建筑垃圾骨料-粗粉煤灰基胶结料充填体力学性能试验研究_李浩.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 在中国大力推行生态文明建设的背景下，煤矿 充填开采技术成为治理煤矿采空区的有效途径[1-2]， 但由于充填材料的来源少、成本高，导致充填开采 技术没有推广使用。在建筑物的建造和拆除过程中 无法避免产生大量建筑垃圾，据统计，我国建筑垃 圾年排放量达到 4 亿 t[3-4]； 另一方面， 近年来我国火 力发电发展较快，粉煤灰产生量快速增加，预计到 2020 年总堆存量将达到超过 30 亿 t， 粉煤灰的综合 利用面临的形势十分严峻[5-6]。近年来国内许多科研 工作者开始研究利用建筑垃圾充填采空区，并取得 了一定的研究成果。韩宇峰[7]研究了不同类别建筑 垃圾的表观密度、 堆积密度、 吸水率及压碎指标， 指 出以建筑垃圾再生骨料制备煤矿充填膏体是可行 的； 梁晓珍[8]等在试验室内将建筑垃圾作为巷旁充 填材料进行了可行性分析； 陈维新[9]通过正交试验 的方法确定建筑垃圾-粉煤灰基胶结充填材料的配 方， 该充填材料具有塑性强、 残余强度高、 快凝的特 性， 可以推广应用。刘音、 张浩强[10-11]通过研究 3 种 来源不同的建筑垃圾再生骨料性质，膏体质量浓度 和灰料比是分层度、充填体抗压强度的主要影响因 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.014 建筑垃圾骨料 - 粗粉煤灰基胶结料充填体 力学性能试验研究 李浩 1， 刘 音 1， 2， 王 凯 1， 王 娜 1， 刘玉霞1 （1．山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 266590； 2．河南理工大学 河南省矿产资源绿色高效开采与综合利用 重点实验室， 河南 焦作 454150） 摘要 为分析建筑垃圾骨料-粗粉煤灰基胶结料充填体的力学性能， 采用正交试验确定充填体 的最优配比，进行单轴压缩、三轴压缩试验。结果表明 28 d 的充填体的弹性模量平均为 971 MPa， 泊松比平均为 0.028 99， 黏聚力为 0.932 MPa， 内摩擦角为 41.23， 表明充填体承载压缩变 形过程中横向变形量较小， 内部具有一定的压实形变空间。通过试件的常规三轴压缩试验表明， 充填体在三向受力条件下表现出明显的塑性强化特征。 关键词 建筑垃圾； 粗粉煤灰； 充填体； 弹性模量； 力学性能 中图分类号 TD315.3文献标志码 A文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0060-04 Experimental Study on Physical Properties of Construction Waste Aggregate - coarse fly ash - based Cement Filling LI Hao1, LIU Yin1,2, WANG Kai1, WANG Na1, LIU Yuxia1 （1.College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China；2.Henan Key Laboratory for Green and Efficient Mining Comprehensive Utilization of Mineral Resources, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454150, China） Abstract To analyze the mechanical properties of construction waste aggregate-coarse fly ash-based cement fillers, orthogonal test is used to determine the optimal proportion of cemented paste backfill, and uniaxial compression, triaxial compression test are carried out. The results show that the average elastic modulus of cemented paste backfill is 971 MPa, the average Poisson s ratio is 0.028 99, the cohesion force is 0.932 MPa, and the internal friction angle is 41.23 on the 28 d, which indicates that the transverse deation of the cemented paste backfill is small during the compression deation process. The interior has a certain compaction deation space. Through the conventional triaxial compression test of the specimen, it is shown that the cemented paste backfill shows obvious plastic strengthening characteristics under three-dimensional stress conditions. Key words construction waste； coarse fly ash； cemented paste backfill； elastic modulus； mechanical properties 基金项目 山东省重点研发计划资助项目 （2016GGB01176） ； 山东 省自然科学基金资助项目 （ZR2017MEE055） 60 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 2单轴压缩全应力-应变简化图 图 1单轴压缩全应力-应变曲线 表 1单轴压缩试验结果 素。现有研究成果主要从优化配比和影响充填体性 能的主要因素进行试验探究，对于建筑垃圾作为充 填材料的力学性能方面试验研究较少。为系统研究 建筑垃圾骨料-粗粉煤灰基胶结料充填体的力学性 能， 以建筑垃圾、 粗粉煤灰基胶结料为原材料， 采取 前期正交试验得出建筑垃圾充填材料优化配比， 分 别进行单轴和三轴压缩试验，根据库伦准则及单 轴、三轴压缩试验结果，回归出充填体库伦主应力 关系式， 得出充填体内摩擦角、 黏聚力等力学参数。 为建筑垃圾充填材料在膏体充填中的运用提供理论 基础，不仅推进生态文明建设，而且可以减少水泥 用量， 减少充填成本。 1试验方案 1.1试验材料 建筑垃圾是拆除建筑物产生的建筑废渣，建筑 垃圾再生骨料指建筑垃圾经过分选、 破碎、 清洗、 分 级后，按一定比例与级配混合加工而成的级配骨 料。粉煤灰为岱庄 III 级粗粉煤灰， 外加剂包括生石 灰、 脱硫石膏和复合早强剂。生石灰中 CaO 含量为 93， 脱硫石膏主要成分为 CaSO4 2H2O， 复合早强 剂主要成分为钠盐和硅酸盐等早强性物质。 1.2试验方案 采用正交试验方法， 根据前期试验研究[10]得出 粗粉煤灰基胶结料的最优配比为粗粉煤灰∶生石灰∶ 石膏∶复合早强剂78∶10∶8∶4，充填膏体选择 灰料比为 1∶2， 质量分数为 76， 此配比能满足塌落 度、 分层度和凝结时间的工程要求[12]。 2试验结果与讨论 2.1建筑垃圾膏体充填材料单轴压缩试验 采用 MTS815.03 岩石伺服试验系统对充填体进 行力学性质试验研究。 通过试验获得的 28 d 充填体 试件的单轴抗压强度、 普氏系数、 泊松比、 弹性模量 等基本力学参数见表 1，单轴压缩全应力应变曲线 如图 1。 膏体充填材料力学参数离散性较小，弹性模量 为 7521 110 MPa，平均为 971 MPa，弹性模量较 小，表现出了较为明显的延性破坏，试件在破坏前 已经产生了较大的压缩变形； 泊松比仅为 0.014 65 0.043 59， 平均为 0.028 99， 这表明充填体承载压缩 变形过程中横向变形量较小，膏体充填材料内部具 有一定的压实形变空间，充填后的膏体受顶板和覆 岩的作用时竖向变形较大，但附加侧向应力增加不 大， 以致顶板下沉量较大。 通过对充填体试件进行单轴压缩试验所得到的 全应力-应变曲线进行对比发现其形状基本一致， 具有相同的规律，充填体的单轴压缩全应力-应变 曲线简化图如图 2。 仿照岩石的全应力应变曲线[13-15]， 充填体的全 应力-应变过程也可分为 5 个阶段 第 1 阶段为 OA 段，简化图呈现曲线向上弯曲的趋势，表明曲线的 斜率是逐渐增大的，说明充填体的应力随变形的加 大而随之增大。究其原因是 在载荷的作用下， 存在 于充填体内部的垂直于应力方向的裂纹（尤其是位 于粗粒建筑垃圾表面的裂纹） 和孔隙因为受压而处 于了闭合状态，在这个过程当中，通过顶板下沉与 围岩变形，促使充填体对顶板和围岩形成“被动支 试件 编号 直径/ mm 高度/ mm 破坏载 荷/kN 强度极 限/MPa 普氏 系数 弹性模 量/MPa 泊松比 1 2 3 4 5 平均值 49.20 48.73 49.21 50.17 49.33 49.33 99.16 100.28 99.42 98.36 98.38 99.12 6.68 6.48 7.34 6.88 6.77 6.83 3.51 3.48 3.86 3.48 3.54 3.57 0.351 0.348 0.386 0.348 0.354 0.357 1 027.931 955.019 1 010.105 752.797 1 110.898 971.350 0.043 59 0.014 65 0.038 02 0.023 81 0.024 86 0.028 99 61 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 表 2围压 1 MPa 三轴压缩试验结果 图 3围压 1 MPa 三轴压缩全应力应变曲线 表 3围压 3 MPa 三轴压缩试验结果 图 4围压 3 MPa 三轴压缩全应力应变曲线 撑” ， 因此， 在实际充填开采过程中务必保证充填体 充分接顶，以此来减小顶板与围岩的变形。第 2 阶 段为 AB 段， 曲线近似为直线， 该段称为弹性变形阶 段， 即曲线斜率为常数， 应变随应力的增加量很小， 在这个阶段内，充填体对围岩的支撑作用很大， 能 够较好地控制顶板和围岩变形。第 3 阶段为 BC 段， 曲线下弯，此阶段为裂纹扩展阶段，即曲线斜率逐 渐减小，随外力的增加，充填体内部微缺陷端部的 应力场值达到了其极限值，即峰值强度，在这一阶 段内，充填体在未破坏的情况下对顶板的支撑达到 最大限度。第 4 阶段为 CD 段， 曲线下降， 此阶段为 充填体破坏阶段， 曲线斜率变成负值， 在此阶段内， 充填体抗压强度随着应变继续增加逐渐降低，在到 达 D 点后达到残余强度。虽然在此阶段充填体内部 已经遭到一定程度的破坏，但依然保有一定的残余 强度，能够承受一定的载荷，对于顶板的支护是非 常有利的。第 5 阶段为 D 点以后， 曲线趋于平缓， 此 阶段为充填体残余变形阶段， 斜率趋近于 0。 在此阶 段内，充填体的抗压强度随着应变的继续增加基本 维持在较低水平， 但是仍能达到最高强度的 1/3， 可 以在一定程度上发挥承载作用。 2.2建筑垃圾膏体充填材料三轴压缩试验 为了考察充填体在不同围压下的力学性能， 同 时也为了获得该充填体的内摩擦角、黏聚力等力学 参数， 分别进行了围压为 1 MPa 和 3 MPa 常规三轴 压缩试验， 三轴压缩试验结果见表 2 和表 3， 三轴压 缩全应力-应变曲线如图 3 和图 4。 由图 3 和图 4 得， 充填体试件在一定的围压下， 随着载荷的增加呈现出良好的弹塑性状态；在加载 后期， 塑性变形特征极其明显。围压为 1 MPa 时， 试 件的三轴强度极限为 9.5410.00 MPa，平均强度为 9.79 MPa； 残余强度为 9.249.47 MPa， 平均为 9.39 MPa。 围压为 3 MPa 时， 试件三轴强度极限为 16.85 19.55 MPa，平均为 18.44 MPa；残余强度为 16.83 19.54 MPa， 平均为 18.40 MPa， 试件在三向受力条件 下表现出明显的塑性强化特征。这对膏体充填来说 是非常有利的， 利用膏体材料的这个特性， 可适当降 低充填材料的强度，通过围岩对充填体施加的应力 作用使之达到工程强度的要求，以此来降低充填成 本， 取得更好的经济效益。 根据库伦准则及单轴、 三轴压缩试验结果， 可以 回归出充填体的库伦准则主应力关系式。对充填体 主应力进行线性回归得到的回归曲线如图 5。 线性回归方程如式 （1） σ1-σ33.866 44.111 4σ3（ρ0.985 5）（1 ） 岩石的强度方程如式 （2） τσtanφc（2 ） 三轴试验线性回归方程如式 （3） σ1-σ3σ3tanαk（3 ） 式中 σ1为轴压； σ3为围压； τ 为剪应力； σ 为压 试件编号 高度/mm 直径/mm三轴强度极限/MPa残余强度/MPa 6 7 8 平均值 96.44 100.30 99.74 98.83 48.08 47.96 48.02 48.02 9.54 9.84 10.00 9.79 9.45 9.25 9.48 9.39 试件编号 高度/mm 直径/mm三轴强度极限/MPa残余强度/MPa 9 10 11 12 平均值 99.48 99.34 99.88 100.12 99.70 48.21 47.84 48.20 48.13 48.10 19.49 16.85 17.88 19.55 18.44 19.38 16.83 17.84 19.55 18.40 62 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 应力； φ 为岩石内摩擦角； c 为岩石黏聚力； tanα 为线 性回归方程的斜率； k 为线性回归方程的纵轴截距。 根据莫尔应力圆关系可导出内摩擦角 φ 和黏 聚力 c 的计算公式如式 （4） 和式 （5 ） φ2tan-1tanα1■-90（4） c k （1-sinφ） 2cosφ （5） 类比岩石计算出充填膏体的黏聚力 c 为 0.932 MPa， 内摩擦角 φ 为 41.23。 3结论 1） 通过充填体试件的单轴压缩试验， 得到了充 填体的强度、 弹性模量、 泊松比等参数； 充填体力学 参数离散性较小， 弹性模量平均为 971 MPa， 弹性模 量较小，表现出了较为明显的延性破坏；泊松比平 均为 0.028 99，这表明充填体承载压缩变形过程中 横向变形量较小， 内部具有一定的压实形变空间。 2 ） 通过试件的常规三轴压缩试验表明， 充填体 在三向受力条件下表现出明显的塑性强化特征， 利 用膏体材料的这个特性，可适当降低充填材料的强 度， 以此来降低充填成本， 取得更好的经济效益。 3） 根据库伦准则及单轴、 三轴压缩试验结果， 可 以回归出充填体的库伦准则主应力关系式，可以类 似岩石方便计算充填体的内摩擦角和黏聚力。 参考文献 ［1］ 钱鸣高， 许家林， 王家臣．再论煤炭的科学开采 ［J］ ．煤 炭学报， 2018， 43 （1） 1－13． ［2］ 吴爱祥， 王勇， 王洪江．膏体充填技术现状及趋势 ［J］ ． 金属矿山， 2016 （7） 1－9． ［3］ 安玉华， 李诗盈．我国建筑废弃物资源化的现状及对 策研究 ［J］ ．绿色环保建材， 2018 （10） 35－37． ［4］ 谢松涛．浅谈建筑垃圾资源化利用 ［J］ ．资源节约与环 保， 2018 （10） 127． ［5］ 茅沈栋， 李镇， 方莹．粉煤灰资源化利用的研究现状 ［J］ ．混凝土， 2011 （7） 82－84. ［6］ 杨星， 呼文奎， 贾飞云， 等．粉煤灰的综合利用技术研 究进展 ［J］ ．能源与环境， 2018 （4） 55－57． ［7］ 韩宇峰， 殷志祥， 郭保立．以建筑垃圾为骨料充填膏体 的可行性探究 ［J］ ．煤炭技术， 2018， 37 （4） 24－26． ［8］ 梁晓珍， 王辉．以建筑垃圾为骨料的骨架式巷旁充填 实验研究 ［J］ ．金属矿山， 2011 （11） 62－64． ［9］ 陈维新． 建筑垃圾－粉煤灰基胶结充填材料实验研究 ［J］ ．黑龙江科技大学学报， 2015， 25 （6） 637－640． ［10］ 刘音， 路瑶， 郭皓， 等．建筑垃圾膏体充填材料配比优 化试验研究 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （6） 65－68． ［11］ 张浩强， 刘音， 王其锋．城市建筑垃圾膏体充填性能 研究 ［J］ ．矿业研究与开发， 2014， 34 （4） 37－39. ［12］ Koohestani B, Belem T, Koubaa A, et al． Experimental 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