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        沖擊荷載作用下速凝劑對(duì)噴射混凝土破壞強(qiáng)度研究

        2019-05-07 03:28:36馬亞東潘長春
        煤礦安全 2019年4期
        關(guān)鍵詞:速凝劑靜壓齡期

        方 躍,馬亞東,潘長春,宗 琦

        (安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

        噴射混凝土支護(hù)技術(shù)在地下工程(如隧道、巷道等)中被廣泛采用。抗壓強(qiáng)度是噴射混凝土主要性能之一,速凝劑的摻入使混凝土凝結(jié)快、初期強(qiáng)度提高,能緊跟掘進(jìn)工作面,起到填充圍巖裂隙、節(jié)理等缺陷的同時(shí)隔絕圍巖風(fēng)化[1-2],提升支護(hù)強(qiáng)度,但速凝劑的摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度會(huì)有一定的影響。王興國等[3]對(duì)有無速凝劑對(duì)噴射混凝土的影響進(jìn)行了研究,得出作為一種外加劑,速凝劑能使混凝土凝結(jié)快并具有較高的早期強(qiáng)度,但會(huì)降低中后期強(qiáng)度;蘭明章等[4]對(duì)硫酸鋁速凝劑進(jìn)行了研究,得出了速凝劑質(zhì)量決定了噴射混凝土質(zhì)量的好壞;張建綱等[5]對(duì)液體速凝劑對(duì)噴混凝土耐久性的影響進(jìn)行了研究,得出低堿型液體速凝劑在降低混凝土的力學(xué)性能的同時(shí)降低了抗凍、抗?jié)B性能;郭文康等[6]對(duì)液態(tài)無(低)堿速凝劑的特性進(jìn)行了研究,得出其解決了傳統(tǒng)粉狀高堿速凝劑影響混凝土后期強(qiáng)度、高回彈、噴射混凝土施工質(zhì)量的諸多問題。研究者對(duì)摻入不同種類的速凝劑對(duì)噴射混凝土的物理力學(xué)性能影響研究較多,但對(duì)不同摻入量的速凝劑的噴射混凝土在不同齡期的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究較少。但在井巷爆破掘進(jìn)過程中經(jīng)常伴隨著爆破應(yīng)力波、空氣沖擊波和飛石撞擊[7],使噴射混凝土受動(dòng)態(tài)作用。

        目前,霍布金森壓桿普遍用于煤巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試[8-11],采用該裝置研究不同速凝劑摻入量在不同齡期時(shí)噴射混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線和動(dòng)態(tài)響應(yīng)[12],有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值,為井巷施工的安全提供有益的參考,如選擇最優(yōu)的速凝劑摻入量。

        1 SHPB裝置及試件制備

        74 mm大桿徑變截面霍普金森桿試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。采用的子彈直徑37 mm,長度600 mm,在末端設(shè)置阻尼器,吸收剩余能量。

        圖1 沖擊試驗(yàn)室SHPB裝置示意圖

        1.1 試驗(yàn)材料

        試件所用混凝土為基準(zhǔn)配合比,每立方米的水∶水泥∶砂子∶石子=0.57∶1∶2∶2。速凝劑的含量分別為占膠凝材料的0%、2%、4%、6%。噴射混凝土的各項(xiàng)配合指標(biāo)為:水灰比 0.57,膠骨比 1∶4。

        其中水泥為標(biāo)號(hào)P.O42.5的普通硅酸鹽水泥,砂是中粗河砂,其級(jí)配滿足Ⅱ級(jí)級(jí)配。石子為人工碎石,因沖擊壓縮所用的試件直徑只有74 mm,考慮到應(yīng)力的均勻性,實(shí)驗(yàn)所采用石子粒徑不宜過大,所以石子過5 mm和10 mm的篩子,速凝劑為8880-C型。

        1.2 試件制備及方案

        混凝土的強(qiáng)度在 1、3、7、14、28 d 5 個(gè)齡期測(cè)量。試驗(yàn)中,對(duì)速凝劑配比0%、2%、4%、6%的混凝土分別編號(hào) A、B、C、D,字母后面所帶的 1、3、7、14、28表示齡期,齡期之后代表試件在相同配比速凝劑同一齡期下試件的序號(hào),如A14-1。試驗(yàn)采用的試件為直徑74 mm、高37 mm的圓柱體。

        將4個(gè)配比的噴射混凝土試件分為4組,每組5個(gè)試塊,在每1個(gè)齡期到達(dá)時(shí),將每1個(gè)配比中,每組的其中1個(gè)試塊進(jìn)行沖擊,確定試塊所達(dá)到的氣壓值,再用該氣壓值對(duì)同一齡期下不同速凝劑摻入量的噴射混凝土進(jìn)行試驗(yàn)沖擊,沖擊前記錄相關(guān)的基本物理參數(shù)(直徑、高、質(zhì)量),沖擊后記錄沖擊的氣壓值,示波器的相關(guān)數(shù)據(jù),以及應(yīng)變儀相關(guān)設(shè)置參數(shù)。記錄的主要數(shù)據(jù)見表1。

        采用控制變量法,控制齡期相同,對(duì)不同配比速凝劑的噴射混凝土進(jìn)行沖擊試驗(yàn),同時(shí)觀察,試件的破壞形態(tài),再綜合2種結(jié)果,得出不同配比速凝劑對(duì)噴射混凝土動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響。

        表1 沖擊試件主要參數(shù)

        2 靜壓試驗(yàn)

        試驗(yàn)采用的試件是100 mm×100 mm×100 mm,將4個(gè)速凝劑配比的噴射混凝土試件分為4組,每組5個(gè)試塊,每個(gè)齡期到達(dá)時(shí),將每個(gè)配比中每組的1個(gè)試塊進(jìn)行靜壓試驗(yàn)。

        靜壓試驗(yàn)采用TYE-2000型壓力試驗(yàn)機(jī),最大載荷2 000 kN,準(zhǔn)確度等級(jí)為一級(jí),加荷速度5~30 kN/s,上下壓板的中間凈距370 mm。

        靜壓實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,每個(gè)速凝劑配比下噴射混凝土在不同齡期靜壓強(qiáng)度得到的抗壓強(qiáng)度見表2。

        表2 不同齡期立方體靜壓強(qiáng)度

        由表2做出的不同齡期下噴射混凝土靜壓強(qiáng)度與速凝劑添加量的關(guān)系如圖2。

        圖2 4種配比速凝劑下混凝土靜壓強(qiáng)度隨齡期增長變化

        速凝劑的噴射混凝土靜壓強(qiáng)度隨著齡期的增大,它們的強(qiáng)度都顯著增大[13];在7 d齡期時(shí),噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度超過了28 d齡期的70%,因此齡期7 d之前的混凝土強(qiáng)度增長較快,7 d以后增長較為緩慢[14]。在3 d齡期之前,加入速凝劑的混凝土強(qiáng)度較高,之后隨著齡期增加,之后速凝劑配比與噴射混凝土靜壓強(qiáng)度成反比,并且速凝劑添加越多,混凝土中后期強(qiáng)度的損失越多。為研究摻入速凝劑時(shí),噴射混凝土在中后期損失的程度,由表2做不同齡期下?lián)饺胨倌齽┑膰娚浠炷僚c基準(zhǔn)噴射混凝土強(qiáng)度的百分比(表3)。

        從表3中可知,1 d齡期時(shí)速凝劑添加量6%的噴射混凝土為基準(zhǔn)的102%,3 d之后發(fā)生變化,速凝劑添加量為6%的噴射混凝土為基準(zhǔn)的83%,28 d齡期時(shí)為基準(zhǔn)的75%,強(qiáng)度損失較多,這可能是由于速凝劑的摻加在早期促進(jìn)了水泥的水化提高了強(qiáng)度,但在中后期阻礙了水泥的正常水化降低了強(qiáng)度。

        表3 不同速凝劑摻量在不同齡期與基準(zhǔn)強(qiáng)度的比

        3 SHPB沖擊試驗(yàn)

        3.1 動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度強(qiáng)度

        為了與靜態(tài)峰值抗壓強(qiáng)度對(duì)比,做試件在不同齡期下單次沖擊強(qiáng)度,不同齡期沖擊強(qiáng)度見表4。

        表4 不同齡期沖擊強(qiáng)度

        由表4做出的不同齡期下噴射混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與速凝劑摻加量之間的關(guān)系如圖3。

        圖3 4種速凝劑配比下混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度隨齡期增長變化

        由圖3可知,沖擊荷載作用下的強(qiáng)度和靜態(tài)強(qiáng)度具有相似的性質(zhì);早期時(shí),6%速凝劑配比的峰值強(qiáng)度稍高,這滿足井巷爆破最長時(shí)間間隔12 h的要求,增加施工的安全程度。綜合靜態(tài)和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的結(jié)果,當(dāng)速凝劑配比為2%時(shí),噴射混凝土的總體性能較好。

        比較表2和表4可知在相同齡期時(shí)沖擊條件下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度是靜壓的1.1~1.4倍。

        3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

        不同速凝劑摻入量在不同齡期下單次沖擊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4。

        圖4 各齡期單次沖擊應(yīng)力應(yīng)變曲線

        從圖4可以看出,沖擊荷載作用下,1 d齡期時(shí),4種配比速凝劑的噴射混凝土曲線的峰值相當(dāng),峰值部分?jǐn)_動(dòng)較大;1 d齡期之后,速凝劑添加量與噴射混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力成反比,并且峰值部分?jǐn)_動(dòng)比之前較小。

        齡期14 d時(shí),噴射混凝土的沖擊強(qiáng)度A組最高。從A組和B組曲線可知,峰值應(yīng)力具有2段增長趨勢(shì),第1段是筆直上升,第2段雖有變緩的趨勢(shì),但是應(yīng)力值卻在快速上升,而C組與D組在第1段筆直上升之后,沒有第2段上升的趨勢(shì),直接到達(dá)沖擊動(dòng)力下的應(yīng)力峰值,主要因?yàn)镃組和D組加了4%、6%的速凝劑,導(dǎo)致混凝土在中后期損失強(qiáng)度的同時(shí),質(zhì)地提前達(dá)到硬脆型。

        齡期28 d時(shí),各組的應(yīng)力峰值強(qiáng)度依然呈上升趨勢(shì),不加速凝劑的噴射混凝土強(qiáng)度最高,加入不同配比速凝劑的強(qiáng)度有不同程度的損失。因?yàn)?8 d齡期的噴射混凝土都已經(jīng)表現(xiàn)出準(zhǔn)脆性材料的性質(zhì),其曲線只有1個(gè)上升段,達(dá)到峰值后試塊出現(xiàn)破壞,曲線下降。

        3.3 破碎形態(tài)

        為更加充分的說明沖擊荷載下動(dòng)力學(xué)強(qiáng)度的區(qū)別,觀察各齡期噴射混凝土的破壞形態(tài),試件破壞形態(tài)如圖5。

        圖5 試件破壞形態(tài)

        從圖5中可以看出,1 d齡期的噴射混凝土破壞形態(tài)主要是局部破壞,整體大塊存在,破碎部分較細(xì),塊體部分無裂紋;3 d齡期的噴射混凝土的破壞形態(tài)主要是表面存在細(xì)小裂痕,破碎后也是整體大塊為主,但相對(duì)于1 d齡期的,試件局部破壞部分的細(xì)裂痕較多;7 d齡期的噴射混凝土,破壞形態(tài)已經(jīng)開始有明顯的不同,整個(gè)試件表面會(huì)有交叉的大裂痕存在,并且裂痕從試件的中間位置向四周擴(kuò)散,裂痕基本將試塊分成3~4個(gè)大塊,但試件分而不碎;14 d的噴射混凝土,破壞形態(tài)主要是貫穿試件的大裂痕,由中心向四周散開,試件被分成5~6個(gè)小塊,此時(shí)的試件已經(jīng)分崩離析;28 d齡期的噴射混凝土雖然保持了整體的形狀,但貫穿裂紋布滿整個(gè)試件,破壞的試件接近粉碎。

        由于噴射混凝土本身在養(yǎng)護(hù)過程中由黏彈性向準(zhǔn)脆性的轉(zhuǎn)變使噴射混凝土在沖擊荷載作用下出現(xiàn)不同的破壞形態(tài)。7 d之前的噴射混凝土,試件質(zhì)地較軟,呈現(xiàn)出較強(qiáng)的黏彈性;7 d之后的噴射混凝土,整個(gè)試件開始顯現(xiàn)出脆性材料的性質(zhì);28 d的噴射混凝土,試件已經(jīng)接近準(zhǔn)脆性材料的性質(zhì)。

        4 結(jié)論

        1)靜壓條件下,4種配比的速凝劑在7 d齡期之前的噴射混凝土強(qiáng)度增長較快,7 d齡期以后增長較為緩慢。在3 d齡期之前,添加速凝劑的混凝土強(qiáng)度較高,之后隨著齡期增加,與之相反。

        2)沖擊荷載作用下,由應(yīng)力應(yīng)變曲線和破碎形態(tài)得到,齡期7 d之前的噴射混凝土,表現(xiàn)出來較強(qiáng)的黏彈性,7 d齡期之后的噴射混凝土,整個(gè)試件開始顯現(xiàn)出脆性材料的性質(zhì)。

        3)從應(yīng)力應(yīng)變曲線和動(dòng)靜態(tài)抗壓強(qiáng)度曲線可以得出,對(duì)于4個(gè)不同的配比,當(dāng)速凝劑配比為2%時(shí),噴射混凝土的總體性能最好,在井巷安全施工中對(duì)速凝劑添加量提供有益的參考。

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