建筑垃圾充填膏体强度性能影响因素的试验_施现院.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 建筑垃圾充填膏体强度性能影响因素的试验 施现院 1， 李 浩 2， 刘 音 2， 张浩强3 （1.山东康格能源科技有限公司， 山东 济宁 272000； 2.山东科技大学 矿业与安全工程学院， 山东 青岛 266590； 3.中色国际帕鲁特有限责任公司， 北京 100089） 摘要 为验证建筑垃圾作为充填材料的合理性以及对充填膏体强度性能的影响因素， 制备了 不同固相比 （水泥、 粉煤灰、 建筑垃圾的比例） 和质量分数下的建筑垃圾充填膏体， 然后进行了单 轴抗压强度测试， 并探究不同龄期对建筑垃圾充填膏体应力应变的影响规律。结果显示 建筑垃 圾作为充填材料在不同固相比和质量分数下， 其抗压强度均可以达到矿井需求； 当固相比大于 1∶4∶6 时， 抗压强度开始显著下降， 质量分数适宜控制在 76左右； 建筑垃圾充填膏体应力应变 特性属于塑-弹-塑性类型。 关键词 充填膏体； 固相比； 质量分数； 抗压强度； 建筑垃圾 中图分类号 TD353.8文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0072-05 Experimental on Influencing Factors of Strength Perance of Construction Waste Filling Paste SHI Xianyuan1, LI Hao2, LIU Yin2, ZHANG Haoqiang3 （1.Shandong Kangge Energy Technology Co., Ltd., Jining 272000, China;2.School of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;3.China Color International Parut Limited Liability, Beijing 100089, China） Abstract In order to verify the rationality of construction waste as a filling material and the influencing factors on the strength properties of the filling paste, a construction waste filling paste with different solid ratios （cement, fly ash, construction waste ratio） and mass fraction was prepared. Then the uniaxial compressive strength test was carried out, and the influence of different ages on the stress and strain of the construction waste filling paste was explored. The results show that the compressive strength of construction waste as a filling material can reach the mine demand under different solid ratios and mass fractions. When the solid ratio is greater than 1∶4∶6, the compressive strength begins to decrease significantly and the mass fraction is suitable. The control is about 76, and the stress-strain characteristics of the construction waste filling paste belong to the plastic-elastic-plastic type. Key words filling paste; solid comparison; mass fraction; compressive strength; construction waste DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.014 施现院， 李浩， 刘音， 等.建筑垃圾充填膏体强度性能影响因素的试验 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8 ） 72-76. SHI Xianyuan, LI Hao, LIU Yin. Experimental on Influencing Factors of Strength Perance of Construc－ tion Waste Filling Paste［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 72-76.移动扫码阅读 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） 在中国，煤矿膏体充填开采技术已成为治理煤 矿采空区塌陷、 处理煤矿固体废弃物和解决 “三下” 压煤问题的有效途径[1-3]， 由于充填材料的来源少、 成本高等问题，开发 1 种或多种新的充填材料应用 到矿山充填开采中是急需解决的问题。将建筑行业 在建设或拆除过程中产生弃土、渣土等建筑垃圾作 为充填材料，不仅可以解决占用土地的问题，而且 可以代替部分胶凝材料，节约成本。影响煤矿充填 膏体性能的因素较多，很大程度上取决于充填材料 之间的配比、 料浆浓度等因素[4-7]。近年来国内很多 科研工作者在建筑垃圾充填采空区方向的研究获得 了相应的成果[8-13]。谷志孟教授[14-15]首批提出将城市 建筑垃圾用于回填矿山采空区的想法，并结合实例 论证两者结合的可行性。韩宇峰[16-17]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，指出以建筑垃圾制备煤矿充填膏体满足矿山 72 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 1不同固相比下建筑垃圾充填膏体的抗压强度柱状图 Fig.1Histogram of compressive strength of construction waste filling paste compared with different solids 表 1建筑垃圾组分 Table 1Components of construction waste 成分 混凝 土 渣土碎石 废金 属 木材 有机 杂质 塑料玻璃其他 占比/ 49.013.018.08.51.23.91.21.63.6 表 2水泥化学成分 Table 2Chemical compositions of cement 占比/ SiO2 21.38 Al2O3 4.23 Fe2O3 3.58 CaO 66.49 SO3 0.10 C2SC3AC4AF 12.025.9413.53 C3S 59.95 成分 表 3粉煤灰化学成分 Table 3Chemical compositions of fly ash 物质SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO 占比/53.9430.912.386.530.92 表 4不同固相比对充填膏体抗压强度的试验结果 Table 4Test results of compressive strength of construction waste filling paste with different solid ratios C01 C02 C03 C04 C05 1∶4∶6 （无添加剂 ） 1∶4∶4 1∶4∶5 1∶4∶6 1∶4∶7 76 编 号 固相比 质量 分数 / 单轴抗压强度/MPa 水泥∶粉煤灰基∶建筑垃圾8 h1 d3 d7 d28 d 0.13 0.19 0.19 0.18 0.12 0.32 0.48 0.45 0.47 0.31 1.30 1.98 1.87 1.83 1.27 2.54 3.42 3.38 3.35 2.30 3.45 5.30 5.22 5.15 3.15 充填要求； 匡中文等[18]探究了城市建筑垃圾的来源、 分类及其物化组成等，验证了其作为充填材料的优 越性，指出采用建筑垃圾作为膏体充填材料不但减 少了地表、岩层移动破坏对环境的危害，而且有效 地保护了资源。陈维新[19-20]通过正交试验的方法确 定建筑垃圾-粉煤灰基作为胶结充填材料，试验结 果表明该充填材料具有快凝、塑形强、残余强度高 的优点。以上研究对建筑垃圾仅存在于表观性质的 研究，但建筑垃圾与充填材料之间的相容性及配比 等因素对充填膏体强度性能的探究性试验研究较 少。为此， 以建筑垃圾作为充填骨料， 粉煤灰和少量 水泥作为胶凝材料， 通过设置不同水泥、 粉煤灰、 建 筑垃圾的比例（以下简称固相比） 和改变质量分数 来探究对煤矿充填膏体单轴抗压强度的影响规律， 并通过应力应变曲线来探究不同龄期对充填膏体抗 压强度的影响机理。 1试验材料及方法 1.1试验材料 建筑垃圾是城市建筑物拆除后产生的建筑废 渣， 建筑垃圾组分见表 1。 建筑垃圾再生骨料主要指 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。水泥 （32.5 号） 来源于中国山东山水水泥集团有限公司，水泥化学 成分见表 2。 粉煤灰来源于中国山东黄岛电厂， 表观 密度 2 040 kg/m3， 堆积密度 750 kg/m3， 粉煤灰化学 成分见表 3。试验所用脱硫石膏为黄岛电厂湿法脱 硫排除的工业废渣， 主要成分为 CaSO4 2H2O， 其品 位可达 90～93， 游离水含量 10～12， 含碱低， 无放射性， 有害杂质少。 1.2试验方案 首先， 利用控制变量法， 根据设定的不同固相比 （水泥∶粉煤灰∶建筑垃圾1∶4∶6～1∶4∶7） 和质量分数 （74～78） 制备充填膏体，其规格为 50 mm100 mm 的标准圆柱体试件； 其次， 将制备好的充填膏体 置入温度 25 ℃，湿度为 95的混凝土标准养护箱 进行养护； 最后， 在设定的龄期 （1/3、 1、 3、 7、 28 d） 用 DY-2008DX 全自动压力试验机加载测试抗压强度， 每组取 3 个样品， 测试结果取平均值。 2试验结果及分析 2.1固相比对充填膏体强度的影响 不同固相比对充填膏体强度影响见表 4，不同 固相比下膏体抗压强度柱状图如图 1。 在试验组中， C01 组作为对比参照， 在不参加任 何激发剂的情况下，其前期强度和后期强度均能达 到岱庄煤矿的强度要求。 C04 组与 C01 组相比， 添加 了一定量的脱硫石膏，其各个龄期的强度均提高较 多， 提高幅度在 31.9～49.3， 充分证明了脱硫石膏 对水泥-粗粉煤灰的激发效果。从 C02～C05 试验组 中， 可以得到以下结果 随着建筑垃圾比例的增加， 73 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 表 5不同质量分数对充填膏体抗压强度的试验结果 Table 5Test results of different mass concentrations on compressive strength of construction waste filling paste C01 C02 C03 C04 C05 1∶4∶6 74 75 76 77 78 编号 固相比 质量 分数 / 单轴抗压强度/MPa 水泥∶粉煤灰∶建筑垃圾8 h1 d3 d7 d28 d 0.12 0.15 0.18 0.19 0.19 0.32 0.35 0.47 0.45 0.51 1.28 1.48 1.83 1.87 2.02 2.64 3.12 3.35 3.58 3.60 4.20 4.15 5.15 5.31 5.35 图 2不同质量分数下充填膏体的抗压强度柱状图 Fig.2Histogram of compressive strength of construction waste filling paste with different mass fractions 各个龄期的强度均呈下降的趋势，从柱状图中也可 以看出， 在 C02～C04 试验组中， 其强度下降的趋势 并不明显，并且在 C03 的 8 h 龄期时其强度还出现 了增长的趋势； 在固相比为 1∶4∶7 时， 强度的下降较 为显著， 各个龄期的强度较 1∶4∶6 的下降了约 28.4 ～38.8， 但是其早期强度和最终强度也都达到岱庄 煤矿充填的强度要求。 2.2质量分数对充填膏体强度的影响 不同质量分数对建筑垃圾充填膏体强度的影响 见表 5，不同质量分数下充填膏体的抗压强度柱状 图如图 2。 从试验结果中可以看出， 随着质量分数的增加， 充填膏体的强度整体呈增长趋势，但是在不同的养 护龄期其增长幅度存在一定的差别。由图 2 可知， 在 C01～C02 试验组中，其 8 h 抗压强度提高了 25，而后其抗压强度的提高幅度均稳定在 15左 右， 但是其 28 d 的抗压强度却稍有降低， 这可能是 由于试验误差所致； 在试验组 C02～C03， 充填膏体 8 h 的抗压强度提高了 20， 28 d 抗压强度提高了 24.1； 在试验组 C04～C05， 其 8 h 抗压强度并没有 提高， 且在 1、 3、 7、 28 d 抗压强度的提高幅度也仅在 10以内。 这是由于质量分数过高， 充填膏体中没有 充足的水分参与水化反应，导致其后期强度有所降 低。从图中还可以看出，在 5 组试验中，充填膏体 28 d 的强度基本没有提高， 这是由于水分在充填膏 体的水化过程中已参与完成水化过程或者蒸发、 流 失等， 此时， 含水量的多少与充填膏体抗压强度的关 系较小。 2.3不同龄期对充填膏体单轴抗压强度的影响 试验选取水泥∶粉煤灰∶建筑垃圾为 1∶4∶6 的材 料配比， 质量分数为 76。其不同龄期的单轴抗压 强度应力应变曲线如图 3。 由图 3 可知，建筑垃圾充填膏体的应力应变特 性在不同时期具有比较大的差别。 在养护 8 h 后， 充 填膏体中的胶凝材料刚刚开始水化，而且充填膏体 内部也存在较多的空隙，因此其应力应变曲线非常 平缓，而且从图 3 中可以看出当充填膏体的峰值达 到之后， 其强度并没有急剧下降， 而是慢慢减小， 塑 性变形非常大， 应变接近达到了 3。随着胶结材料 水化反应的进行， 应力的强度迅速增加， 而且应力应 变的曲线梯度也迅速增加，从图中看出在 1～7 d 的 阶段其仍存在一定的塑性变形区域，但是充填膏体 已逐渐进入弹性变形阶段，在充填膏体的应力达到 屈服强度极限之后，其不会像岩石一样发生脆性破 裂，而是随着应变的增加，仍保持着较高的残余强 度， 具有很好的可塑性[21]。因此， 在充填膏体的前期 水化阶段 8 h， 建筑垃圾-粉煤灰基充填膏体的变形 基本都属于塑性变形， 在 1～7 d 时期， 充填膏体的应 力应变特性属于塑-弹-塑性类型， 这段时期对于充 填膏体控制顶板下沉的效果大有益处。 从充填膏体的后期 28 d 应力应变曲线图中可 以看出， 充填膏体的弹性模量接近 1 000 MPa， 其接 近岩石的全应力应变曲线图，主要的过程如下 首 先， 充填膏体也经过了压密阶段， 变形量较小， 也表 明充填膏体此时具有一定的强度； 其次， 充填膏体迅 速进入弹性变形阶段， 应变随应力的增加量很小， 在 此过程中充填膏体可以对围岩起到很大的支撑作 用，也可以有效地控制围岩变形和顶板下沉等问 题； 然后曲线进入下弯阶段， 曲线斜率逐渐减小， 充 填膏体达到了峰值，对顶板的支撑达到了最大强 度； 最后， 曲线迅速下降， 同时也显示出了一定的延 性破， 充填膏体的残余强度虽没有之前的高， 但仍可 以承受一定的载荷，对于采空区的顶板支护具有很 好的益处。 74 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 图 3建筑垃圾充填膏体不同养护龄期的全应力应变曲线 Fig.3Total stress-strain curves of construction waste filling paste at different curing ages 3结论 1 ） 随着固相比的增加， 建筑垃圾充填膏体各个 龄期的抗压强度均呈缓慢下降的趋势，当固相比较 大时，其抗压强度下降幅度较大，但其早期强度和 最终强度也都达到岱庄煤矿充填的强度要求，这充 分验证了建筑垃圾作为充填材料在矿山充填工程的 可行性。 2） 随着建筑垃圾充填膏体质量分数的提高， 充 填膏体的强度会有所增加，尤其是对其早期强度的 提高较为显著。因此，在满足膏体料浆输送性能的 基础之上，可以通过调节膏体的质量分数来提高充 填膏体的强度或者通过减少胶结剂的用量来间接满 足充填膏体的强度要求进而为充填节约一定的材料 成本。 3 ） 建筑垃圾充填膏体的应力应变特性属于塑- 弹-塑性类型， 当充填膏体强度达到峰值后， 会出现 一定的延性破坏，但是剩余抗压强度扔抗压承受一 定的载荷，这段时期对于充填膏体控制顶板下沉的 效果大有益处。 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］ 郝仲韡.煤矿开采沉陷的部分充填开采技术 ［J］ .当代 化工研究， 2019 （5） 137-138. ［4］ Erol Y, Tikou B, Bruno B, et al. 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