再生细骨料掺量对矿用支护砂浆动态力学性能的影响

曹 可，王 亮,2，徐 颖，沈文峰，王 浩，王鹏举

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.淮北矿业股份有限公司，安徽 淮北 235000)

0 引 言

井筒是矿井生产的咽喉，在地下长期经受到深部地压、采矿扰动等复杂的力学作用[1]，为保证施工安全,必须及时进行支护[2]。随着锚杆喷射混凝土技术的问世及新奥法施工技术的发展，井筒采用喷射混凝土、锚喷支护及锚喷网支护技术维护井筒围岩的稳定，具有技术先进、质量可靠、经济合理等一系列优点，被广泛应用于竖井支护之中[3-4]。在以上技术中，水泥基砂浆是一种被广泛应用的材料，而在地下复杂环境中，材料的强度及抵抗冲击的能力等性能，就显得尤为重要[5-6]。目前，传统建筑材料生产和使用导致了资源过度消耗、能源短缺和环境污染等一系列严重问题，对于建筑废弃物尤其是旧混凝土、旧砂浆的再生利用已经成为各个国家关注的热点。将废弃混凝土破碎、筛分，形成的以满足不同使用要求的骨料就是再生骨料，其中粒径尺寸为0.08～4.75 mm的再生骨料称为再生细骨料(又称再生砂)，主要组分包括建筑材料破碎后形成的表面附着水泥浆的砂粒、表面无水泥浆的砂粒、水泥石颗粒及少量破碎石块，将再生细骨料全部或者部分替代天然细骨料配制的砂浆称为再生细骨料砂浆[7-9]。无论是喷射混凝土还是锚喷支护及锚喷网支护技术，对于砂浆都具有大量需求[10-11]，再生细骨料砂浆替代普通水泥砂浆，节省资金、减小污染、保护环境、节约资源，且再生细骨料砂浆具有更高的孔隙率[12]，能够在冲击荷载作用下吸收更多能量，从而在工程实际中发挥更好的作用。

基于此，对不同替代率的再生细骨料砂浆进行静态抗压强度测试以及3种不同气压下冲击加载试验，根据结果分析其性能，对研究建筑废料合理利用以及在地下有冲击扰动的注浆工程中，如何合理选择材料具有借鉴意义和参考价值。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验材料为海螺牌P·O 42.5硅酸盐水泥；淮河河砂，细度模数2.56；淮南市自来水；聚羧酸高效液态减水剂；再生细骨料(来自实验室相同配合比的废弃砂浆试件)具体配合比见表1，试件经过破碎后，过4.75 mm圆孔筛，得到粒径4.75 mm以下再生细骨料。

表1 普通砂浆配合比Table 1 Mixing ratio of normal mortar

1.2 试样制备

为减小惯性效应和摩擦效应的影响，试件的长径比应该为0.5左右[13]，试件尺寸为ø50 mm×25 mm。将再生细骨料分别替代0(对照组)、10%、30%、50%的天然砂，按照表2配合比制作砂浆试件，所对应砂浆试件编号分别为A、B、C、D。试件放置在标准养护室中养护28 d后取出，使用打磨机将试件两面打磨平整，端面平整度在0.05 mm以内。

表2 再生细骨料砂浆配合比Table 2 Mixing ratio of recycled fine aggregate mortar

根据ASTM C109—16a《水硬性水泥砂浆抗压强度标准试验方法》[14]，为测试砂浆的抗压强度，制备50 mm×50 mm×50 mm立方体试块，在温度为(23±1)℃，相对湿度≥ 95%条件下养护至7、14、28 d。抗压强度试块6个试块为1组，取平均值作为测试结果。

1.3 SHPB试验装置与试验方法

使用ø50 mm变截面SHPB试验系统对试块进行单轴冲击压缩试验，撞击杆、入射杆和透射杆是长度分别为0.6、2.4、1.2 m的合金钢，密度为7 800 kg/m3，弹性模量为210 GPa，纵波波速为5 190 m/s。采用0.25、0.35、0.45 MPa三种不同气压发射，每组试块在同一气压下重复3次冲击试验，试验前调平撞击杆、入射杆、透射杆与试件共轴，在试件两端涂抹少量凡士林以减小杆件与试件的摩擦，在入射杆端头贴整形器以减小波形震荡和弥散效应。每次冲击后，可得波形图如图1所示，结合式(1)—式(3)，可求得试块的应力、应变、应变率为：

图1 典型波形Fig.1 Typical waves of test

(1)

(2)

(3)

2 试验结果与分析

2.1 静态抗压强度

图2为不同再生细骨料替代率水泥砂浆静态抗压强度，由图2知使用再生细骨料替代部分天然细骨料的水泥砂浆，在7、14、28 d时，随着替代率由低到高，其静态抗压强度都大于或等于一般对照组的静态抗压强度。其中，再生细骨料替代率为10%时，水泥砂浆的静态抗压强度最高，替代率为30%及50%时，静态抗压强度略有下降，但依然能与一般对照组持平。出现上述结果一方面是因为试验中所使用的再生细骨料性能比较优异；另一方面是因为再生细骨料含有残余水泥浆，其孔隙率较高，造成用拌合物制作的再生水泥砂浆具有较强吸水性，实际水泥水化用水减少，通过微降低实际水灰比提高强度，且水分被吸入裂缝和空隙中，形成局部加湿的养护环境有利于水泥砂浆养护和性能提升[16]，当替代率达到30%和50%时，由于砂浆密实程度降低，静态抗压强度有所下降。

图2 不同再生细骨料替代率水泥砂浆静态抗压强度Fig.2 Static compressive strength of cement mortar with different recycled fine aggregate substitution rate

2.2 应力-应变曲线分析

根据式(1)—式(3)对入射杆和透射杆应变片测得的脉冲波形信号(图1)进行计算，得到砂浆试块在冲击荷载下的应力σ和应变ε的关系曲线，如图3所示。由图3可知，砂浆试块的应力应变曲线可分为4个阶段：压密阶段、弹性阶段和屈服阶段、破坏阶段。在压密阶段，入射杆与试件接触面逐渐压实,在应力的作用下，试块内部缺陷、空隙逐渐压密,试块的抗变形能力不断增加[17]，在此阶段,曲线呈下凹特征；在弹性阶段，轴向应力随应变近似为线性增长，曲线斜率基本保持不变，因此该段斜率可作为试块的动态弹性模量，试件内缺陷几乎没有新的发展；随着作用在试件上的应力持续增大，试件进入到屈服阶段，此时曲线呈上凸特征，轴向应力随应变的增长趋势减缓，试件内裂纹逐渐扩展；应力达到峰值后，应力随应变的增大快速下降，试件进入破坏阶段，受载超过试块强度极限，随之破坏。其中，部分曲线在初始阶段中出现了下凹段，是应力跌落现象，这是因为试块表面的不平整部分先接触到入射杆，承受冲击荷载后随即破裂，在出现短时间应力跌落之后，试块的其他部分接触到入射杆，应力开始回升。

由图3a、3b、3c可知，无论冲击气压如何变化，再生细骨料替代率为50%的水泥砂浆试块的峰值应力总是最大；由图3d、3e、3f可知，随着冲击气压的不断增大，砂浆试块的峰值应力与极限应变都随之增大，成正相关关系。这是由于水泥砂浆细观上可视作由细骨料、砂浆基质及过渡区界面、微裂纹或孔隙等组成的多相非均质复合材料。静态下，加载时间可满足砂浆内应力平衡和微裂纹的开展速度要求[18]，且骨料、砂浆基质及其过渡区受力均匀[19]，而微裂纹沿强度薄弱路径开展。高应变率冲击下，再生细骨料砂浆产生的裂纹数量大量增加，所吸收的能量增多，而裂纹扩展滞后于加载速度。根据冲量定理或功能原理，滞后的变形导致应力的增加，最终导致再生细骨料砂浆动态抗压强度的提升。再生细骨料特有的孔隙结构形成了骨料与砂浆基质间致密的界面过渡区，且再生细骨料本身具有优良的消波吸能效能，使得再生细骨料砂浆在冲击动载作用下体现较好的变形协调性，避免了界面过渡区、微裂隙、微孔洞等局部应力集中现象，使得再生细骨料砂浆抗冲击性能高于一般水泥砂浆，且在再生细骨料替代率为50%时达到最优效果。

图3 动态应力-应变曲线Fig.3 Dynamical stress-strain curves

为进一步研究再生细骨料砂浆动态强度的应变率相关性及动态强度增长因子DIF(冲击荷载作用下动态抗压强度与静态单轴抗压强度之比)，对图3中的峰值应力及应变率等参数进行统计分析，见表3，其中极限韧性是应力应变曲线的包络面积[20]。

表3 各组砂浆的性能参数Table 3 Performance parameters of each mortar group

由表3可知，相同再生细骨料替代率水泥砂浆的动态峰值应力、动态极限应变及动态强度增长因子均随应变率的增大而增大。动态峰值应力、极限应变具有明显的应变率相关性。在应变率达到168.723 s-1时，应变率对与一般水泥砂浆的动态峰值应力影响较小，仅达到0.96，而50%替代率再生细骨料砂浆在低应变率状态下，仍然比其他组别具有更高的DIF，在应变率60.29～143.379 s-1内，DIF由0.67增长至1.20，增幅高达79.1%，再次说明50%替代率再生细骨料砂浆具有优异的抵抗冲击动力的性能。为进一步研究50%替代率再生细骨料砂浆的DIF及极限韧性随应变率的变化趋势，分别绘制DIF、极限韧性(M)与应变率关系图，如图4、图5所示。

图4 再生细骨料砂浆与普通砂浆的DIF与应变率关系Fig.4 Relationship between DIF and strain rate for recycled fine aggregate mortar and normal mortar

图5 再生细骨料砂浆与普通砂浆极限韧性与应变率关系Fig.5 Relationship between ultimate toughness and strain rate for recycled fine aggregate mortar and normal mortar

由图4可知，在高应变率动力冲击下，50%替代率再生细骨料砂浆的DIF随应变率增加而非线性增大，且增速逐渐变快。在同等应变率下，50%替代率再生细骨料砂浆DIF高于一般水泥砂浆，且静态抗压强度略高于一般水泥砂浆，综合而言，抵抗动态冲击能力较强，可应用于防护结构。应用指数幂型关系式拟合50%替代率再生细骨料砂浆DIF与应变率关系，式(4)预测曲线与试验结果具有较好的一致性。

(4)

由图5可知，50%替代率再生细骨料砂浆与普通砂浆的极限韧性都随着应变率增加而增大，但50%替代率再生细骨料砂浆其极限韧性增速远大于普通砂浆，这说明在高应变率情况下，50%替代率再生细骨料砂浆能够比普通砂浆吸收更多的冲击能量，起到更好的保护作用。

3 结 论

1)在再生细骨料替代率为10%时，静态抗压强度达到最高。随着替代率增加到50%，静态抗压强度有所下降，但仍可与一般水泥砂浆相当。

2)在应变率60.29 s-1到143.379 s-1内，50%替代率再生细骨料砂浆的动态峰值应力、动态极限应变与应变率均呈正相关关系，其动态强度增长因子

3)再生细骨料具有孔隙率高的特点，使再生砂浆具有较好的抵抗冲击动力的性能。50%替代率再生细骨料砂浆吸收冲击能量的性能优于其他组别；综合静态抗压性能与动态抗冲击性能，再生细骨料替代率为50%的再生细骨料砂浆比一般水泥砂浆更能适应地下复杂环境。