含水粉煤灰泡沫混凝土力学性能退化试验研究.pdf

第3 9 卷第3 期 2 0 1 6 年 5 月 非金 属 矿 N o n M e t a l l i c M i n e S Vo 1 3 9 No 3 M ay，201 6 含水粉煤灰泡沫混凝土力学性能退化试验研究 张淑坤 ( 辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜 新1 2 3 0 0 0 ) 摘 要采用普通硅酸盐水泥、 发泡剂、 粉煤灰及外加剂制备采空区充填材料 ， 通过室内试验研究不同含水率影响下充填体强度特性、 蠕 变特性、 应力应变特性和变形特性退化规律。结果表明： 自由水对充填体性能退化影响明显。具体表现为： 随着含水率的增加， 充填体抗压强度 和抗剪强度递减， 初期递减幅度较大， 后期较小； 充填体强度峰值、 峰后残余强度及延性随着含水率增加而递减； 随着含水率的增加， 充填体弹性 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， 充填体在水弱化情况下会进一步产生压缩， 抗变形能力 退化显 著。 关键词粉煤灰泡沫混凝土； 充填体； 含水率； 力争陛能； 退化规律 中图分类号 ： T D 3 5 2 3 ； T U 5 2 8 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 - 8 0 9 8 ( 2 0 l 6 ) 0 3 - 0 0 4 0 - 0 3 Ex p e r i me n t a l S t u d y o n M e c h a n i c a l Pr o p e r t y De g r a d a t i o n o f W a t e r Co n t e n t o f Fl y As h F o a me d Co n c r e t e Zh a n g Sh u ku n ( I n s t i t u t e o f Ci v i l a n d T r a n s p o r t a t i o n ， L i a o n i n g T e c h n i c a l U n i v e r s i t y , F u x i n ， L i a o n in g 1 2 3 0 0 0 ) Ab s t r a c t Or d i n a r y po r t l a n d c e m e n t ，f oa m i n g a g e n t ，fly a s h，a d m i x t u r e a s r a w ma t e r i a l ， m a k e p a s t e fil l i n g ma t e r i a 1 S t ud y fil l i n g s t r e n g t h c ha r a c t e r i s t i c ， c r e e p p r o p e r t i e s ，s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p a n d d e f o r ma t i o n c h a r a c t e r i s t ic un d e r t he infl u e n c e o f d i ffe r e n t mo i s tur e c o n t e n t b y l a b o r a t o r y t e s t T he r e s u l t s s h o w t h a t t he we a k e n i ng o f t h e fil l i n g i s o b v i o us i n f r e e wa t e r S p e c i fic p e r f o r ma n c e t ha t wi t h t h e i nc r e a s e o f m o i s tur e c o n t e n t ， t h e c o mp r e s s i ve s t r e n g t h a n d s h e a r s t r e n g t h o f fil l i n g d e c r e a s e ，e a r l y d e c r e a s e r a ng e l a r g e r ,l a t t e r s m a l l e r ； p e a k s t r e n gt h o f fil l i n g ，p o s t pe a k r e s i d ua l s t r e n g t h a n d d u c t i l i ty d e c r e a s e wi t h t h e i n c r e a s e o f mo i s t u r e c o n t e n t ； mo i s tur e c o n t e n t i n c r e a s e ， t h e e l a s t i c mo d u l u s d e c r e a s e b i g g e r , t h e P o i s s o n S r a t i o c h a n g e s ma l l e r , o t he r d e f o r ma t i o n p a r a me t e r s s uc h a s s h e a r mo d u l u s ， e l a s t i c mo d u l u s b o t h d e c r e a s e Th e fil l i n g f u r t h e r c o mp r e s s e d i n mo i s tur e c o n t e n t K e y wo r d s fly a s h f o a me d c o n c r e t e ； fi l l i n g ； wa t e r c o n t e n t ； me c h a n i c a l p r o p e r t y ； d e gr a d a t i o n l a w 采空区内充填体凝固结石后可承担来自顶板的 压力， 顶板压力会导致充填体进一步压缩变形， 直至充 填体内部形成发育的裂隙 1 - 2 o同时， 采空区内部往往 不同程度含有地下水， 启由水渗入结石充填体形成的 裂隙后， 会导致充填体物理力学I生能退化， 影响采空区 充填治理效果。自由水对煤体 3 、 岩体 【 或其他充 填材料 1 都有不同程度的弱化作用， 粉煤灰泡沫混凝 土具有质轻、 多孔、 吸收变形能力强的特点， 力学特性 较适用于采空区充填 口 ， 目前， 关于 自由水对粉煤灰 泡沫混凝土充填体物理力学性能退化影响研究较少。 本实验对不同含水率粉煤灰泡沫混凝土充填体强度、 蠕变性能、 应力应变关系及抗变形J生 能进行试验研究， 分析 自由水对充填体变形破坏退化影响机理， 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。 1 实验部分 1 1 原料水泥为阜新产普通 4 2 5 硅酸盐水泥。粉 收稿 日期 ：2 0 1 6 - 0 4 0 6 基金项 目：国家自然科学基金青年基金 ( 5 0 8 0 4 0 2 0 ) 。 通讯作 者， E ma i l ： 4 2 5 4 4 2 3 1 6 3 c o m。 4 0 煤灰为阜新热电厂粉煤灰， 化学成分 ( w ) 为： S iC ， 6 0 0； A1 2 O3 ， 2 1 2； F e 2 03 ， 4 1 ； Ca O， 8 5 ； M g O， 3 1 ； Na O， 2 0 ； K 2 0， 0 6 ； S O ， 0 5 。选用铝粉为充填体发泡剂。 采用熟石灰和芒硝作为粉煤灰复合激发剂， 可使粉煤 灰颗粒表面的 s i O和 A1 0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， 提高充 填体强度。复合激发剂与掺入粉煤灰质量比为 3 。 1 - 2 试件 的制备在实验 室 内通过配料、 发泡、 混 合搅拌、 倒入模具、 成型养护等步骤， 制备尺寸为 1 0 0 m m 1 0 0 m mx l O 0 m r n 的充填体试件， 并进行相关 材料性能测试 。依据课题组前期试验成果 ， 确定制备 绝干密度 4 0 0 k g m3 、 粉煤灰掺量 2 0 、 发泡体积量约 1 8 0 0 m L k g 和水料比0 4 1 的充填体试件 12 0充填体 试件制备具体流程为： 首先对发泡剂进行充分搅拌， 制 成泡沫均匀稳定的泡沫， 直至达到所需泡沫量为止； 按 照试验配比掺入水泥和粉煤灰， 高速搅拌形成均匀膏 体 ； 将制备好的泡沫加入该膏体中搅拌均匀， 搅拌时间 为 3 4 m in ； 将制备好的膏体倒入模具中， 养护 2 8 d 后 进行相关性能测试， 试件见 图 1 。本次共计制备 9组 2 7 个试件， 进行了不同含水率情况下的强度测试、 蠕 第3 9 卷第3 期 非金 属矿 2 0 1 6 年5 月 内部自由水开始逐渐渗出， 充填体材料进入屈服阶段。 第3 阶段为 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， 充填体峰值强度退化速度较快。 第4阶段 阶段： 为充填体材料破坏后的残余强度， 应力不再增加， 但试件应变量继续增加， 后期这种强度 延性是充填体所需求的性能。试件含水率从 6 2 增 加到 8 2 5 ， 应变增量从0 0 9( c ) 缩短至 0 0 2 ( c 3 d 3 ) ， 表明充填体峰后抵抗变形能力被弱化， 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产生弱 化的结果。含水率越大， 自由水越多， 裂缝中水对充填 体弱化程度越强， 峰后强度延性越差。 轴 同 应 亚 图5 充填体应力应变关系 2 4 含水充填体抗变形能力退化规律根据弹性模 量 E 、 泊松比 ， 可以计算出描述材料变形性能的常 数， 如剪切模量 G 、 拉梅常数 以及体积弹性模量 ， 各变形常数之间的关系见式( 1 卜式 ( 3 ) ： G= E 2 ( 1 ) ( 1 ) = ( 1 + i t ( 1 2 0 ( 2 ) K= E 3 ( 1 3 1 0 】 ( 3 ) 因此， 研究含水率变化对充填体变形特性退化 影响， 测定充填体的弹性模量E和泊松比 随含水 率变化规律即可。不同含水率影响下充填体弹性模 量变化曲线， 见图 6 。从图 6 可看出， 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。不同含 水率影响下充填体泊松比变化曲线， 见图 7 。从图7 可看出， 含水率的增加对泊松比影响较小， 含水率在 6 5 - 8 5 变化区间内， 泊松比在 0 0 7 ,-0 0 9 变化， 变 化幅度较小。为便于研究， 忽略对泊松比影响。综合 式 ( 1 卜式( 3 ) 可知， 含水率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 时也表明充填体在水弱化情况下会进一步产生压缩。 3 结论 1 粉煤灰泡沫混凝土充填体抗压强度和抗剪强 度随着含水率的增加逐渐减小， 初期减小幅度较大， 含水率 图6 充填体弹性模量随含水率变化曲线 一 42 参考文献 ： 1 】 张淑坤， 杨逾， 李永靖， 等 老采空区对地表公路安全稳定性影响研 究叼 中国安全科学学报， 2 0 1 4 ， 2 4 ( 1 2 ) ： 5 7 6 2 【 2 张淑坤， 李伟， 宋帅帅， 等 采空区粉煤灰泡沫混凝土充填体的试验 研究 【 非金属矿 ， 2 0 1 4 ， 3 7 ( 6 ) ： 3 6 3 8 3 】 孟召平， 彭苏萍， 傅继彤 含煤岩系岩石力学性质控制因素探讨 叨 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 2 ， 2 1 ( 0 1 ) ： 1 0 2 1 0 6 4 C h u g hY Mi s s a v a g e RA E ff e c t s o f mo i s t u r e o n s t r a t a c o n t r o l i n c o a l mine s J E n g ine e r in g Ge o l o g y , 1 9 8 1 ， l 7 ( 4 ) ： 2 4 1 2 5 5 【 5 康天合 ， 张建平 ， 白世伟 综放 开采预 注水弱化顶煤的理论研究及 其工程应用 J 岩石力学与工程学， 2 0 0 4 ， 2 3 ( 1 5 ) ： 2 6 1 5 2 6 2 1 6 】宫伟力 ， 何鹏飞 ， 江涛， 等 小波去噪含水煤岩单轴压缩红外热像特 征 【 华中 科技大学学报： 自 然科学版， 2 0 1 1 ( 6 ) ： 1 0 1 4 【 7 熊德国， 赵忠明， 苏承东， 等 饱水对煤系地层岩石力学性质影响的 试验研究【 岩石力学与工程学报， 2 0 1 l ， 3 0 ( 5 ) ： 9 9 8 1 0 0 6 8 】 种照辉， 李学华， 姚强岭， 等 基于正交试验煤岩互层顶板巷道失稳 因素研究 J 】 中国矿业大学学报， 2 0 1 5 ， 4 4 ( 2 ) ： 2 2 0 - 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