再生砖粉水泥砂浆动态力学性能试验研究

徐 颖,孙 蕾,王 亮,2,沈文峰,王 浩

(1.安徽理工大学土木建筑学院,安徽 淮南 232001；2.淮北矿业(集团)有限责任公司博士后工作站,安徽 淮北 235000)

在煤矿开采中，保持巷道通畅与围岩稳定对矿井安全至关重要[1-2]。锚杆支护具有支护主动、及时等特点[3]，可以有效减轻巷道围岩变形或预防其受到破坏。锚杆支护能很好地控制普通静压巷道围岩的变形破坏，而在动压巷道、冲击地压巷道中，巷道中的混凝土喷层具有脆性且本身带裂缝工作，受到冲击载荷作用后易开裂甚至是脱落[4-5]，影响矿井安全及煤炭高效开采。因此，动压巷道对锚杆支护材料提出了更高的要求[6]。

使用再生砖粉作为矿物掺合料对水泥基材料的静态力学性能的影响，国内外学者已经进行了较为系统的研究，但是关于对其动态力学性能影响的研究十分有限。黏土砖压碎指标值相对较低、孔隙率大、易吸水膨胀，将废弃黏土砖破碎、筛分后作再生骨料替代部分水泥，可促进水泥水化[7]。黏土砖中含有一定量的SiO2、Al2O3，可以将其制备成砖粉用作混凝土或砂浆中的胶凝材料，发挥填充作用与活性效应[8-9]。文献[10]指出再生砖粉混凝土与普通混凝土的抗压强度相差不大甚至略有提高。文献[11]通过研究进一步表明再生砖粉掺量不宜超过水泥质量的30%。文献[12]认为砖粉能够改善水泥基材料的孔结构，从而有效提高其耐久性。文献[13]通过实验研究发现，在高应变率范围内，黏土砖的动态抗压强度和极限应变对应变率非常敏感，但在低应变率范围内的敏感性较低。文献[14]通过研究高应变率下黏土砖的抗压强度和抗拉强度的关系，提出了两者极限强度差值的经验公式。由上述研究可知，目前仅有对再生砖粉静态力学性能的研究，以及对黏土砖本身的动态力学性能的研究，对于再生砖粉作为掺合料的混凝土砂浆的动态力学性能研究还有待加强。

因此，本文对不同替代率的再生砖粉水泥砂浆进行不同气压下的动态力学试验，分析动态应力-应变曲线，研究峰值应变和极限韧性等指标，并与普通砂浆进行对比分析，分析再生砖粉掺量对水泥砂浆动态力学性能的影响，以期为锚杆支护材料的工程应用提供技术参考和理论依据。

1 试验方案

1.1 实验材料

实验采用再生黏土砖粉与P·O42.5硅酸盐水泥(海螺牌)作为再生砖粉砂浆试件的胶凝材料，其主要化学成分如表1所示。再生砖粉是将实验室收集的废弃黏土砖逐级破碎、研磨、过筛(100目)，最终得到粒径小于150μm的再生微细粉末。细骨料取自于淮河河砂，细度模数2.56，表观密度2 550kg/m3。试验中用水均采用淮南市自来水。

表1 水泥与砖粉主要成分 %

利用X射线衍射仪衍射测试了再生砖粉的矿物组成如图1所示。再生砖粉的主要矿物结晶相为石英和硅灰石膏，其中石英是由黏土中的硅酸盐矿物分解产生，黏土中的硅酸盐矿物与有机碳在高温下反应生成硅灰石膏。

图1 砖粉的XRD分析结果

1.2 试件制备

将再生砖粉分别替代水泥质量的0%(对照组)、10%、20%、30%，根据表2配合比制作水泥砂浆试件，试件编号分别为A(对照组)、B、C、D。试件的长径比定为0.5，能有效降低惯性与摩擦两种效应对其所造成的影响[15]，试件尺寸为φ50mm×25mm。试件放置于标准养护室内(温度为20℃±2℃，相对湿度≥95%)进行28d的养护后取出，并通过打磨抛光机对试件的两个端面进行打磨直至达到端面平整，端面平整度尽量控制在0.05mm以内，以免试样在加载过程中受到偏压形成应力集中对试验结果造成影响。

表2 再生砖粉砂浆配合比(W/C=0.5)

1.3 SHPB试验装置与实验方法

冲击压缩试验采用φ50mm 分离式 SHPB试验系统。撞击杆、入射杆、透射杆的长度分别为0.6m、 2.4m、 1.2m；各杆材质均为密度 7.8g/cm3、 弹性模量210GPa、 纵波波速5 190m/s的合金钢。在试冲实验之后，本次试验最终选用0.25MPa、0.35MPa、0.45MPa 3种冲击气压(0.25MPa冲击气压时试件轴向出现裂纹，0.45MPa冲击气压时试件可以完全破碎)，以便得到不同应变率下的应力应变曲线。同组条件下以3个试件为对象进行冲击压缩实验。试验前将入射杆、 撞击杆、 透射杆和试件调整至同一轴线上，且每次试验时入射杆与撞击杆之间的距离应调整相同。在试件两端面涂抹适量凡士林可缓解入射杆、 透射杆与试件之间的摩擦， 在入射杆端头粘结整形片， 一定程度上可以削弱波形的弥散效应。 冲击完成后，根据公式(1)～(3)(三波法计算原理)可求得试件在冲击荷载作用下的应力、应变和应变率。

(1)

(2)

(3)

2 试验结果与讨论

2.1 动态应力-应变曲线

SHPB试验经数据处理，可得到在冲击荷载下，普通砂浆和再生砖粉砂浆在多种应变率下的应力-应变曲线，如图2所示。在不同应变率下，再生砖粉水泥砂浆的性能参数如表3所示。

表3 不同应变率下各组砂浆的性能参数

在应力初始阶段，砂浆试件经过一段压密实过程后进入弹性阶段，这一阶段曲线斜率为试块的动态弹性模量E。随着平均应变率的增加，各组砂浆试件的动态弹性模量和峰值应力均随之提高。曲线初始阶段出现部分下凹段，由于试块表面不平整，凸起部分先接触到入射杆承受冲击荷载，随即发生破裂形成应力跌落现象。随后试件的其他部分开始接触入射杆，应力相继回升。当作用在试件上的应力持续增大时，试件开始进入屈服阶段，这时应力-应变曲线呈现上凸特征，轴向应力随应变的增长呈减缓趋势，试件内部裂纹逐渐横向扩展[16]。由图2(c)、(d)可知，高应变率下的峰值应力并不明显，在峰值应力出现前后形成了广阔的平台，致使曲线的整体形状更接近于梯形，该现象表明试件在较大应变范围内仍可保持一定的强度[17]，具有良好的韧性和变形能力。

(a) 普通砂浆

应力到达峰值后,试件进入最终破坏阶段，荷载下降速度大于裂缝增长速度，裂缝继续扩展，此时荷载急剧下降后失去承载能力。由图2可知，高应变率下的峰值应变最低，这是因为高速冲击荷载具有瞬时性，试件会发生局部破坏。

图3是动态抗压强度fc与平均应变率之间的拟合关系，得到线性关系式

图3 动态抗压强度与平均应变率的拟合关系曲线

(4)

(5)

(6)

在30～150s-1范围内，3种再生砖粉砂浆的动态抗压强度均随着平均应变率的增加而增加，掺入10%砖粉的拟合曲线在对照组的上方，说明10%掺量的再生砖粉对砂浆动态抗压强度有一定的提高效果。这是由于砖粉具有一定的填充效应和火山灰效应，不仅提高了硬化水泥砂浆的密实度，同时促进了水泥的二次水化。在水化初始阶段，掺入的砖粉吸收体系中较多的水分后产生真空吸压效应，该效应有效减少了水泥浆体与集料之间的距离，提高了水泥浆体与集料之间的粘结强度。同时水泥水化产物中的Ca(OH)2可作为激发剂与砖粉中SiO2、Al2O3发生二次水化反应，进一步提高砖粉与水泥浆体之间的界面强度[18]。再生砖粉掺量为30%的拟合曲线在对照组的下方，即砂浆的动态抗压强度有所降低，这是因为砖粉属于辅助型胶凝材料，活性较水泥低，若砖粉掺量过大会减小水泥浆体与集料之间的接触面积，降低浆体与集料之间的粘结力。在动态荷载的作用下，砖粉和砂之间易产生相对滑动，从而降低其抗冲击性能。

3.2 平均应变率对峰值应变的影响

峰值应变是指砂浆试样受到冲击荷载作用后达到动态抗压强度峰值时对应的应变，体现出砂浆试样的变形能力，也是反映试样脆延性的指标。达到峰值应变后试样破坏失去承载能力。

图4为再生砖粉水泥砂浆峰值应变与平均应变率之间的关系。由图4可知，砖粉掺量为30%的砂浆试样的峰值应变表现出较强的优势；在平均应变率小于110s-1时，再生砖粉砂浆的峰值应变整体趋势在对照组之上，说明应变率较小时再生砖粉砂浆在冲击荷载作用下表现出更强的变形能力。随着应变率的增加，峰值应力呈下降趋势，对照组的峰值应力逐渐超过砖粉替代率为10%和20%的水泥砂浆。这是因为砖粉具有较好的吸水性，当其掺量增多时，会将砂浆拌合时的水保留在自身的孔隙中；随着水化反应的进行，砂浆进行缓慢释水[19]，使硬化的水泥砂浆产生较多的微孔。当应变率增加时，砖粉的微孔隙效应增强，峰值应变增强。试样的峰值应变随着应变率的增加先增大后减小，这是因为砂浆试块在受到冲击时先有一个压密的趋势，当平均应变率增大到一定程度，试样在变形前就被破坏。

图4 砂浆峰值应变与平均应变率之间的关系

3.3 平均应变率对极限韧性的影响

极限韧性可通过对应力-应变曲线进行积分求曲线下的面积得到，表征材料从加载到失效过程中所吸收能量的能力，代表单位材料在变形过程中吸收能量的大小，是砂浆强度和延性的综合体现。

由表3可知，随着应变率的增加，水泥砂浆的峰值韧性呈线性增长趋势。图5是再生砖粉砂浆与普通砂浆的极限韧性与应变率的关系拟合曲线。由图5可知，再生砖粉掺量为10%和20%时的极限韧性拟合曲线在对照组上方，且掺量为10%的再生砖粉砂浆在可知范围内远远地超过对照组。掺量为30%的再生砖粉砂浆极限韧性拟合曲线有略微下降的趋势，这是由于混凝土受到冲击荷载时，能量的消耗主要来自初始裂缝的发展和新裂缝的产生，而后者是能量主要消耗的原因[20]。由于砖粉具有不规则的多棱角形态，相对于水泥更容易搭接交联形成稳定的空间网格结构。因此加入砖粉后，冲击荷载作用下的初始裂缝尺寸降低，有害孔隙减少，裂缝产生的数量增加，单位体积能耗较高。

图5 砂浆的极限韧性与平均应变率关系

3 结论

冲击荷载作用下，在平均应变率为30～150s-1范围内，替代率为10%的再生砖粉砂浆动态抗压强度最大，替代率为30%的再生砖粉水泥砂浆试样峰值应变整体趋势在对照组之上；再生砖粉掺量为10%和20%的砂浆，应变率≤110s-1时峰值应变整体趋势在对照组之上；替代率为10%的再生砖粉砂浆吸收冲击能量的性能优于其他组别；综合各动态力学性能，替代率为10%的再生砖粉水泥砂浆比普通水泥砂浆更适用于动压巷道中的锚杆支护。

再生砖粉作为水泥砂浆中的矿物掺合料，在动态力学性能方面有良好的表现，可为今后开发新型锚杆支护材料提供参考。但由于试验条件有限，未考虑到实际应用，巷道内部存在着温度、湿度等环境因素对其动态力学性能的影响，今后将进一步展开讨论与研究。