改性脱硫石膏基喷射混凝土结构应用与监测

荣传新，钱立德，王 彬，程 桦，宋海清，李冠豪，李 琳

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

“湿式石灰石-石膏法脱硫”是目前应用最为广泛的烟气脱硫工艺[1]，随着该项技术的推广使用，全世界范围内的SO2的排放量已经成功得到了控制，与此同时作为该项工艺的副产品-脱硫石膏的排放量却大幅增加，与粉煤灰一样，烟气脱硫石膏已成为第二大固体废弃物，其堆储和外运的压力逐渐成为困扰社会发展的一大难题[2-3]。如何提高烟气脱硫石膏的综合利用率，减少烟气脱硫石膏这种工业副产物大量堆放带来的占地和二次污染的难题，已经成为当前社会普遍关心的议题。

近些年，随着科学技术的进步，作为第一大固体废弃物的粉煤灰在建材制品、高分子制品、废水以及废气处理等方面都得到了成功的运用[4-6]，粉煤灰混凝土更是已经成为土木工程中一种不可或缺的高性能材料[7]，粉煤灰已经逐渐从一种固体废弃物转换成一种具有较高利用价值的资源，这为解决脱硫石膏大量堆弃的问题提供了重要启示。基于此，近些年国内学者对脱硫石膏的材料属性进行了探究[8-11]，并对脱硫石膏在环境治理以及建筑材料中的运用进行了可行性研究[12-15]，研究成果表明，改性后的脱硫石膏与水泥具有比较接近的材料属性，可以替代水泥作为混凝土的胶凝材料[16-17]，因此，在上述已有研究成果的基础上，本文拟将改性后的脱硫石膏替代水泥作为胶凝材料应用到巷道喷层支护中，并对这种改性脱硫石膏基喷射混凝土喷层的支护效果进行了研究。

1 材料特性

为了研究改性脱硫石膏基混凝土的材料属性与水泥基混凝土属性的差异，分别对以两种材料为胶凝材料的混凝土进行物理力学性能试验，根据试验结果分析改性脱硫石膏(以下简称“石膏”)替代水泥作为胶凝材料的可行性。

对两种混凝土材料进行配比设计时，水泥基喷射混凝土采用井下喷浆料常规的配合比为：水泥∶瓜子片∶砂∶水=1∶2.1∶1.9∶0.46(加3%速凝剂)，由于石膏和水泥的需水量不同，石膏喷射混凝土的用水量是通过坍落度和扩展度这两个指标与水泥基喷射混凝土基本保持一致为前提进行确定的，最终确定脱硫石膏基喷射混凝土的配合比为：改性脱硫石膏母料：瓜子片∶砂∶水=1∶2.1∶1.9∶0.33。

两种混凝土养护28d后的力学性能参数实验结果如表1所示。

表1 两种混凝土的材料属性对比

注：试验所用水泥为淮南矿区井下喷浆常用的八公山牌P·O32.5水泥；抗拉强度、抗压强度、抗折强度以及抗剪强度都是28d期龄的混凝土的实验结果。

通过对比可以发现，脱硫石膏基混凝土的力学性能与普通水泥基混凝土基本一致，满足喷层支护材料的力学性能要求。

2 现场支护效果监测与分析

在现场进行工业性试验时，对普通混凝土喷层和改性脱硫石膏基喷层的受力及变形进行监测，通过对监测结果的分析来对改性脱硫石膏基喷射混凝土的支护效果进行评价。

2.1 现场工业性试验及监测测站布置

现场工业性试验在淮沪煤电丁集煤矿东二11-2轨道大巷上部车场1341(1)高抽巷联巷进行，如图1所示，巷道所属岩层的岩性为中砂岩，巷道断面尺寸如图2所示。共布置3个测站，1#、2#测站位于改性脱硫石膏喷射段，3#测站位于普通混凝土喷射段。

现场每个监测断面喷层处测点的传感元件布设如图2所示。每个测试断面在拱顶、两肩和两帮共布置5个测点，共计埋设钢筋计8个，混凝土应变计8个。

图1 丁集煤矿试验巷道测站位置示意图

在实际喷射过程中能够观察到在不添加速凝剂的前提下，改性脱硫石膏基喷射混凝土具有硬化时间快、无流淌、粘着力强、回弹料少等特点。

2.2 监测结果及分析

将三个监测站对应的改性脱硫石膏基混凝土喷层支护结构以及水泥基混凝土喷层支护结构的环向以及轴向的钢筋计和混凝土应变计的监测结果绘制成曲线图，通过钢筋的应力以及混凝土的应变随时间的变化规律来判断两种支护结构的支护效果(其中受拉为正，受压为负)。

1)巷道环向钢筋应力和混凝土应变

三个监测站处喷层支护结构环向钢筋应力测试结果如图2所示。

图2 喷层结构受力监测传感元件布置图

(a)1#测站环向钢筋应力随时间变化规律 (b)2#测站环向钢筋应力随时间变化规律

(c)3#测站环向钢筋应力随时间变化规律 (d)各测站环向钢筋应力在不同位置的分布规律(75d)图3 各测站环向钢筋应力分布图

由图3可见，巷道顶部的环向钢筋处于受拉状态，其余测点的钢筋处于受压状态。截止到监测结束时刻，两个石膏喷层监测面处的环向钢筋最大压应力分别为-160.1MPa、-58.5MPa，水泥喷层监测面的环向钢筋最大压应力为-57.6MPa，均小于钢筋的屈服强度；两个石膏喷层监测面处的环向钢筋最大拉应力分别为13.6MPa、7.7MPa，水泥喷层监测面钢筋最大拉应力为33.5MPa，均小于钢筋的屈服强度。

3个测站对应的2种混凝土喷层支护结构的混凝土环向应变测试结果如图4所示。

(a)1#测站混凝土环向应变随时间变化规律 (b)2#测站混凝土环向应变随时间变化规律

(c)3#测站混凝土环向应变随时间变化规律 (d) 各测站混凝土环向应变不同位置的分布规律(75d)图4 各测站对应测点混凝土环向应变随时间变化曲线图

由图4可见，1#测站的石膏混凝土喷层右肩部的环向应变随着支护时间的增加而不断增大，其余测点应变随时间的变化幅度较小；2#测站石膏混凝土喷层的左肩部应变随着支护时间的增加而不断增大，其余测点混凝土环向应变基本保持不变，这主要是由于石膏混凝土在后期的膨胀变形较小所致；3#测站水泥混凝土在巷道顶部的环向压应变在支护初期呈近似线性增长，这主要是由于混凝土收缩变形所致。在监测后期，三个测站的混凝土环向应变已基本趋于稳定。

在监测过程中，1#、2#测站石膏混凝土的环向压应变最大值为-808.6με、-355.2με，3#测站水泥混凝土的环向压应变最大值为-101.8με；1#、2#测站石膏混凝土的环向拉应变最大值为57.3με、40.3με，3#测站混凝土环向拉应变最大值为143.6με。

在监测的第75d，喷层支护结构的混凝土环向应变在不同位置的分布规律如图4(d)所示，除拱顶位置以外，支护结构整体处于受压状态，通过对比，水泥混凝土喷层在拱顶位置的拉应变较大，而石膏混凝土喷层的拱肩位置的压应变较大。

2)巷道轴向钢筋应力和混凝土应变

各监测站轴向钢筋应力以及应变的测试结果如图5～图6所示。

(a)1#测站轴向钢筋应力随时间变化规律

(b)2#测站轴向钢筋应力随时间变化规律

(c)3#测站轴向钢筋应力随时间变化规律图5 各监测测站轴向钢筋应力分布

由测试结果可知，1#测站的钢筋轴向应力全部为拉应力，拱顶位置以及拱肩位置的钢筋轴向应力在经历了支护初期的快速增长阶段之后，逐渐进入相对稳定状态，拱肩位置的应力持续增长至支护后的60d，最大拉应力达到38.6MPa，而拱顶位置的应力增长阶段仅持续了10d，最大拉应力达到13.1MPa；2#测站的钢筋轴向应力在监测前期一直处于波动状态，但波动幅度较小，拱顶位置的最大应力达到-4.3MPa，拱肩位置的最大应力达到7.2MPa，在监测时段后期，应力逐渐趋于平稳；3#测站的钢筋轴向应力由于受水泥水化热释放的影响，在监测初期应力快速增长，随着水泥水化热释放结束，拱顶以及拱肩位置的钢筋轴向应力逐渐减小，并进入稳定状态，在监测时段内，喷层支护结构的最大拉应力出现在拱顶位置，应力值达到26.5MPa，最大压应力出现在拱肩位置，应力值达到-33.4MPa。整个监测时段中，3个监测站的钢筋轴向应力均小于钢筋的屈服强度。

(a)1#测站轴向混凝土应变随时间变化规律

(b)2#测站轴向混凝土应变随时间变化规律

(c)3#测站轴向混凝土应变随时间变化规律图6 各监测面轴向混凝土应变分布

由图6可知，1#测站各测点轴向混凝土应变表现为拉应变，两侧拱肩位置的应变随着支护时间的增加而不断增大，拱顶位置的应变表现较为稳定，拱肩位置以及拱顶位置应变最大值分别达到230.4με以及30.3με；2#测站各测点轴向混凝土应变主要表现为压应变，在监测时间段内，应变一直处于上下波动状态，但波动范围较小，拱肩位置应变最大值达到-37.5με以及10.3με；3#测站巷道顶部的混凝土应变表现为拉应变，两侧拱肩位置为压应变，各测点在支护前期应变快速增大，随后进入相对稳定的状态，拱顶位置应变的最大值达到193.5με，拱肩位置的应变最大值达到105.2με。

3 结论

(1)改性脱硫石膏基混凝土喷层支护结构与水泥基混凝土喷层支护结构一样都具有较好的承载能力，可以达到巷道喷层支护的承载力标准。

(2)两个监测站处石膏混凝土的环向拉应变最大值分别为57.3με、40.3με，而水泥混凝土的环向拉应变最大值为143.6με，表明改性脱硫石膏基喷射混凝土具有较好的抗变形能力。

(3)现场支护效果显示，与水泥基喷射混凝土相比，石膏基混凝土具有硬化时间快、无流淌、粘着力强、回弹料少等特点，且石膏混凝土没有明显的水化热释放过程，在整个支护过程中，性质比较稳定，是一种优良的喷射支护材料。