曹 可，王 亮,2，徐 穎，沈文峰，王 浩，王鵬舉

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，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

井筒是礦井生產的咽喉，在地下長期經受到深部地壓、采礦擾動等復雜的力學作用[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的問世及新奧法施工技術的發(fā)展，井筒采用噴射混凝土、錨噴支護及錨噴網支護技術維護井筒圍巖的穩(wěn)定，具有技術先進、質量可靠、經濟合理等一系列優(yōu)點，被廣泛應用于豎井支護之中[3-4]。在以上技術中，水泥基砂漿是一種被廣泛應用的材料，而在地下復雜環(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)建筑材料生產和使用導致了資源過度消耗、能源短缺和環(huán)境污染等一系列嚴重問題，對于建筑廢棄物尤其是舊混凝土、舊砂漿的再生利用已經成為各個國家關注的熱點。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，將再生細骨料全部或者部分替代天然細骨料配制的砂漿稱為再生細骨料砂漿[7-9]。無論是噴射混凝土還是錨噴支護及錨噴網支護技術，對于砂漿都具有大量需求[10-11]，再生細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，根據結果分析其性能，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，細度模數2.56；淮南市自來水；聚羧酸高效液態(tài)減水劑；再生細骨料(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，試件經過破碎后，過4.75 mm圓孔篩，得到粒徑4.75 mm以下再生細骨料。

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

1.2 試樣制備

為減小慣性效應和摩擦效應的影響，試件的長徑比應該為0.5左右[13]，試件尺寸為?50 mm×25 mm。將再生細骨料分別替代0(對照組)、10%、30%、50%的天然砂，按照表2配合比制作砂漿試件，所對應砂漿試件編號分別為A、B、C、D。試件放置在標準養(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。

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

根據ASTM C109—16a《水硬性水泥砂漿抗壓強度標準試驗方法》[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。抗壓強度試塊6個試塊為1組，取平均值作為測試結果。

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3次沖擊試驗，試驗前調平撞擊桿、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。每次沖擊后，可得波形圖如圖1所示，結合式(1)—式(3)，可求得試塊的應力、應變、應變率為：

圖1 典型波形Fig.1 Typical waves of test

(1)

(2)

(3)

2 試驗結果與分析

2.1 靜態(tài)抗壓強度

圖2為不同再生細骨料替代率水泥砂漿靜態(tài)抗壓強度，由圖2知使用再生細骨料替代部分天然細骨料的水泥砂漿，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。出現上述結果一方面是因為試驗中所使用的再生細骨料性能比較優(yōu)異；另一方面是因為再生細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]，當替代率達到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 應力-應變曲線分析

根據式(1)—式(3)對入射桿和透射桿應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力σ和應變ε的關系曲線，如圖3所示。由圖3可知，砂漿試塊的應力應變曲線可分為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,在應力的作用下，試塊內部缺陷、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，軸向應力隨應變近似為線性增長，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，試件內缺陷幾乎沒有新的發(fā)展；隨著作用在試件上的應力持續(xù)增大，試件進入到屈服階段，此時曲線呈上凸特征，軸向應力隨應變的增長趨勢減緩，試件內裂紋逐漸擴展；應力達到峰值后，應力隨應變的增大快速下降，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了下凹段，是應力跌落現象，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，在出現短時間應力跌落之后，試塊的其他部分接觸到入射桿，應力開始回升。

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

圖3 動態(tài)應力-應變曲線Fig.3 Dynamical stress-strain curves

為進一步研究再生細骨料砂漿動態(tài)強度的應變率相關性及動態(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中的峰值應力及應變率等參數進行統(tǒng)計分析，見表3，其中極限韌性是應力應變曲線的包絡面積[20]。

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

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

圖4 再生細骨料砂漿與普通砂漿的DIF與應變率關系Fig.4 Relationship between DIF and strain rate for recycled fine aggregate mortar and normal mortar

圖5 再生細骨料砂漿與普通砂漿極限韌性與應變率關系Fig.5 Relationship between ultimate toughness and strain rate for recycled fine aggregate mortar and normal mortar

由圖4可知，在高應變率動力沖擊下，50%替代率再生細骨料砂漿的DIF隨應變率增加而非線性增大，且增速逐漸變快。在同等應變率下，50%替代率再生細骨料砂漿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，可應用于防護結構。應用指數冪型關系式擬合50%替代率再生細骨料砂漿DIF與應變率關系，式(4)預測曲線與試驗結果具有較好的一致性。

(4)

由圖5可知，50%替代率再生細骨料砂漿與普通砂漿的極限韌性都隨著應變率增加而增大，但50%替代率再生細骨料砂漿其極限韌性增速遠大于普通砂漿，這說明在高應變率情況下，50%替代率再生細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 論

1)在再生細骨料替代率為10%時，靜態(tài)抗壓強度達到最高。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。

2)在應變率60.29 s-1到143.379 s-1內，50%替代率再生細骨料砂漿的動態(tài)峰值應力、動態(tài)極限應變與應變率均呈正相關關系，其動態(tài)強度增長因子

3)再生細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，再生細骨料替代率為50%的再生細骨料砂漿比一般水泥砂漿更能適應地下復雜環(huán)境。