榮傳新，錢立德，王 彬，程 樺，宋海清，李冠豪，李 琳

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

“濕式石灰石-石膏法脫硫”是目前應(yīng)用最為廣泛的煙氣脫硫工藝[1]，隨著該項技術(shù)的推廣使用，全世界范圍內(nèi)的SO2的排放量已經(jīng)成功得到了控制，與此同時作為該項工藝的副產(chǎn)品-脫硫石膏的排放量卻大幅增加，與粉煤灰一樣，煙氣脫硫石膏已成為第二大固體廢棄物，其堆儲和外運的壓力逐漸成為困擾社會發(fā)展的一大難題[2-3]。如何提高煙氣脫硫石膏的綜合利用率，減少煙氣脫硫石膏這種工業(yè)副產(chǎn)物大量堆放帶來的占地和二次污染的難題，已經(jīng)成為當(dāng)前社會普遍關(guān)心的議題。

近些年，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，作為第一大固體廢棄物的粉煤灰在建材制品、高分子制品、廢水以及廢氣處理等方面都得到了成功的運用[4-6]，粉煤灰混凝土更是已經(jīng)成為土木工程中一種不可或缺的高性能材料[7]，粉煤灰已經(jīng)逐漸從一種固體廢棄物轉(zhuǎn)換成一種具有較高利用價值的資源，這為解決脫硫石膏大量堆棄的問題提供了重要啟示?；诖?，近些年國內(nèi)學(xué)者對脫硫石膏的材料屬性進(jìn)行了探究[8-11]，并對脫硫石膏在環(huán)境治理以及建筑材料中的運用進(jìn)行了可行性研究[12-15]，研究成果表明，改性后的脫硫石膏與水泥具有比較接近的材料屬性，可以替代水泥作為混凝土的膠凝材料[16-17]，因此，在上述已有研究成果的基礎(chǔ)上，本文擬將改性后的脫硫石膏替代水泥作為膠凝材料應(yīng)用到巷道噴層支護中，并對這種改性脫硫石膏基噴射混凝土噴層的支護效果進(jìn)行了研究。

1 材料特性

為了研究改性脫硫石膏基混凝土的材料屬性與水泥基混凝土屬性的差異，分別對以兩種材料為膠凝材料的混凝土進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析改性脫硫石膏(以下簡稱“石膏”)替代水泥作為膠凝材料的可行性。

對兩種混凝土材料進(jìn)行配比設(shè)計時，水泥基噴射混凝土采用井下噴漿料常規(guī)的配合比為：水泥∶瓜子片∶砂∶水=1∶2.1∶1.9∶0.46(加3%速凝劑)，由于石膏和水泥的需水量不同，石膏噴射混凝土的用水量是通過坍落度和擴展度這兩個指標(biāo)與水泥基噴射混凝土基本保持一致為前提進(jìn)行確定的，最終確定脫硫石膏基噴射混凝土的配合比為：改性脫硫石膏母料：瓜子片∶砂∶水=1∶2.1∶1.9∶0.33。

兩種混凝土養(yǎng)護28d后的力學(xué)性能參數(shù)實驗結(jié)果如表1所示。

表1 兩種混凝土的材料屬性對比

注：試驗所用水泥為淮南礦區(qū)井下噴漿常用的八公山牌P·O32.5水泥；抗拉強度、抗壓強度、抗折強度以及抗剪強度都是28d期齡的混凝土的實驗結(jié)果。

通過對比可以發(fā)現(xiàn)，脫硫石膏基混凝土的力學(xué)性能與普通水泥基混凝土基本一致，滿足噴層支護材料的力學(xué)性能要求。

2 現(xiàn)場支護效果監(jiān)測與分析

在現(xiàn)場進(jìn)行工業(yè)性試驗時，對普通混凝土噴層和改性脫硫石膏基噴層的受力及變形進(jìn)行監(jiān)測，通過對監(jiān)測結(jié)果的分析來對改性脫硫石膏基噴射混凝土的支護效果進(jìn)行評價。

2.1 現(xiàn)場工業(yè)性試驗及監(jiān)測測站布置

現(xiàn)場工業(yè)性試驗在淮滬煤電丁集煤礦東二11-2軌道大巷上部車場1341(1)高抽巷聯(lián)巷進(jìn)行，如圖1所示，巷道所屬巖層的巖性為中砂巖，巷道斷面尺寸如圖2所示。共布置3個測站，1#、2#測站位于改性脫硫石膏噴射段，3#測站位于普通混凝土噴射段。

現(xiàn)場每個監(jiān)測斷面噴層處測點的傳感元件布設(shè)如圖2所示。每個測試斷面在拱頂、兩肩和兩幫共布置5個測點，共計埋設(shè)鋼筋計8個，混凝土應(yīng)變計8個。

圖1 丁集煤礦試驗巷道測站位置示意圖

在實際噴射過程中能夠觀察到在不添加速凝劑的前提下，改性脫硫石膏基噴射混凝土具有硬化時間快、無流淌、粘著力強、回彈料少等特點。

2.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

將三個監(jiān)測站對應(yīng)的改性脫硫石膏基混凝土噴層支護結(jié)構(gòu)以及水泥基混凝土噴層支護結(jié)構(gòu)的環(huán)向以及軸向的鋼筋計和混凝土應(yīng)變計的監(jiān)測結(jié)果繪制成曲線圖，通過鋼筋的應(yīng)力以及混凝土的應(yīng)變隨時間的變化規(guī)律來判斷兩種支護結(jié)構(gòu)的支護效果(其中受拉為正，受壓為負(fù))。

1)巷道環(huán)向鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變

三個監(jiān)測站處噴層支護結(jié)構(gòu)環(huán)向鋼筋應(yīng)力測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 噴層結(jié)構(gòu)受力監(jiān)測傳感元件布置圖

(a)1#測站環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨時間變化規(guī)律 (b)2#測站環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨時間變化規(guī)律

(c)3#測站環(huán)向鋼筋應(yīng)力隨時間變化規(guī)律 (d)各測站環(huán)向鋼筋應(yīng)力在不同位置的分布規(guī)律(75d)圖3 各測站環(huán)向鋼筋應(yīng)力分布圖

由圖3可見，巷道頂部的環(huán)向鋼筋處于受拉狀態(tài)，其余測點的鋼筋處于受壓狀態(tài)。截止到監(jiān)測結(jié)束時刻，兩個石膏噴層監(jiān)測面處的環(huán)向鋼筋最大壓應(yīng)力分別為-160.1MPa、-58.5MPa，水泥噴層監(jiān)測面的環(huán)向鋼筋最大壓應(yīng)力為-57.6MPa，均小于鋼筋的屈服強度；兩個石膏噴層監(jiān)測面處的環(huán)向鋼筋最大拉應(yīng)力分別為13.6MPa、7.7MPa，水泥噴層監(jiān)測面鋼筋最大拉應(yīng)力為33.5MPa，均小于鋼筋的屈服強度。

3個測站對應(yīng)的2種混凝土噴層支護結(jié)構(gòu)的混凝土環(huán)向應(yīng)變測試結(jié)果如圖4所示。

(a)1#測站混凝土環(huán)向應(yīng)變隨時間變化規(guī)律 (b)2#測站混凝土環(huán)向應(yīng)變隨時間變化規(guī)律

(c)3#測站混凝土環(huán)向應(yīng)變隨時間變化規(guī)律 (d) 各測站混凝土環(huán)向應(yīng)變不同位置的分布規(guī)律(75d)圖4 各測站對應(yīng)測點混凝土環(huán)向應(yīng)變隨時間變化曲線圖

由圖4可見，1#測站的石膏混凝土噴層右肩部的環(huán)向應(yīng)變隨著支護時間的增加而不斷增大，其余測點應(yīng)變隨時間的變化幅度較?。?#測站石膏混凝土噴層的左肩部應(yīng)變隨著支護時間的增加而不斷增大，其余測點混凝土環(huán)向應(yīng)變基本保持不變，這主要是由于石膏混凝土在后期的膨脹變形較小所致；3#測站水泥混凝土在巷道頂部的環(huán)向壓應(yīng)變在支護初期呈近似線性增長，這主要是由于混凝土收縮變形所致。在監(jiān)測后期，三個測站的混凝土環(huán)向應(yīng)變已基本趨于穩(wěn)定。

在監(jiān)測過程中，1#、2#測站石膏混凝土的環(huán)向壓應(yīng)變最大值為-808.6με、-355.2με，3#測站水泥混凝土的環(huán)向壓應(yīng)變最大值為-101.8με；1#、2#測站石膏混凝土的環(huán)向拉應(yīng)變最大值為57.3με、40.3με，3#測站混凝土環(huán)向拉應(yīng)變最大值為143.6με。

在監(jiān)測的第75d，噴層支護結(jié)構(gòu)的混凝土環(huán)向應(yīng)變在不同位置的分布規(guī)律如圖4(d)所示，除拱頂位置以外，支護結(jié)構(gòu)整體處于受壓狀態(tài)，通過對比，水泥混凝土噴層在拱頂位置的拉應(yīng)變較大，而石膏混凝土噴層的拱肩位置的壓應(yīng)變較大。

2)巷道軸向鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變

各監(jiān)測站軸向鋼筋應(yīng)力以及應(yīng)變的測試結(jié)果如圖5～圖6所示。

(a)1#測站軸向鋼筋應(yīng)力隨時間變化規(guī)律

(b)2#測站軸向鋼筋應(yīng)力隨時間變化規(guī)律

(c)3#測站軸向鋼筋應(yīng)力隨時間變化規(guī)律圖5 各監(jiān)測測站軸向鋼筋應(yīng)力分布

由測試結(jié)果可知，1#測站的鋼筋軸向應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，拱頂位置以及拱肩位置的鋼筋軸向應(yīng)力在經(jīng)歷了支護初期的快速增長階段之后，逐漸進(jìn)入相對穩(wěn)定狀態(tài)，拱肩位置的應(yīng)力持續(xù)增長至支護后的60d，最大拉應(yīng)力達(dá)到38.6MPa，而拱頂位置的應(yīng)力增長階段僅持續(xù)了10d，最大拉應(yīng)力達(dá)到13.1MPa；2#測站的鋼筋軸向應(yīng)力在監(jiān)測前期一直處于波動狀態(tài)，但波動幅度較小，拱頂位置的最大應(yīng)力達(dá)到-4.3MPa，拱肩位置的最大應(yīng)力達(dá)到7.2MPa，在監(jiān)測時段后期，應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)；3#測站的鋼筋軸向應(yīng)力由于受水泥水化熱釋放的影響，在監(jiān)測初期應(yīng)力快速增長，隨著水泥水化熱釋放結(jié)束，拱頂以及拱肩位置的鋼筋軸向應(yīng)力逐漸減小，并進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，在監(jiān)測時段內(nèi)，噴層支護結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在拱頂位置，應(yīng)力值達(dá)到26.5MPa，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在拱肩位置，應(yīng)力值達(dá)到-33.4MPa。整個監(jiān)測時段中，3個監(jiān)測站的鋼筋軸向應(yīng)力均小于鋼筋的屈服強度。

(a)1#測站軸向混凝土應(yīng)變隨時間變化規(guī)律

(b)2#測站軸向混凝土應(yīng)變隨時間變化規(guī)律

(c)3#測站軸向混凝土應(yīng)變隨時間變化規(guī)律圖6 各監(jiān)測面軸向混凝土應(yīng)變分布

由圖6可知，1#測站各測點軸向混凝土應(yīng)變表現(xiàn)為拉應(yīng)變，兩側(cè)拱肩位置的應(yīng)變隨著支護時間的增加而不斷增大，拱頂位置的應(yīng)變表現(xiàn)較為穩(wěn)定，拱肩位置以及拱頂位置應(yīng)變最大值分別達(dá)到230.4με以及30.3με；2#測站各測點軸向混凝土應(yīng)變主要表現(xiàn)為壓應(yīng)變，在監(jiān)測時間段內(nèi)，應(yīng)變一直處于上下波動狀態(tài)，但波動范圍較小，拱肩位置應(yīng)變最大值達(dá)到-37.5με以及10.3με；3#測站巷道頂部的混凝土應(yīng)變表現(xiàn)為拉應(yīng)變，兩側(cè)拱肩位置為壓應(yīng)變，各測點在支護前期應(yīng)變快速增大，隨后進(jìn)入相對穩(wěn)定的狀態(tài)，拱頂位置應(yīng)變的最大值達(dá)到193.5με，拱肩位置的應(yīng)變最大值達(dá)到105.2με。

3 結(jié)論

(1)改性脫硫石膏基混凝土噴層支護結(jié)構(gòu)與水泥基混凝土噴層支護結(jié)構(gòu)一樣都具有較好的承載能力，可以達(dá)到巷道噴層支護的承載力標(biāo)準(zhǔn)。

(2)兩個監(jiān)測站處石膏混凝土的環(huán)向拉應(yīng)變最大值分別為57.3με、40.3με，而水泥混凝土的環(huán)向拉應(yīng)變最大值為143.6με，表明改性脫硫石膏基噴射混凝土具有較好的抗變形能力。

(3)現(xiàn)場支護效果顯示，與水泥基噴射混凝土相比，石膏基混凝土具有硬化時間快、無流淌、粘著力強、回彈料少等特點，且石膏混凝土沒有明顯的水化熱釋放過程，在整個支護過程中，性質(zhì)比較穩(wěn)定，是一種優(yōu)良的噴射支護材料。