泥、粉煤灰，高速搅拌形成均匀膏体；将制备好的泡沫加入该膏体中，继续搅拌均匀，时间约为3～4 min左右；将制备好的膏体倒入模具中，养护28 d，进行相关性能测试，试件如图2所示。本次共计制备了9组27个试件，进行了不同含水率情况下的强度测试、应力-应变测试和变形性能测试。

图2　试件制备Fig.2　Sample preparation

3　结果与讨论

分别针对不同含水率影响下，粉煤灰泡沫混凝土充填体的强度特性、其应力-应变关系及变形特性进行试验测试及分析，研究水对粉煤灰泡沫混凝土充填体性能弱化规律。

3.1含水率变化对充填体强度特性影响

如图3所示，随着试件含水率从60.5%增加至82.3%，充填体抗压强度陡然减小，从2.1 MPa减小至1 MPa左右。含水率增加至72%左右时，充填体抗压强度减小幅度最大，含水率由72%增至84%左右时，充填体抗压强度减小幅度减缓。原因在于外荷载作用导致充填体形成的裂缝、扩展并连通，渗透至充填体内部的水对充填体形成了弱化。含水率越大，渗透至充填体内部自由水就越多，弱化程度也越大。当达到含水率75%以上时，对强度的弱化影响基本完成，不会再有大幅度减小。若保持荷载一定，而延长自由水作用时间，试件会再次形成新的裂缝，自由水会再次进入新裂缝孔隙中导致材料强度再次弱化，充填体抗压强度还会进一步降低。

如图4所示，为不同含水率影响下充填体材料抗剪强度变化规律。随着含水率的增加，充填体抗剪强度减弱趋势大体与其抗压强度曲线相近。相近含水率情况下，充填体抗剪强度约为抗压强度的1/7左右。在含水率变化75%～85%区间后半程曲线中，充填体抗剪强度变化趋势不大。同样，延长自由水作用时间，也会导致充填体抗剪强度进一步降低。

由此可见，随着含水率的增加，充填体强度是逐渐弱化的。前半程曲线强度降低幅度较大，后半程曲线强度降低幅度较小。若延长自由水作用时间，充填体材料强度会进一步降低，这涉及到充填体在自由水弱化作用下的蠕变特性，该部分内容是后期研究的一个方向，本次不做深入探讨。

图3　充填体抗压强度Fig.3　Compressive strength of filler

图4　充填体抗剪强度Fig.4　Shear strength of filler

3.2含水率变化对充填体应力-应变关系影响

试件养护后，对含水率为55%、67.2%和79.5%的试件，进行应力-应变压缩试验，试验结果列入统一坐标系中进行对比分析，如图5所示。充填体为掺入粉煤灰的水泥混合料胶凝而成，充填体应力-应变关系大体与一般岩石体变形趋势相近。为了有针对性的进行分析，将其应力-应变曲线分为4个阶段。

第1阶段为oai段(i=1,2,3，不同下标分别表示为含水率为55%、67.2%和79.5%对应的曲线阶段，其它阶段类同)：施加荷载后，在该阶段主要表现为弹性变形，试件内部在外荷载作用下达到进一步密实态，表面没有出现裂纹，维持这一状态所经历的应力跨度较大，这也是充填体所需要的性能。在含水率55%和67.2%的试件中弹性变形阶段较为明显，如oa1和oa2阶段，oa2较oa1经历应力跨度较小，尤其是在含水率79.5%的试件中弹性变形阶段已经不明显，且试件在加载初期逐渐发生变形过程中，就伴有不同程度的裂纹扩展。

第2阶段为aibi阶段：应力-应变关系主要表现为非线性关系，曲线逐渐弯曲，斜率变小，充填体材料强度达到峰值状态。由于外荷载进一步挤压，试件开始出现裂纹，内部自由水开始逐渐渗出，充填体材料进入屈服阶段。含水率79.5%的试件，在初期就逐渐进入该阶段，含水率67.2%的试件进入该阶段要略早于含水率55%的试件。

图5　充填体应力-应变关系　Fig.5　Relationship between stress and strain of filler

第3阶段为bici阶段：该阶段充填体内部应力松弛，应变增长，内部塑性区域迅速发展扩大，裂缝裂隙贯通。随着含水率的增加，充填体峰值强度递减速度较快。

第4阶段cidi阶段：为充填体材料破坏后的残余强度，虽然应力不再增加，但试件应变量仍继续增加，而后期这种强度延性也是充填体所需的特性。试件含水率从55%增加到79.5%，应变增量从0.09(c1d1)缩短至0.02(c3d3)，表示充填体峰后抗变形能力变差。这是由于裂隙的扩展演化，使孔隙水进一步深入充填体内部导致弱化的结果。含水率越大，自由水越多，裂缝中水弱化效果就越加充分，这种弱化程度越强，自然峰后强度延性也越差。

总体可见，在含水率的影响下，充填体材料的峰值、峰后残余强度以及延性都随着含水率增加而递减，充填体材料的弹性变形阶段随着含水率的增加，表现的越发不明显。

3.3含水率变化对充填体变形特性影响

由式(1)～(3)的关系可知，根据弹性模量E、泊松比μ，便可计算出其他可以衡量材料变形性能的常数，如剪切模量G、拉梅常数λ以及体积弹性模量K。

(1)

(2)

(3)

因此，研究含水率变化对充填体变形特性影响，测定并分析充填体试件的弹性模量E和泊松比μ变化规律即可。如图6所示，为含水率影响下试件弹性模量变化规律。随着含水率的增加，弹性模量降低幅度较大，这与图5中表现出的弹性变形性能随着含水率变化关系相吻合。

图6　充填体弹性模量Fig.6　Elasticity modulus of filler

图7　充填体泊松比Fig.7　Poisson's ratio of filler

如图7所示，为含水率影响下试件泊松比变化规律。针对于泊松比，含水率的增加对其影响却较小，含水率在65%～85%变化区间内，泊松比在0.07～0.09变化，幅度较小。为了研究方便，忽略对泊松比的影响。综合公式(1)～(3)可知，含水率的增加会弱化充填体弹性模量，那么其他变形参数如剪切模量，体弹性模量均减小，与前期抗压强度及抗剪强度测试结果相吻合，同时体弹性模量的减小表明充填体材料在水弱化情况下会进一步产生压缩。

4　结　论

针对不同含水率影响下粉煤灰泡沫混凝土充填体强度特性、应力应变关系及变形特性进行了室内试验研究，试验结果表明：自由水对充填体材料性能弱化较为明显，具体表现为：

(1)充填体强度特性影响方面，随着含水率的增加，充填体试件抗压强度、抗剪强度递减，初期递减幅度较大，后期较小；

(2)充填体应力-应变关系影响方面，在含水率的影响下，充填体材料的峰值、峰后残余强度以及延性都是随着含水率增加而递减的，充填体材料的弹性变形阶段随着含水率的增加，表现的越发不明显；

(3)充填体变形特性影响方面，随着含水率的增加，弹性模量降低幅度较大，泊松比变化幅度较小，其他变形参数如剪切模量，体弹性模量均减小，充填体材料在水弱化情况下会进一步产生压缩。

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Experimental Study on Foamed Concrete Block Filler under the Influence of Moisture Content

ZHANGShu-kun,LIYong-jing,SUNQi

(Institute of Civil and Transportation,Liaoning Technical University, Fuxin 123000,China)

Using ordinary portland cement, foaming agent, fly ash, admixture as raw material to make paste filling material. Studying filling strength characteristic, stress-strain relationship and deformation characteristic under the influence of different moisture content by laboratory test. The results show that the weakening of the filling is obvious in free water. Specific performance is that with the increase of moisture content, the compressive strength and shear strength of filling decrease, early decrease range is larger, latter is smaller; peak strength of filling, post peak residual strength and ductility decrease with the increase of moisture content; With the increase of moisture content, the elastic modulus decreases faster, the Poisson's ratio changes smaller, other deformation parameters such as shear modulus, elastic modulus both decrease. The filling further compresses in moisture content.

foamed concrete block filler; moisture content; strength characteristic；stress-strain relationship; deformation characteristic

国家自然科学基金青年基金资助项目(50804020).

张淑坤(1983-)，男，讲师，博士.主要从事岩土工程方面的科研与教学工作.

TU528

A

1001-1625(2016)06-1851-05