采空区粉煤灰泡沫混凝土充填体的试验研究.pdf

第3 7 卷第6 期 2 0 1 4 年1 1 月 非金 属 矿 N o n M e t al l i c M i nes V o1 3 7 N o 6 No v e mbe r 2 01 4 采空区粉煤灰泡沫混凝土充填体的试验研究 张淑坤李伟 宋帅帅王宾辉潘强 ( 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 以普通硅酸盐水泥、 发泡剂、 粉煤灰和外加剂为原料， 通过室内试验方法制备采空区膏体充填材料， 并对其性能指标进行研究分析 结果表 明， 粉煤掺 量为 O 5 0 、 绝干密度为 2 0 0 5 0 0k g m 时 ， 粉煤灰 泡沫混凝土抗压强度在 O 4 - 2 8MP a变化 ， 抗剪强度在 O 0 5 O 3 5 MP a变化 ， 采用不同配比获得充填体强度能够满足一般采空区充填要求； 随着泡沫掺入量及粉煤灰替换率的增加， 能够得到同质量下普通混凝土体积 3 7 倍 以上 的充填体， 说明在 满足充填体强度要求条件 下， 该充填体利用率较 高 该充填体具有较好的 变形能力和延性 ， 适合采空区充填。 关键词栗空区； 粉煤灰泡沫混凝土； 充填体； 抗压强度； 抗剪强度 中图分类号 ： T Q1 7 2 7 1 5 ； T D3 2 5 + 3 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 8 0 9 8 ( 2 0 1 4 ) 0 6 - 0 0 3 6 0 3 Ex o e r i me n t a l S t u d y o n F o a m e d Co n c r e t e Bl o c k Fi l l e r i n Go a f Z h a n g S h u k u n L i We i S o n g S h u a i s h u a i Wa n g B i n h u i P a n Qi a n g ( I n s t i t u t e o f C i 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 in 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 i n g 1 2 3 0 0 0 ) Ab s t r a c t Or d i n a r y p o r t l a n d c e m e n t ， f ly a s h ， f o a m i n g a g e n t ， a d m i x t u r e a s r a w m a t e r i a l ， ma k e p a s t e fi l l i n g m a t e r i a l b y me a n s o f t h e l a b o r a t a ry t e s t me t h o d， a n d a n a l y s i s i t s p e r f o r m e n c e i n d e x Th e r e s ul t s s h o w： wh e n t h e fly a s h pr o pe r t y：0 50 ， a b s ol u t e d ry d e ns i t y：2 0 0 5 0 0 k g m ，t he c o mp r e s s i v e s t r e n g t h o f t h e f o a me d c o n c r e t e b l o c k c h a n g e s b e t we e n 0 4 2 8 MP a t h e s h e a r s t r e n g h c h a n g e s b e t we e n 0 O 5 0 3 5 M P a o b t a i n in g t h e fil l e r s t r e n g t h b y u s i n g di f f e r e n t p r o p o r t i o ni n g s c a n me e t t he g e ne r a l fil l i n g r e q u i r e me n t s in go a l ； a s t h e f o a m p r o p e r t y a n d t h e r a t e o f s u b s t i t u t i o n o f t h e fl y a s h a n d i n c r e a s e ， g e t the fil l e r 3 7 mo r e t i me s t h a n t h e s a me q u a l it y o f c o mme n c o nc r e t e ， i t s ho ws t h a t t h e u t i l i z a t i o n r a t i o o f t h e fil le r i s h i g h e r i n t h e c o n d i t i o n o fme e t i n g the s t r e n g t h r e q uir e me n t o f t h e fil l e r Th e fil l e r h a s b e ne r d e f o r ma b i l i t y a n d d u c t i l it y ，a n d i t i s s u i t a b l e t o fil l in g o a Ke y wo r d s g o a f o a me d c o n c r e t e b l o c k ； f l e r ； e x p e r i me n t ； c o mp r e s s i v e s t r e n g t h ； s h e a r s t r e n gth 充填体虽不能完全消除采空区围岩变形和破坏， 但可大大降低上覆岩层的移动和 自由发展。充填工 艺发展主要经历了千式充填阶段、 水砂混合充填阶段 和胶结膏体充填阶段 。干式充填材料特点是空隙 大、 密实度低、 充填效率也低， 由于充填体自身会被再 次压缩， 因此对于上覆岩层移动的抑制效果较差， 但 材料本身成本较低 ； 水砂混合充填对所选取 的填 料要求较高， 充填输送方便 ， 充填效率较高 3 1 ； 胶结膏 体充填由骨料和胶凝材料组成， 充填效率较高， 对于 上覆岩层抑制效果也好 ， 骨料一般采 用碎石、 细沙及 尾矿砂等， 而胶凝材料一般用水泥， 充填成本较高 0 。 随着技术 的发展， 膏体充填发展迅速 ， 新型膏体充填 材料的研发也成为研究热点。为降低膏体充填成本， 掺入工业废料粉煤灰制备采空区膏体充填材料是很 好的途径 。冯国瑞等 对充填体中从激发粉煤灰 活性角度进行了大量实验研究， 提出了激发剂采 用及 配比建议 。张钦礼等 7 从粉煤灰在充填体配比角度 进行研究， 提出了最优配比。徐俊明等 将粉煤灰与 收稿 日期 ：2 叭4 0 9 2 6 基金 项 目：国家 自然科 学基金 ( 5 1 1 7 4 2 6 8 ) ；大 学生创新 训练 项 目 ( 2 0 1 41 叭47 O 5 7 、 。 其他充填材料混合对采空区进行充填 。目前掺入粉 煤灰的膏体充填材料主要从外加剂或不同骨料的混 合角度出发进行研究， 而对于凝胶材料本身的改性研 究较少。本实验采用泡沫混凝土作为胶凝材料 ， 掺入 一 定比例粉煤灰制备采空区膏体充填材料， 对该充填 体的配比及物理特性进行 了探讨性研究。 部分矿区充填体强度设计见表 1 。国内外研究经 验表明， 充填体承担围岩移动应力的 2 0 7 0 ， 承载 系数为 k为 0 4时， 大概承担 4 0 左右 l 。围岩移动 也并非一次性整体剪切破坏而失去平衡 ， 而是先片帮 剥落， 破损范围渐渐扩散至围岩深部 ， 逐渐失去平衡 ， 最终才导致围岩大规模移动。若初期便能够维持表 层岩体稳定， 破碎范围得不到扩展便不会逐渐失去平 表 1 部分矿区充填体强度设计 一 3 6 矿山名称 开采方式 充填体 强度 MP a 凡 口铅 锌 矿 VC R法 2 5 大冶铜 绿 山矿 VC R法 1 9 大厂铜坑锡矿 分段 空场嗣后充填 1 4 8 安庆铜矿 大孔侧向崩矿采矿法 2 5 新布 罗肯希尔矿( 加拿大) VC R法 O 4 塔拉 铅锌 矿( 爱尔兰 ) 深孔崩矿 2 5 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 衡 ， 充分调动了原岩 自身稳定性来支撑地压， 而并非 是由充填体本身强度支撑抑制围岩的位移 1 0 o一味 追求高强度充填体， 不但无益于工程的稳定性 ， 也会 增加更大的经济投入。因此， 采空区充填应全面衡量， 综合考虑材料组成及配比， 达到满足工程要求和降低 成本的目的。 1 实验部分 1 1 原料水泥： 普通 4 2 5 硅酸盐水泥； 粉煤灰 ： 阜 新热 电厂粉煤灰 ， 具体化学成分 ( ) 为： S i O ， 6 5 0 ； A1 2 O3 ， 1 6 7； Fe 2 O3 ， 3 6； Ca O ， 1 0 5； M gO ， 1 1； Na 2 O ， 2 2 ； K 2 O， 0 4 ； S O ， 0 5 。发泡剂： 铝粉 ； 强碱外加剂 ： C a O， 约为粉煤灰质量 3 。 1 2 试件制备试件制作尺寸为 1 0 0 I -n r n X 1 0 0 n n q x 1 0 0 mm。试验方法按照规范 泡沫混凝土砌块 进行。 试件养护 2 8 d ， 测试其抗压、 抗剪强度参数 ， 并对试件 的绝干密度及体积进行计算和量测， 以备全方位衡量 该充填材料的性能。具体试验过程 ： ( 1 ) 首先利用高速 搅拌机对泡沫剂水溶液进行搅拌 ， 制备泡沫 ， 直至泡 沫分布均匀、 稳定不破损为止。( 2 ) 按照试验所设计的 控制掺入水泥、 粉煤灰的比例， 在高速搅拌机 中进行 搅拌直至形成均匀浆体 。( 3 ) 将所制备的泡沫加入制 备好 的浆体中， 继续进行混合搅拌， 直至均匀为止， 时 间在 3 4 mi n ， 比例按照试验设计进行控制。 2 结果与讨论 泡沫混凝土具有质量轻、 可泵性好、 隔水性能好、 吸收冲击能量强的特点， 从而被广泛应用到建筑行业 中， 运用到采空区充填材料制备较为少见。制备成品 试件见图 1 ， 所制备试件表面呈蜂窝状构造 ， 内部为封 闭汽泡， 较其它膏体充填材料密度低， 由于引入汽泡 该充填材料合易性佳 ， 可泵性好。保证有较大充填体 积的情况下 ， 消耗较少的水泥 ， 且制备充填体中掺入 适量的粉煤灰， 也解决了工业废渣处理的问题。从化 学反应角度来看， 在强碱外加剂的作用下可 以很好与 粉煤灰中的 S i O ： 和 A 1 ： O 反应， 充分激发粉煤灰的胶 凝活性 ， 而水泥水化反应中不断放出的强碱 C a ( OH ) ， 也会参与其中， 生成有益于混凝土强度提高 的水化硫 酸钙、 水化硫铝酸钙。综合考虑充填体经济性及工程 一 一 图 1 试件外观( 左) 与局部放大( 右 ) 图 3 7 实用性 ， 将粉煤灰泡沫混凝土试件绝干体积密度设计 为 2 0 0 k g m 、 3 0 0 k g m3 , , 4 0 0 k g m 、 5 0 0 k g m3 。下 面对 不同因素影响下粉煤灰泡沫混凝土充填体的物理力 学性能进行详细研究。 2 1 粉煤灰掺量影响粉煤灰掺量设计为 0 、 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 ， 测试充填体 的抗压强度和抗剪强度 ， 见图 2 、 图 3 。从实验结果可见， 充填体强度较普通混 凝土强度低 ， 抗压强度在 0 4 - 2 8 MP a 变化 ， 抗剪强度 在 0 0 5 - 0 3 5 MP a 变化， 按前述分析基本可满足采空 区充填强度的要求， 具体工程可选用制备不同配比的 充填体材料 。充填体抗压强度随着绝干密度降低而 降低 ， 也随着粉煤灰掺量的增加而降低 。绝干密度为 2 0 0 k g m 3 、 3 0 0 k g m3 时， 随着粉煤灰掺量的增加 ， 抗压 强度降低幅度较平缓。抗剪强度曲线变化规律与抗 压强度 曲线类似 ， 绝干密度 4 0 0 k g m 与 5 0 0 k g m3 ， 抗 剪 强度接近抗压 强度 1 7 - 1 8 ， 2 0 0 k g m3 与 3 0 0 k g m 抗剪强度接近抗压强度 1 1 0 。封闭汽泡越多， 充填体 绝干密度越小 ， 整体强度越低 。作为充填材料 ， 当强 度要求不是很高， 可以通过掺入气泡达到节省骨料的 消耗同时， 也可 以适当增大骨料中粉煤灰 的掺入量， 在满足充填体强度要求同时更好地达到节约的目的。 3 2 5 专2 1 5 苗 1 0 5 0 2 O 3 0 4 0 5 0 粉煤灰掺量 抗 压强度 曲线 图3 抗 剪强度 曲线 2 _ 2 泡沫掺量影响混凝土泡沫掺量设计为 1 6 0 0 、 1 8 0 0 、 2 0 0 0 、 2 2 0 0 、 2 4 0 0 、 2 6 0 0 m L k g ， 泡沫掺 量对充填 体绝干密度和体积的影响， 分别见图 4 、 图 5 。由图 4 可见， 随着泡沫用量 的增多， 粉煤灰泡沫混凝土绝干 密度减小， 泡沫掺量大于 2 0 0 0 mL k g的后半段 曲线 绝干密度趋于平稳变化 ， 原 因在于气泡用量增多导致 封闭气泡的增加， 会导致整体密度的降低， 由于加入 的气泡量增大 ， 在机器搅拌过程 中破损量也越大， 因 此密度降低的幅度减小且趋于平稳， 绝干密度越小的 2 图 0 第3 7 卷第6 期 非金 属矿 2 0 1 4 年1 1 月 充填体也就越难制备。由图 5可看出， 质量一定时， 密度越小 ， 获得的充填体体积越大， 这样也有利于充 填材料的节约。随着泡沫掺入量及粉煤灰替换率的 增加， 能得到同质量下普通混凝土体积 3 - 7 倍 以上的 充填体 ， 说明在满足充填体强度要求条件 下， 该充填 体利用率较高 ， 也大大节约了充填体材料运输成本。 5 0 0 4 00 御3 0 0 I f - 鼎 2 0 0 1 0 0 娶 蛙 塔 堂 一 1 6 0 01 7 0 0 1 8 0 0 1 9 0 0 2 0 0 0 2 1 O 0 2 2 0 0 2 3 0 0 2 4 0 0 2 5 0 0 2 6 0 0 1 k g 混 凝 土气 泡掺 量 mL 图4 绝干密度 变化 曲线 1 k g 混 凝 4 -气 泡 掺 量 mL 图5 体积 变化 曲线 2 - 3 应力应 变曲线试验选用粉煤灰掺量为 3 0 ， 绝干密度分别为 3 0 0 k g m 3 、 4 0 0 k g m 、 5 0 0 k g m 的充 填体进行应力应变曲线试验， 实验结果见图 6 。该充 填体表现 出较好 的变形能力和廷性。随着绝干密度 的减小， 出现较大轴向应变时才能达到对应的应力峰 值 ， 应力峰值强度也越来越低 。该充填体在绝干密度 较大时 ( 5 0 0 k g r n )应力应变曲线峰值前上升阶段中 弹性变形特性极为明显 ， 如上升阶段中的 o a 段 ( 0点 为坐标系原 心) ， 而随着绝干密度的降低， 弹性变形特 性也逐渐减弱， 如绝干密度 4 0 0 k g m3 曲线 o a 2 段 ， 而 绝干密度 3 0 0 k g m 时弹性变形阶段基本不存在， 原 因在于绝干密度低的充填体有大量封闭汽泡， 随着压 力逐渐施加这些封闭汽泡易被压碎破坏 ， 难 以出现弹 性阶段， 绝于密度越低在弹塑性区域应变增量范围越 大。绝干密度越大， 则破坏特性越接近于脆性， 而越 低则越接近于弹塑陛， 后期残余变形阶段所表现出的 延性也就越好， 该种延展性也是充填采空区所更为需 要的。实际充填中则表现为采空区顶板逐渐移动下 沉压在充填体之上， 随着顶板下沉逐渐压力超出粉煤 灰泡沫混凝土的承受范围， 而这将会导致粉煤灰泡沫 混凝土中封闭气泡被压碎， 导致应变量增加， 而这一 过程不是脆性 的、 突然 的， 是随着 时间逐渐推移逐渐 发展 ， 有利于发现并及时采取处理措施 ， 如果是脆性 充填体很可能会导致突然下沉， 难以采取补救措施 。 一 38 2 5 2 盏 篆 0 5 0 0 0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 1 轴 向应变 图6应力应 变曲线 o b 为上升阶段、b ic 为下降阶段 ，c 为残余 变形阶段 ( =1 、2 、3 ，D 点为 坐标 系原心 ) 3 结论 1 根据采空区对充填体强度的要求， 一 味追求 高强度充填体是 不科 学也不经济 的。粉 煤掺量从 0 - 5 0 、 绝干密度 2 0 0 5 0 0 k g m3 时， 粉煤灰泡沫混凝 土充填体抗压强度在 0 4 - 2 8 MP a 变化， 抗剪强度在 0 0 5 - 0 3 5 MP a变化， 采 用不 同配 比所获得充填体 强 度能够满足一般采空区充填要求。 2 随着泡沫掺入量及粉煤灰掺入量的增加， 能够 得到同质量下普通混凝土体积 3 - 7 倍以上的充填体， 这说明在满足充填体强度要求条件下， 该充填体利用 率较高 ， 也大大节约了充填体材料运输成本。 3 通过粉煤灰泡沫混凝土充填体应力应变 曲线 试验可见， 该充填体具有较好 的变形能力和延性 ， 适 合采空区充填。 参考文献： 1 J F a h e y M， He l i n s ld M， F o u r i e A Co n s o l i d a t io n i n a c c r e t in g s e d i me n t s ： Gi b s o n S s o l u t i o n a p p l ie d t o b a c k fi l l i n g o f mi n e s t o p e s J Ge o t e c h n i q u e ， 2 0 1 0 ， 6 0 ( 1 1 ： 8 7 7 - 8 8 2 2 缪协兴， 张吉雄 ， 郭广礼 综合机械化充填采煤方法与技 术研究 J 1 l 煤炭 学报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 ( 1 ) ： 1 - 6 3 邹友峰 ， 邓喀 中， 马伟 民 矿 山开采沉 陷工程 M 徐 州： 中国矿业 大学出版社 2 0 0 3 ： 2 9 8 3 0 9 4 陈绍杰， 郭惟嘉 ， 周辉， 等 条带煤柱膏体 充填开采覆 岩结构模型及 运动规律 J l 煤炭学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 7 ) ： 1 0 8 1 1 0 8 6 5 】 P o tg ie t e r J H ， P o t g i e t e r S S Mi n i n g b a c k fi l l f o r mu l a ti o n s f r o m v a r i o u s c e me n t i t i o u s a n d w a s t e ma t e r i a l s J I n d i a n C o n c r e t e J o u rna l ， 2 0 0 3 ， 7 7 ( 5 1 ： 1 O 71 1 0 7 5 6 冯 国瑞 ， 任 亚峰 ， 张绪言， 等 塔 山矿充填开采的粉煤灰活性激发 实 验研 究 J 煤炭 学报 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 5 ) ： 7 3 2 7 3 7 7 张钦礼， 李谢平， 杨伟 基于B P网 络的某矿山充填料浆配比优化 J 1 中南大学学报 ： 自然科学版， 2 0 1 3 ， 4 4 ( 7 ) ： 2 8 6 7 2 8 7 4 8 】 徐俊 明， 张吉雄 ， 黄艳利 ， 等充填综采矸石 。 粉 煤灰压 实变形特性 试验研 究及应用 J 1 _ 采矿与安全工程学报 ， 2 0 1 l ， 2 8 0) ： 1 5 8 1 6 2 9 B r o wn E An a l y t i c a l a n d c o mp u t a t i o n a l me t h o d s in e n g i n e e ri n g r o c k me c h a n i c s M L o n d o n ： Al l e n and U n win 1 9 8 7 ： 1 2 9 一 l 3 3 1 0 李一帆， 张建明， 邓飞， 等 深部采空区尾砂胶结充填体强度特性 试验研究 J 岩土力学， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 6 ) ： 8 6 5 8 6 8 蠢