膨胀充填材料工程力学特性的试验研究及应用

冯志强，马磊磊，管品武，唐 威，郑 峰

(1.河南交通职业技术学院，河南 郑州 450000；2.郑州市市政工程管理处，河南 郑州 450000；3.郑州大学土木工程学院，河南 郑州 450001；4.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 100013；5.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京 100013)

充填开采是实现资源安全、绿色环保、高效开采的重要开采方式，充填材料的选择及充填材料工程力学特性是充填开采的核心组成部分。国内外科研工作者和现场工作人员对充填材料进行了大量的研究，取得了较多的研究成果，然而，充填材料的成本、使用后的力学特性、充填效果及充填接顶问题等还需要不断深入研究[1-3]。

充填接顶问题关系到充填效果和充填体的承载强度。充填接顶率表示充填过程中充填材料接顶的多少，充填接顶率越大，充填材料接顶越多，充填效果越好，反之，充填接顶率越小，充填材料接顶越少，充填效果越差，造成顶板冒落，巷道变形严重，支护不稳，危及施工人员和作业人员的安全等。已有文献[4-5]研究了煤矸石不同配比下的泡沫混凝土性质，利用正交试验对泡沫膏体充填材料进行了配比优化，得到了最佳配比，对不同泡沫混凝土的力学性质进行了研究，并对煤矿采空区进行了充填。泡沫混凝土[6-7]作为充填材料的研究刚刚起步，本文研究了含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土膨胀材料的动静载试验，使用双氧水作为发泡剂，分析了泡沫混凝土充填材料的混合方法以及强度特征等，为泡沫混凝土膨胀充填材料在采矿工程中的应用奠定了基础。

1 试验方法

1.1 材料

制作泡沫混凝土的原材料是普通水泥、砂子、粉煤灰、水和预制泡沫。水灰比(W/C)为0.5。①水泥：水泥使用42.5R的普通水泥，水泥的性质和具体组成见表1。②砂子：以2 520 kg/cm3的密度为粗骨料，实际颗粒小于5 mm，平均细度模数为2.5。③粉煤灰：粉煤灰作为细骨料平均颗粒直径为15 μm，密度为2 400 kg/cm3的Ⅰ级粉煤灰。④发泡剂：浓度30%的工业过氧化氢作为发泡剂。在MnO2催化下，H2O2分解并释放氧气作为泡沫的来源。通过调节H2O2和MnO2的数量，可以调节发泡率和发泡能力。⑤稳泡剂：硬脂酸钙(C36H70CaO4)作为一种泡沫稳定剂(1%的干物质)可以完全与干燥材料混合，泡沫稳定是H2O2作为泡沫剂制备泡沫混凝土的必要条件，稳定的泡沫可以避免泡沫的相互连接，从而防止表面泥浆泡沫的外溢。 ⑥水：自来水。

表1 水泥的性质与组成Table 1 Properties and composition of cement

1.2 混合比例

泡沫混凝土的混合比和方法没有统一的标准[8-9]。 根据选定的粉煤灰、砂、水泥、水的密度作为基本指标，计算泡沫混凝土的设计密度。 泡沫混凝土的设计密度为1 000 kg/m3、1 200 kg/m3、1 400 kg/m3，具体的混合比见表2。

表2 泡沫混凝土的组成含量Table 2 Composition content of foam concrete

泡沫混凝土的材料混合设计密度为：水泥-砂(粉煤灰)-泡沫(双氧水)-水原料混合比在泡沫混凝土中的关系见式(1)～式(6)。

ρm=Sa(Mc+Mfa)

(1)

ρm=Sa(Mc+Ms)

(2)

Mw=φ(Mc+Mfa)

(3)

Mw=φMc

(4)

Mfa=λMc

(5)

Ms=λMc

(6)

式中：ρm为泡沫混凝土的设计密度，kg/m3；Sa为质量系数，而普通硅酸盐水泥则为1.2；Mc为每立方体泡沫混凝土中使用的水泥用量，kg；Ms为每立方体泡沫混凝土中的砂量，kg；Mfa为每立方米泡沫混凝土中粉煤灰的含量，kg；Mw为每立方体泡沫混凝土中的水使用量，kg；φ为水灰比；λ为水泥的替代量。

水泥、砂和水的总体积计算见式(7)，每立方泡沫混凝土的泡沫体积计算见式(8)。

(7)

V2=k(1-V1)

(8)

式中：V1为水泥、砂和水的总体积，m3；V2为每立方泡沫混凝土的泡沫体积，m3；ρfa为砂的密度，kg/m3；ρc为水泥的密度，kg/m3；ρw为水的密度，kg/m3；K为富裕系数，一般取1.1～1.4。

发泡剂的质量计算见式(9)。

(9)

式中：Mf为每立方米泡沫混凝土中发泡剂的质量，kg；Mh为根据化学反应产生1 mol气体所需发泡剂的质量，kg；β为发泡剂的纯度。

1.3 制作方法

泡沫混凝土的制备过程对泡沫混凝土的密度、气泡分布、形状、大小都有非常大的影响。本实验中用H2O2分解产生气泡作为发泡剂，通过控制H2O2和二氧化锰控制发泡量，从而控制泡沫混凝土的密度。 将水泥、砂等原材料按预定的计量放入搅拌机进行搅拌，搅拌约1 min至均匀，搅拌均匀后加入水、发泡剂，搅拌均匀，将混合物倒入Φ50 mm×100 mm的圆柱形塑料模具成型。24 h后脱模，并将泡沫混凝土放入标准养护箱中养护，温度=20 ℃±2 ℃，相对湿度>95%。分别对密度为1 000 kg/m3、1 200 kg/m3、1 400 kg/m3，以及泡沫混凝土养护时间为3 d、7 d、14 d、28 d的泡沫混凝土取试样利用电控微机伺服试验机进行试验进行单轴抗压试验测试。

2 膨胀充填材料的应力-应变曲线关系

2.1 单轴抗压强度

根据含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土的单轴试验，得到了两种膨胀充填材料的力学特征。采用电控微机伺服试验机测试系统，测试50 mm×100 mm的圆柱试样。先对两种泡沫混凝土的两端进行了抛光，以减少压板和泡沫混凝土试样之间的摩擦，从而减少了对试样横向变形的影响。从开始加载到破坏，泡沫混凝土不开裂，当继续接近或达到最大负载，一个小裂缝出现在试样的中下部分，然后继续加载，随着压力的增加，裂缝也开始增加，裂缝的扩展延伸到主裂纹，试样开始破坏和断裂。28 d含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土的应力-应变曲线分别如图1和图2所示。

图1 28 d含砂泡沫混凝土的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curve of foam concrete withsand on 28 d

图2 28 d含粉煤灰泡沫混凝土的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curve of foam concrete withfly ash on 28 d

通过泡沫混凝土的单轴压缩试验，得到了不同密度、不同龄期的膨胀充填材料泡沫混凝土的力学性能，以泡沫混凝土28 d的应力-应变曲线说明泡沫混凝土的变化规律[10]。泡沫混凝土基本上经历了4个过程。①弹性阶段(A)。初始空隙与裂隙在发生闭合，空隙裂隙闭合后，泡沫混凝土发生弹性变形，此时应力与应变基本成线性关系。随着压力的不断增大，泡沫混凝土的内部出现塑性变形。②应力下降阶段(B)。泡沫混凝土应力达到最大时，泡沫混凝土开始破坏，此时的应力开始下降。③平台阶段(C)。随着荷载的不断增加，泡沫混凝土出现一个平台阶段，此时泡沫混凝土中泡沫的孔壁具有一定的抗压能力。④压密阶段(D)。载荷继续增加，泡沫混凝土并没有立即破坏，而是仍然具有一定的抗压能力，泡沫混凝土中的空隙继续被压密，直至泡沫混凝土完全破坏。对比28 d含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土的应力应变曲线，同一密度下，含粉煤灰的极限抗压强度大于含砂泡沫混凝土的抗压强度。

2.2 动载应力应变曲线

含砂泡沫混凝土的应力-应变曲线和含粉煤灰泡沫混凝土的应力-应变曲线的峰值应力值均随冲击速度的增大而增大[11]。 如图3和图4所示，分别为密度为1 400 kg/m3含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土在冲击速度为4.0 m/s、5.0 m/s、6.0 m/s时的动态应力-应变曲线。泡沫混凝土的动力破坏可分为线弹性阶段、屈服阶段和孔壁破坏阶段三个阶段。①线性弹性阶段：泡沫混凝土的孔隙结构支持一定的压力，随着的应力-应变曲线近似线性弹性行为，表明初始孔隙空间内的泡沫混凝土不能渗透。②屈服阶段：随着荷载的不断增加，最终超过泡沫混凝土试件孔隙结构的最大压力，塑性应变显著增加，泡沫混凝土孔隙开始发生塑性破坏，发生脆性破坏。③孔隙壁破坏阶段：泡沫混凝土孔隙在动荷载作用下达到应力峰值后迅速膨胀，泡沫混凝土试件开始出现宏观损伤。当应力值达到最大应力值时，泡沫混凝土内部孔隙壁在压实过程中开始发生破坏。试件的抗压能力逐渐降低，泡沫混凝土试件内部形成宏观断裂面。泡沫混凝土孔隙结构完全破坏后，试件不再受荷载作用。

图3 1 400 kg/m3含砂泡沫混凝土应力应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of 1 400 kg/m3foam concrete with sand

图4 1 400 kg/m3含粉煤灰泡沫混凝土应力应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of 1 400 kg/m3foam concrete with fly ash

3 膨胀充填材料的抗压强度

对比膨胀充填材料的试验数据可以看出，养护28 d后，含砂泡沫混凝土的极限抗压强度为3.34 MPa、4.20 MPa、5.47 MPa，含粉煤灰泡沫混凝土的极限抗压强度为5.24 MPa、6.20 MPa、6.69 MPa。不论是含砂泡沫混凝土或含粉煤灰泡沫混凝土，随着密度的增大，抗压强度也增大。密度与含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土极限抗压强度关系曲线如图5和图6所示。

图5 28 d含砂泡沫混凝土的密度-极限抗压强度曲线Fig.5 Density-ultimate compressive strength curve offoam concrete with sand on 28 d

图6 28 d含粉煤灰泡沫混凝土的密度-极限抗压强度曲线Fig.6 Density-ultimate compressive strength curve offoam concrete with fly ash on 28 d

4 不同龄期泡沫混凝土强度特征

由于泡沫混凝土含有大量的空隙，泡沫混凝土水分在蒸发过程中比普通混凝土所需时间更长，泡沫混凝土的胶结材料为水泥，水分蒸发慢，水泥固化速度较慢。随着泡沫混凝土龄期越长，泡沫混凝土的固化程度越高，泡沫混凝土的抗压强度越大。含砂泡沫混凝土和含粉煤灰泡沫混凝土养护时间与峰值应力关系曲线如图7和图8所示。

图7 含砂泡沫混凝土的龄期-极限应力曲线Fig.7 Age-limit stress curve of foam concrete with sand

图8 含粉煤灰泡沫混凝土的龄期-极限应力曲线Fig.8 Age-limit stress curve of foam concrete with fly ash

5 动静载关系及现场应用

5.1 泡沫混凝土动静加载关系

泡沫混凝土的材料密度对其力学性能有一定的影响。随着密度的增加，泡沫混凝土的屈服强度、平台应力和能量吸收能力均有明显提高[12-13]。泡沫混凝土的应力随密度的增大而增大，含粉煤灰泡沫混凝土与含砂泡沫混凝土表现出不同的特性，含粉煤灰泡沫混凝土的抗压强度高于含砂泡沫混凝土。应力-应变曲线呈现出不同的阶段，可以用孔隙结构的函数来解释。材料的强度通常是孔隙率的函数，但在本文中，密度增加20%并不会导致强度的显著提高。这与制备泡沫混凝土所使用的材料、发泡剂种类和养护工艺有关，在本文中，这种现象主要是由发泡剂引起的。

泡沫混凝土的动态抗压强度大于静态抗压强度。泡沫混凝土在准静态荷载作用下，具有明显的延性和韧性。在准静载荷作用下破坏模式为压实破坏，动力破坏模式为逐层破坏，如图9所示。

图9 泡沫混凝土破坏模式Fig.9 Failure mode of foam concrete

5.2 现场应用

陕西某矿工作面采用回采，通过实地调研发现，原煤层开采时存在多条空巷和采空区，采空区巷道帮部变形严重，影响了工作面的正常回采。在试验段巷道布置充填钻孔，可以有效保证充填高度。在巷道中心线两侧各设置4个主要充填钻孔，孔间距3 m，充填材料选择密度为1 000 kg/m3的含粉煤灰泡沫混凝土。

通过对主要充填钻孔进行取样,制作标准试件进行试验，设计为1 000 kg/m3含粉煤灰泡沫混凝土充填材料现场取样密度为1 028 kg/m3，可以满足矿井安全开采对充填材料的要求。通过对充填区域进行钻孔窥视检验充填泡沫混凝土的状态和效果可知，泡沫混凝土在顶板充填后，能够和顶板充分接实，达到接顶目的，说明泡沫混凝土作为充填材料起到了很好的效果。

6 结 论

1) 膨胀充填材料泡沫混凝土不论含砂或含粉煤灰，单轴应力应变过程基本上都经历了4个过程：弹性阶段、应力下降阶段、平台阶段和压密阶段，冲击荷载作用下的应力-应变曲线表现为3个阶段：线弹性阶段、屈服阶段、孔壁破坏阶段。

2) 泡沫混凝土的强度随着密度的增大而增大，随着气泡的增多而减小。相同密度下，含粉煤灰泡沫混凝土极限抗压强度大于含砂泡沫混凝土极限强度。

3) 膨胀充填材料泡沫混凝土的极限应力随着养护时间的增加而增大，随着泡沫混凝土的养护时间的增加，泡沫混凝土的应力增长速率逐渐减少。泡沫混凝土在准静态荷载作用下，具有明显的延性和韧性。在准静载荷作用下破坏模式为压实破坏，动力破坏模式为逐层破坏。

4) 现场实践表明，泡沫混凝土充填材料可以满足煤矿充填开采的应用，对泡沫混凝土的在煤矿中的进一步应用奠定了基础。