曹 可，王 亮,2，徐 穎，沈文峰，王 浩，王鵬舉

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮北礦業(yè)股份有限公司，安徽 淮北 235000)

0 引 言

井筒是礦井生產(chǎn)的咽喉，在地下長期經(jīng)受到深部地壓、采礦擾動等復(fù)雜的力學(xué)作用[1]，為保證施工安全,必須及時進行支護[2]。隨著錨桿噴射混凝土技術(shù)的問世及新奧法施工技術(shù)的發(fā)展，井筒采用噴射混凝土、錨噴支護及錨噴網(wǎng)支護技術(shù)維護井筒圍巖的穩(wěn)定，具有技術(shù)先進、質(zhì)量可靠、經(jīng)濟合理等一系列優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于豎井支護之中[3-4]。在以上技術(shù)中，水泥基砂漿是一種被廣泛應(yīng)用的材料，而在地下復(fù)雜環(huán)境中，材料的強度及抵抗沖擊的能力等性能，就顯得尤為重要[5-6]。目前，傳統(tǒng)建筑材料生產(chǎn)和使用導(dǎo)致了資源過度消耗、能源短缺和環(huán)境污染等一系列嚴(yán)重問題，對于建筑廢棄物尤其是舊混凝土、舊砂漿的再生利用已經(jīng)成為各個國家關(guān)注的熱點。將廢棄混凝土破碎、篩分，形成的以滿足不同使用要求的骨料就是再生骨料，其中粒徑尺寸為0.08～4.75 mm的再生骨料稱為再生細(xì)骨料(又稱再生砂)，主要組分包括建筑材料破碎后形成的表面附著水泥漿的砂粒、表面無水泥漿的砂粒、水泥石顆粒及少量破碎石塊，將再生細(xì)骨料全部或者部分替代天然細(xì)骨料配制的砂漿稱為再生細(xì)骨料砂漿[7-9]。無論是噴射混凝土還是錨噴支護及錨噴網(wǎng)支護技術(shù)，對于砂漿都具有大量需求[10-11]，再生細(xì)骨料砂漿替代普通水泥砂漿，節(jié)省資金、減小污染、保護環(huán)境、節(jié)約資源，且再生細(xì)骨料砂漿具有更高的孔隙率[12]，能夠在沖擊荷載作用下吸收更多能量，從而在工程實際中發(fā)揮更好的作用。

基于此，對不同替代率的再生細(xì)骨料砂漿進行靜態(tài)抗壓強度測試以及3種不同氣壓下沖擊加載試驗，根據(jù)結(jié)果分析其性能，對研究建筑廢料合理利用以及在地下有沖擊擾動的注漿工程中，如何合理選擇材料具有借鑒意義和參考價值。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗材料為海螺牌P·O 42.5硅酸鹽水泥；淮河河砂，細(xì)度模數(shù)2.56；淮南市自來水；聚羧酸高效液態(tài)減水劑；再生細(xì)骨料(來自實驗室相同配合比的廢棄砂漿試件)具體配合比見表1，試件經(jīng)過破碎后，過4.75 mm圓孔篩，得到粒徑4.75 mm以下再生細(xì)骨料。

表1 普通砂漿配合比Table 1 Mixing ratio of normal mortar

1.2 試樣制備

為減小慣性效應(yīng)和摩擦效應(yīng)的影響，試件的長徑比應(yīng)該為0.5左右[13]，試件尺寸為?50 mm×25 mm。將再生細(xì)骨料分別替代0(對照組)、10%、30%、50%的天然砂，按照表2配合比制作砂漿試件，所對應(yīng)砂漿試件編號分別為A、B、C、D。試件放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d后取出，使用打磨機將試件兩面打磨平整，端面平整度在0.05 mm以內(nèi)。

表2 再生細(xì)骨料砂漿配合比Table 2 Mixing ratio of recycled fine aggregate mortar

根據(jù)ASTM C109—16a《水硬性水泥砂漿抗壓強度標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》[14]，為測試砂漿的抗壓強度，制備50 mm×50 mm×50 mm立方體試塊，在溫度為(23±1)℃，相對濕度≥ 95%條件下養(yǎng)護至7、14、28 d?？箟簭姸仍噳K6個試塊為1組，取平均值作為測試結(jié)果。

1.3 SHPB試驗裝置與試驗方法

使用?50 mm變截面SHPB試驗系統(tǒng)對試塊進行單軸沖擊壓縮試驗，撞擊桿、入射桿和透射桿是長度分別為0.6、2.4、1.2 m的合金鋼，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，縱波波速為5 190 m/s。采用0.25、0.35、0.45 MPa三種不同氣壓發(fā)射，每組試塊在同一氣壓下重復(fù)3次沖擊試驗，試驗前調(diào)平撞擊桿、入射桿、透射桿與試件共軸，在試件兩端涂抹少量凡士林以減小桿件與試件的摩擦，在入射桿端頭貼整形器以減小波形震蕩和彌散效應(yīng)。每次沖擊后，可得波形圖如圖1所示，結(jié)合式(1)—式(3)，可求得試塊的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率為：

圖1 典型波形Fig.1 Typical waves of test

(1)

(2)

(3)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 靜態(tài)抗壓強度

圖2為不同再生細(xì)骨料替代率水泥砂漿靜態(tài)抗壓強度，由圖2知使用再生細(xì)骨料替代部分天然細(xì)骨料的水泥砂漿，在7、14、28 d時，隨著替代率由低到高，其靜態(tài)抗壓強度都大于或等于一般對照組的靜態(tài)抗壓強度。其中，再生細(xì)骨料替代率為10%時，水泥砂漿的靜態(tài)抗壓強度最高，替代率為30%及50%時，靜態(tài)抗壓強度略有下降，但依然能與一般對照組持平。出現(xiàn)上述結(jié)果一方面是因為試驗中所使用的再生細(xì)骨料性能比較優(yōu)異；另一方面是因為再生細(xì)骨料含有殘余水泥漿，其孔隙率較高，造成用拌合物制作的再生水泥砂漿具有較強吸水性，實際水泥水化用水減少，通過微降低實際水灰比提高強度，且水分被吸入裂縫和空隙中，形成局部加濕的養(yǎng)護環(huán)境有利于水泥砂漿養(yǎng)護和性能提升[16]，當(dāng)替代率達(dá)到30%和50%時，由于砂漿密實程度降低，靜態(tài)抗壓強度有所下降。

圖2 不同再生細(xì)骨料替代率水泥砂漿靜態(tài)抗壓強度Fig.2 Static compressive strength of cement mortar with different recycled fine aggregate substitution rate

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

根據(jù)式(1)—式(3)對入射桿和透射桿應(yīng)變片測得的脈沖波形信號(圖1)進行計算，得到砂漿試塊在沖擊荷載下的應(yīng)力σ和應(yīng)變ε的關(guān)系曲線，如圖3所示。由圖3可知，砂漿試塊的應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為4個階段：壓密階段、彈性階段和屈服階段、破壞階段。在壓密階段，入射桿與試件接觸面逐漸壓實,在應(yīng)力的作用下，試塊內(nèi)部缺陷、空隙逐漸壓密,試塊的抗變形能力不斷增加[17]，在此階段,曲線呈下凹特征；在彈性階段，軸向應(yīng)力隨應(yīng)變近似為線性增長，曲線斜率基本保持不變，因此該段斜率可作為試塊的動態(tài)彈性模量，試件內(nèi)缺陷幾乎沒有新的發(fā)展；隨著作用在試件上的應(yīng)力持續(xù)增大，試件進入到屈服階段，此時曲線呈上凸特征，軸向應(yīng)力隨應(yīng)變的增長趨勢減緩，試件內(nèi)裂紋逐漸擴展；應(yīng)力達(dá)到峰值后，應(yīng)力隨應(yīng)變的增大快速下降，試件進入破壞階段，受載超過試塊強度極限，隨之破壞。其中，部分曲線在初始階段中出現(xiàn)了下凹段，是應(yīng)力跌落現(xiàn)象，這是因為試塊表面的不平整部分先接觸到入射桿，承受沖擊荷載后隨即破裂，在出現(xiàn)短時間應(yīng)力跌落之后，試塊的其他部分接觸到入射桿，應(yīng)力開始回升。

由圖3a、3b、3c可知，無論沖擊氣壓如何變化，再生細(xì)骨料替代率為50%的水泥砂漿試塊的峰值應(yīng)力總是最大；由圖3d、3e、3f可知，隨著沖擊氣壓的不斷增大，砂漿試塊的峰值應(yīng)力與極限應(yīng)變都隨之增大，成正相關(guān)關(guān)系。這是由于水泥砂漿細(xì)觀上可視作由細(xì)骨料、砂漿基質(zhì)及過渡區(qū)界面、微裂紋或孔隙等組成的多相非均質(zhì)復(fù)合材料。靜態(tài)下，加載時間可滿足砂漿內(nèi)應(yīng)力平衡和微裂紋的開展速度要求[18]，且骨料、砂漿基質(zhì)及其過渡區(qū)受力均勻[19]，而微裂紋沿強度薄弱路徑開展。高應(yīng)變率沖擊下，再生細(xì)骨料砂漿產(chǎn)生的裂紋數(shù)量大量增加，所吸收的能量增多，而裂紋擴展滯后于加載速度。根據(jù)沖量定理或功能原理，滯后的變形導(dǎo)致應(yīng)力的增加，最終導(dǎo)致再生細(xì)骨料砂漿動態(tài)抗壓強度的提升。再生細(xì)骨料特有的孔隙結(jié)構(gòu)形成了骨料與砂漿基質(zhì)間致密的界面過渡區(qū)，且再生細(xì)骨料本身具有優(yōu)良的消波吸能效能，使得再生細(xì)骨料砂漿在沖擊動載作用下體現(xiàn)較好的變形協(xié)調(diào)性，避免了界面過渡區(qū)、微裂隙、微孔洞等局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，使得再生細(xì)骨料砂漿抗沖擊性能高于一般水泥砂漿，且在再生細(xì)骨料替代率為50%時達(dá)到最優(yōu)效果。

圖3 動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Dynamical stress-strain curves

為進一步研究再生細(xì)骨料砂漿動態(tài)強度的應(yīng)變率相關(guān)性及動態(tài)強度增長因子DIF(沖擊荷載作用下動態(tài)抗壓強度與靜態(tài)單軸抗壓強度之比)，對圖3中的峰值應(yīng)力及應(yīng)變率等參數(shù)進行統(tǒng)計分析，見表3，其中極限韌性是應(yīng)力應(yīng)變曲線的包絡(luò)面積[20]。

表3 各組砂漿的性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of each mortar group

由表3可知，相同再生細(xì)骨料替代率水泥砂漿的動態(tài)峰值應(yīng)力、動態(tài)極限應(yīng)變及動態(tài)強度增長因子均隨應(yīng)變率的增大而增大。動態(tài)峰值應(yīng)力、極限應(yīng)變具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性。在應(yīng)變率達(dá)到168.723 s-1時，應(yīng)變率對與一般水泥砂漿的動態(tài)峰值應(yīng)力影響較小，僅達(dá)到0.96，而50%替代率再生細(xì)骨料砂漿在低應(yīng)變率狀態(tài)下，仍然比其他組別具有更高的DIF，在應(yīng)變率60.29～143.379 s-1內(nèi)，DIF由0.67增長至1.20，增幅高達(dá)79.1%，再次說明50%替代率再生細(xì)骨料砂漿具有優(yōu)異的抵抗沖擊動力的性能。為進一步研究50%替代率再生細(xì)骨料砂漿的DIF及極限韌性隨應(yīng)變率的變化趨勢，分別繪制DIF、極限韌性(M)與應(yīng)變率關(guān)系圖，如圖4、圖5所示。

圖4 再生細(xì)骨料砂漿與普通砂漿的DIF與應(yīng)變率關(guān)系Fig.4 Relationship between DIF and strain rate for recycled fine aggregate mortar and normal mortar

圖5 再生細(xì)骨料砂漿與普通砂漿極限韌性與應(yīng)變率關(guān)系Fig.5 Relationship between ultimate toughness and strain rate for recycled fine aggregate mortar and normal mortar

由圖4可知，在高應(yīng)變率動力沖擊下，50%替代率再生細(xì)骨料砂漿的DIF隨應(yīng)變率增加而非線性增大，且增速逐漸變快。在同等應(yīng)變率下，50%替代率再生細(xì)骨料砂漿DIF高于一般水泥砂漿，且靜態(tài)抗壓強度略高于一般水泥砂漿，綜合而言，抵抗動態(tài)沖擊能力較強，可應(yīng)用于防護結(jié)構(gòu)。應(yīng)用指數(shù)冪型關(guān)系式擬合50%替代率再生細(xì)骨料砂漿DIF與應(yīng)變率關(guān)系，式(4)預(yù)測曲線與試驗結(jié)果具有較好的一致性。

(4)

由圖5可知，50%替代率再生細(xì)骨料砂漿與普通砂漿的極限韌性都隨著應(yīng)變率增加而增大，但50%替代率再生細(xì)骨料砂漿其極限韌性增速遠(yuǎn)大于普通砂漿，這說明在高應(yīng)變率情況下，50%替代率再生細(xì)骨料砂漿能夠比普通砂漿吸收更多的沖擊能量，起到更好的保護作用。

3 結(jié) 論

1)在再生細(xì)骨料替代率為10%時，靜態(tài)抗壓強度達(dá)到最高。隨著替代率增加到50%，靜態(tài)抗壓強度有所下降，但仍可與一般水泥砂漿相當(dāng)。

2)在應(yīng)變率60.29 s-1到143.379 s-1內(nèi)，50%替代率再生細(xì)骨料砂漿的動態(tài)峰值應(yīng)力、動態(tài)極限應(yīng)變與應(yīng)變率均呈正相關(guān)關(guān)系，其動態(tài)強度增長因子

3)再生細(xì)骨料具有孔隙率高的特點，使再生砂漿具有較好的抵抗沖擊動力的性能。50%替代率再生細(xì)骨料砂漿吸收沖擊能量的性能優(yōu)于其他組別；綜合靜態(tài)抗壓性能與動態(tài)抗沖擊性能，再生細(xì)骨料替代率為50%的再生細(xì)骨料砂漿比一般水泥砂漿更能適應(yīng)地下復(fù)雜環(huán)境。