改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构及其应用

(安徽理工大学土木建筑学院， 安徽淮南232001)

0 引言

烟气脱硫石膏(Flue Gas Desulfurization Gypsum)，简称FGD石膏，是对含硫燃料(煤、油)燃烧后产生的烟气进行脱硫净化处理后得到的工业副产品，其主要成分是二水硫酸钙[1-3](CaSO4·2H2O)。由于缺乏必要的技术保障以及相应的行业标准，大量的脱硫石膏被堆置，这不仅造成了资源的浪费，更是对周围环境造成了较大的污染，目前脱硫石膏已经成为我国第二大工业固体废弃物[4]，如何充分发掘脱硫石膏的利用价值、缓解脱硫石膏的堆置带来的环境压力已经成为一个亟待解决的问题。

近些年，部分学者对脱硫石膏的利用前景进行了初步探索[5-7]，发现脱硫石膏强度低、遇水即软化的缺点是限制脱硫石膏利用价值的主要因素[8]，而将二水脱硫石膏在110～170 ℃下煅烧，脱水生成β型半水石膏，然后与矿物激发剂(矿渣、水泥等)和化学激发剂混合搅拌后最终形成的改性脱硫石膏则克服了上述缺点[9-10]，改性后的脱硫石膏为水硬性材料，可以作为胶凝材料实现对低标号水泥的部分替代[11-13]，但鲜有应用实例，基于此，拟将改性后的脱硫石膏替代水泥应用到巷道喷射混凝土支护中。本文通过模型试验以及数值计算对这种新型支护结构的受力及变形规律进行研究，并通过现场应用和监测评价，验证其实际的使用效果。

1 改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构力学特性

1.1 模型试验

为了研究改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构的受力特性，设计了支护结构模型试验[14]。首先，基于水泥基喷射混凝土井下喷浆料常规的配合比，考虑改性脱硫石膏与水泥需水量的差异，根据两种混凝土坍落度相等原则，最终确定了改性脱硫石膏基混凝土的配合比为(脱硫石膏母料：瓜子片∶砂∶水=1∶2.1∶1.9∶0.33)，每次试验浇注模型时均预留改性脱硫石膏基喷射混凝土试块，并测得其单轴抗压强度如表1所列。试验过程中通过液压油缸的油压来模拟支护结构的外载，为确保在试验中支护结构始终处于平面应力状态，采用地脚螺栓以及拉杆来约束其竖直方向位移[15]。模型的尺寸和试验加载装置布置见图1和图2。分别进行均匀加载与非均匀加载两组试验，支护结构承载能力与破坏形式见表1。

表1 支护结构承载能力与破坏形式Tab.1 Bearing capacity and failure modes of retaining structures

由表1可见，均匀加载时，腿部最先发生弯曲并出现受拉破坏，支护结构破坏时拱部承载力的平均值为0.56 MPa，腿部承载力的平均值为0.41 MPa；不均匀加载时，腿部荷载保持为0.16 MPa，拱部承载力的平均值为1.1 MPa时，拱肩部出现压剪破坏。由此可见，当侧压较大或者侧压和顶压均较大时，直墙半圆拱喷射混凝土巷道的两帮首先出现受拉破坏；当顶压较大时，在巷道的拱肩部出现压剪破坏。

1.2 数值计算

支护结构中改性脱硫石膏混凝土单元选用Solid 65单元，钢筋单元选用Link8单元，混凝土材料选用多线性随动强化模型和Willam-Warnke5破坏准则，钢筋材料屈服模型选用双线性各向同性强化模型。材料的物性参数参见表2所示。网格划分如图3所示。

图1 模型试验平面布置示意图
Fig.1 Sketch map of model test plane layout

图2 模型试验照片
Fig.2 Photograph of model test

表2 计算模型物性参数Tab.2 Physical parameters of calculation model

(a) 模型整体网格划分图

(b) 钢筋网格划分图

图3 计算模型网格划分图
Fig.3 Mesh diagram of computational model

根据支护结构的实际受力情况，在模型腿部底端施加固定约束，在模型外表面施加均匀面荷载，在模型上下两面施加z方向对称面约束。按照分级逐次加载方式同时对支护结构的拱部和腿部进行加载，加载方式分为4种工况:工况1为拱部施加荷载,每个计算荷载步增加0.1 MPa，腿部不施加荷载，直至支护结构破坏；工况2为拱部施加荷载,每个计算荷载步增加0.1 MPa，同时，腿部施加荷载增加0.02 MPa，直至支护结构破坏；工况3为拱部施加荷载,每个计算荷载步增加0.1 MPa，同时，腿部施加荷载增加0.05 MPa，直至支护结构破坏；工况4为拱部和腿部同时施加荷载，且每个计算荷载步均增加0.1 MPa，直至支护结构破坏。

在工况1条件下，改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构外荷载与环向应力关系曲线如图4所示，由图4可见，改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构模型的腿部不施加荷载，拱部逐级施加荷载，随着拱部荷载的逐渐增加，支护结构的混凝土以及钢筋的应力呈线性增大趋势，构件整体处于受压状态，且腿部与拱部的应力大致相等。当拱部荷载增加至2.5 MPa时，支护结构的混凝土压应力以及钢筋压应力分别达到 30.7 MPa以及240.4 MPa，两者都达到对应的材料强度极限，支护结构发生整体受压破坏。

(a) 荷载—混凝土环向应力曲线

(b) 荷载—钢筋环向应力曲线

图4 工况1对应的荷载与环向应力关系曲线
Fig.4 Relation between load and hoop stress in case 1

在工况2条件下，改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构外荷载与环向应力关系曲线如图5所示，由图5可见，施加在支护结构腿部上的荷载为拱部荷载的1/5，逐渐对支护结构进行加载，在加载过程中，支护结构中混凝土应力随外荷载的增加呈线性变化，混凝土压应力最大值位于其拱部和腿部交界处的外表面，即14和34点处；支护结构内缘拱顶部22点混凝土的压应力次之，沿内缘由拱顶到腿部其压应力逐渐减小，如17和27点的压应力值>12和32点的压应力值>7和37点的应力值，并且7和37点的应力为0，表明其处于受拉状态；另外，支护结构腿脚部的内外侧混凝土应力(2和42点、4和44点)与拱肩部内缘17和27点的基本相等；当拱部荷载达到1.2 MPa、腿部荷载达到0.24 MPa时，14和34点处的混凝土应力最先达到其极限值，紧接着22点混凝土应力也达到其极限值；支护结构中钢筋应力随外荷载的增加也呈线性变化，其拱部和腿部交界处钢筋的应力最大。支护结构由于其腿部混凝土应力达到其极限值而发生压剪破坏。

(a) 荷载—混凝土环向应力曲线

(b) 荷载—钢筋环向应力曲线

图5 工况2对应的荷载与环向应力关系曲线
Fig.5 Relation between load and hoop stress in case 2

在工况3条件下，改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构外荷载与环向应力关系曲线如图6所示，由图6可见，施加在支护结构腿部上的荷载为拱部荷载的1/2，逐渐对支护结构进行加载，在加载过程中，混凝土以及钢筋的环向应力随着荷载呈线性增长关系，且腿部钢筋以及混凝土的应力增长较快，当拱部荷载以及腿部荷载分别增加至0.7 MPa以及0.35 MPa时，首先，支护结构内缘拱顶部22点混凝土的压应力达到最大值，随后支护结构内缘拱肩部17和27点，以及腿部内侧2和42点、外侧4和44点的混凝土的压应力达到最大值；支护结构拱部和腿部交界处内缘12和32点与7和37点的混凝土应力为0，表明其处于受拉状态。支护结构的钢筋应力由拱顶向腿部逐步由受拉变为受压状态，最终支护结构在腿部发生破坏。

(a) 荷载—混凝土环向应力曲线

(b) 荷载—钢筋环向应力曲线

图6 工况3对应的荷载与环向应力关系曲线
Fig.6 Relation between load and hoop stress in case 3

在工况4条件下，改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构外荷载与环向应力关系曲线如图7所示，由图7可见，施加在拱部与腿部上的荷载大小相等，逐次分级对支护结构进行加载，在加载过程中，支护结构中混凝土应力随外荷载的增加呈线性变化，混凝土压应力最大值位于其拱部和腿部交界处的外表面，即14和34点处；支护结构内缘拱顶部22点混凝土的压应力次之，另外，支护结构腿脚部的内外侧混凝土应力(2和42点、4和44点)与拱肩部内缘17和27点的基本相等；支护结构拱部和腿部交界处内缘12和32点与7和37点的混凝土应力为0，表明其处于受拉状态。支护结构的钢筋应力由拱顶向腿部逐步由受拉变为受压状态；当拱部以及腿部的荷载同时达到0.6 MPa时支护结构的腿部发生破坏。

(a) 荷载—混凝土环向应力曲线

(b) 荷载—钢筋环向应力曲线

图7 工况4对应的荷载与环向应力关系曲线
Fig.7 Relation between load and hoop stress in case 4

图8 支护结构在不同外荷载作用下的极限承载力关系曲线Fig.8 Relation curves of ultimate bearing capacity of retaining structures under different external loads

1.3 数值计算与试验结果对比分析

由表1可见，两次均匀加载模型试验构件破坏时，拱部施加荷载平均值为0.56 MPa，腿部施加荷载平均值为0.41 MPa；两次不均匀加载模型试验构件破坏时，拱部施加荷载平均值为1.1 MPa，腿部施加荷载平均值为0.16 MPa，图8为试验和数值计算得出的支护结构腿部承载力与拱部承载力的关系曲线，由图8可见，数值计算的结果所反映荷载变化总体分布规律与模型试验的结果具有较高的一致性。通过分析可以发现，腿部荷载是决定整个支护结构承载力的关键因素，随着腿部荷载的增大支护结构的承载力逐渐降低，且支护结构的破坏形式由整体受压破坏，逐渐发展为拱肩部位的压剪破坏，最终发展为腿部受拉破坏。

2 工程应用

为了验证改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构的现场支护效果，在丁集煤矿某巷道进行了现场工业性试验，该巷道所在地层的岩性为中砂岩，选取巷道不同的段位分别进行普通混凝土喷射和改性脱硫石膏基混凝土喷射，在喷射段共布置3个测站，其中1、2号测站所处巷道采用改性脱硫石膏进行支护，3号测站所处巷道采用普通混凝土进行支护，监测站的位置如图9所示，巷道断面尺寸及测点布置如图10所示。

图9 试验巷道测站位置示意图
Fig.9 Location of the monitoringstations of the test roadway

图10 测点布置图
Fig.10 Layout of the measuring points

为了判断改性脱硫石膏基喷射混凝土的现场支护效果，对支护结构的混凝土应变以及钢筋的应力进行了实时监测。在监测第100d时，支护结构的钢筋应力及混凝土环向应变如图11、12所示。

由图11可知，两处改性脱硫石膏基喷层监测断面的环向钢筋最大压应力分别为160.1 MPa和58.5 MPa，水泥基喷层监测断面的环向钢筋最大压应力为57.6 MPa，小于钢筋的屈服强度；两处改性脱硫石膏基喷层监测断面的环向钢筋最大拉应力分别为1.5 MPa和7.7 MPa，水泥喷层监测面钢筋最大拉应力为4.1 MPa，均小于钢筋的屈服强度。由图12可知，两处改性脱硫石膏基喷层监测断面的的环向拉应变最大值分别为1.2με以及39.7με，而水泥基混凝土的环向拉应变最大值为143.6με。通过对比可以发现，水泥基混凝土支护结构在拱顶位置的拉应变较大，而改性脱硫石膏基混凝土喷层的拱肩位置的压应变较大。通过对现场监测数据进行分析可知，改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构具有较高的承载能力和抗变形能力，能够满足巷道喷层支护的要求。

图11 环向钢筋应力在不同位置的分布规律
Fig.11 Distribution law of steelcircumferential bar stress

图12 混凝土环向应变在不同位置的分布规律
Fig.12 Distribution law of concretecircumferential strain

3 结论

① 模型试验以及数值计算的结果表明，作用于支护结构腿部的荷载对其整体承载力具有决定性的作用，腿部荷载越大，结构的整体承载力越小；在腿部荷载的增加过程中，支护结构的破坏形式由整体受压破坏，逐渐发展为拱肩部位的压剪破坏，最终发展为腿部受拉破坏。

② 现场支护实施效果表明，改性脱硫石膏基喷射混凝土支护结构具有较高的承载能力和较好的抗变形能力，能够满足巷道喷层支护的要求。