陳維新, 張國(guó)華, 畢業(yè)武, 金珠鵬, 李 濤,4, 侯憲港
(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學(xué), 哈爾濱 150022; 3.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 4.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院, 北京 100083)
目前我國(guó)充填開(kāi)采主要采用矸石、膏體、高水、超高水、高濃度膠結(jié)料等充填材料,而充填原材料成本過(guò)高、來(lái)源不足是制約充填開(kāi)采大面積推廣的關(guān)鍵因素[1-5]。
隨著城建進(jìn)程的加快,我國(guó)建筑垃圾量已占城市垃圾總量的30%~40%[6-7],2012年以來(lái),我國(guó)新增建筑垃圾量均在10 億t/a以上,新增量巨大,但其利用率偏低,不超過(guò)10%[8-9]。尤其是礦區(qū)電廠產(chǎn)出的粉煤灰,因市場(chǎng)需求量少而被排出廢棄[10]。
近年來(lái),學(xué)者們對(duì)廢棄粉煤灰及建筑垃圾再生骨料用于充填材料進(jìn)行了相關(guān)研究。劉音等[11]以建筑垃圾為骨料、粗粉煤灰基為膠結(jié)材料,采用正交實(shí)驗(yàn)分析了各因素對(duì)充填膏體性能指標(biāo)的影響,確定了建筑垃圾膏體充填材料最佳配比。張保良等[12]模擬了膏體充填材料的配比實(shí)驗(yàn)和管道輸送實(shí)驗(yàn),分析了建筑垃圾-粉煤灰膏體充填材料的基本性能和流變特性。姜明陽(yáng)等[13]采用正交實(shí)驗(yàn)確定了以建筑垃圾、天然砂、水泥和粉煤灰為組成材料的膏體充填材料最優(yōu)配合比。仇文超等[14]分析了不同基料粒徑對(duì)建筑垃圾基漿體膨脹充填材料強(qiáng)度的影響。李浩等[15]采用正交實(shí)驗(yàn)確定了建筑垃圾充填材料的最優(yōu)配比,分析了建筑垃圾骨料-粗粉煤灰基膠結(jié)料充填體的力學(xué)性能。
雖然目前對(duì)建筑垃圾-粉煤灰膠結(jié)充填材料有了大量研究,但是針對(duì)某一具體種類(lèi)的建筑垃圾作為充填材料骨料的研究還鮮有報(bào)道。因此,筆者嘗試將磚混類(lèi)建筑垃圾作為再生骨料,廢棄粉煤灰作為主要細(xì)集料,制備高濃度膠結(jié)充填材料,擬通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)建立回歸模型優(yōu)化充填材料配合比,分析充填材料工業(yè)配比的力學(xué)特性,得到相應(yīng)結(jié)論。
對(duì)現(xiàn)場(chǎng)建筑垃圾進(jìn)行分揀、3級(jí)破碎后得到再生骨料,主要由混凝土、磚塊、砂漿、瓷磚等組成,吸水率為10.1%,將其篩分為0~0.075、0.075~2.5、2.5~5、5~10、10~16 mm這5個(gè)粒度區(qū)間,如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)JGJ52—2006《普通混凝土用砂石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定,粒徑<0.075 mm的顆粒稱(chēng)為“泥”[16]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn),該再生骨料中小于0.075 mm的粒徑,即“泥”占再生骨料質(zhì)量的8%。
圖1 再生骨料加工過(guò)程Fig. 1 Processing process of recycled aggregate
Talbol級(jí)配理論認(rèn)為,樣本中粒徑小于或等于d的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分率滿足以下方程,即
P=100(d/dmax)n,
式中:P——粒徑小于d的再生骨料質(zhì)量占試樣總質(zhì)量的百分比,%;
d——再生骨料粒徑,mm;
dmax——再生骨料的最大粒徑,mm;
n——Talbol級(jí)配指數(shù)。
對(duì)再生骨料的粒級(jí)分布η1按照Talbol表達(dá)式進(jìn)行擬合,如圖2所示。擬合曲線的復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為0.98。該再生骨料的Talbol級(jí)配指數(shù)n=0.67。當(dāng)n=0.30~0.60時(shí),骨料堆積密度較佳,級(jí)配更加合理[17]。因此,該再生骨料級(jí)配大粒徑較多,不在合理范圍內(nèi)。
圖2 再生骨料粒徑分布曲線 Fig. 2 Particle size distribution curves of reclaimed aggregate
圖3為雞西矸石電廠濕排廢棄粉煤灰,平均含水率為4.2%。烘干后,利用激光粒度儀測(cè)其粒徑分布,如圖4所示。其中,η2為粉煤灰粒級(jí)負(fù)累計(jì)分布。該粉煤灰中間粒徑占比過(guò)多,無(wú)法擬合為T(mén)albol連續(xù)級(jí)配方程。計(jì)算粉煤灰的不均勻系數(shù)Cu=d60/d10=1.25,遠(yuǎn)小于5,說(shuō)明其級(jí)配不良。
圖3 現(xiàn)場(chǎng)廢棄粉煤灰Fig. 3 Appearance of construction waste
圖4 粉煤灰粒徑分布曲線Fig. 4 Particle size distribution curve of fly ash
使用的水泥為鹿鼎集團(tuán)哈爾濱水泥有限公司生產(chǎn)的虎鼎牌32.5號(hào)復(fù)合硅酸鹽水泥。為高濃度膠結(jié)充填材料專(zhuān)門(mén)研制的外加劑,由速凝劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑、減水劑以質(zhì)量比為6∶1∶3∶10混合而成,添加量一般占水泥質(zhì)量的0.005~0.020。
由以上分析可知,再生骨料和粉煤灰級(jí)配均不良,必須混合起來(lái)以改良級(jí)配,減小孔隙率,增大堆積密實(shí)度,同等強(qiáng)度下,以減少水泥用量。實(shí)驗(yàn)前必須對(duì)兩種集料以一定質(zhì)量比混合后進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn),然后得出Talbol級(jí)配指數(shù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。
將粉煤灰與再生骨料以質(zhì)量比k為0.5、0.4、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02均勻混合后進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn),粒徑負(fù)累計(jì)分布擬合曲線的Talbol級(jí)配指數(shù)分別為0.30、0.34、0.38、0.44、0.51、0.57、0.61,且R2均大于0.90,如圖5所示。由圖5可知,隨著混合料中粉煤灰占比的升高,Talbol級(jí)配指數(shù)n隨之降低;反之,混合料中再生骨料的占比越高,n隨之升高。根據(jù)n為0.30~0.60時(shí),級(jí)配更加合理的結(jié)論可知,粉煤灰與建筑垃圾混合料質(zhì)量比在0.05~0.50之間,兩種集料的密實(shí)度較佳。
圖5 粉煤灰與再生骨料不同質(zhì)量比的混合料粒徑分布及擬合曲線Fig. 5 Particle size distribution and fitting curves of mixture with different mass ratios of fly ash and recycled aggregate
根據(jù)前期大量基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果,設(shè)計(jì)水泥作為膠結(jié)劑,占材料總質(zhì)量的8%,實(shí)驗(yàn)因素取外加劑與水泥的質(zhì)量百分比(外泥比A)、粉煤灰與再生骨料的質(zhì)量比(灰骨比B)、充填材料水固質(zhì)量比C、再生骨料含泥量D(<0.075 mm再生骨料粒徑與其總質(zhì)量的比值),4個(gè)因素也稱(chēng)為自變量,選用L16(45)正交表,各因素分別取4個(gè)水平,如表1所示。
表1 正交實(shí)驗(yàn)Table 1 Orthogonal experiment
3.2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)方案,稱(chēng)取水、固體原材料,充分?jǐn)嚢璧玫侥z結(jié)充填漿料。漿料一部分倒入坍落桶測(cè)其塔落度S,一部分漿料倒入貫入阻力儀試模測(cè)其初凝時(shí)間t。剩余漿料倒入100 mm×100 mm×100 mm的方形塑料試模,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后測(cè)其28 d的單軸抗壓強(qiáng)度σ28。實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果如表2所示。
表2 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Orthogonal experiment scheme and results
3.2.2 極差分析
采用極差分析法對(duì)所測(cè)得的充填漿料基本性能進(jìn)行分析,可以確定因素的不同水平對(duì)考察指標(biāo)的影響,極差越大說(shuō)明該因素水平對(duì)試驗(yàn)考察指標(biāo)產(chǎn)生的影響作用越顯著,或者說(shuō)該考察指標(biāo)對(duì)該影響因素敏感性較強(qiáng)。
(1)坍落度
計(jì)算各因素水平對(duì)應(yīng)坍落度平均值和極差,各因素水平與充填漿料坍落度之間的關(guān)系如圖6所示。
由圖6可知,外泥比A隨著水平的增大,坍落度值隨之急速增加,其極差為RA=97.75 mm,說(shuō)明專(zhuān)用外加劑可顯著增加充填漿料的坍落度。灰骨比B隨水平的增加,坍落度先增大、后減小,其閾值為灰骨比B的3水平,即混合料Talbol級(jí)配指數(shù)為0.44,其極差RB=25.75 mm。水固比C隨水平的增大,坍落度隨之增大,但水平1到水平2對(duì)應(yīng)坍落度增加的速率小于水平2到水平4,其極差RC=47.75 mm。含泥量D隨著水平的增加,坍落度逐漸減小,其極差RD=27 mm,說(shuō)明粒徑小于0.075 mm的微細(xì)粉含量的增加會(huì)增大充填漿料的黏聚力,從而降低漿料的坍落度。
圖6 各因素水平與坍落度的關(guān)系 Fig. 6 Relationship between level and slump of each factor
根據(jù)極差值大小,可知因素A對(duì)初始料漿的坍落度大小的影響作用最明顯,即坍落度對(duì)因素A最敏感。各因素對(duì)漿料坍落度影響作用的主次順序?yàn)锳>C>D>B。
(2)初凝時(shí)間
計(jì)算各因素水平對(duì)應(yīng)充填漿料初凝時(shí)間的平均值和極差,各因素水平與充填漿料初凝時(shí)間之間的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知,外泥比A隨著水平的增大,初凝時(shí)間先減小后急速增加,其極差RA=100.06 min,說(shuō)明在充填漿料中加入占水泥質(zhì)量1%以?xún)?nèi)的專(zhuān)用外加劑可顯著縮短漿料的初凝時(shí)間?;夜潜菳隨水平的增加,初凝時(shí)間顯著縮短,極差RB=83.7 min,其原因可能是大量粉煤灰吸收大量水分,水泥的水化時(shí)間減少導(dǎo)致。水固比C隨水平的增大,初凝時(shí)間隨之增大,但水平1到水平2對(duì)應(yīng)初凝時(shí)間增加的速率小于水平2到水平4,其極差RC=38.45 min。含泥量D隨著水平的增加,坍落度逐漸減小,其極差值RD=22 min,說(shuō)明粒徑<0.075 mm的微細(xì)粉含量增加會(huì)縮短充填漿料的初凝時(shí)間。
圖7 各因素水平與初凝時(shí)間的關(guān)系 Fig. 7 Relationship between levels of various factors and initial setting time
根據(jù)極差值大小,可知因素A對(duì)充填料漿的初凝時(shí)間影響作用最明顯,即初凝時(shí)間對(duì)因素A最敏感??傊饕蛩貙?duì)漿料初凝時(shí)間影響作用的主次順序?yàn)锳>B>C>D。
(3)抗壓強(qiáng)度
計(jì)算各因素水平對(duì)應(yīng)充填漿料28 d抗壓強(qiáng)度的平均值和極差,各因素與充填漿料坍落度之間的關(guān)系如圖8所示。
圖8 各因素水平與σ28的關(guān)系 Fig. 8 Relationship between levels of various factors and σ28
由圖8可知,外泥比A隨著水平的增大,28 d抗壓強(qiáng)度先增加后減少,再增加,其閾值分別為水平2和水平3,即外泥比為0.01和0.015,其極差RA=0.57 MPa,說(shuō)明外加劑可增加充填材料的抗壓強(qiáng)度,但是摻量需在合理范圍內(nèi)?;夜潜菳隨水平的增加,28 d抗壓強(qiáng)度先急速增大、后減小,極差RB=0.89 MPa,其閾值為水平3,即灰骨比為0.2,說(shuō)明粉煤灰與再生骨料混合料合理級(jí)配會(huì)顯著增加充填材料的抗壓強(qiáng)度。水固比C隨水平的增大,28 d抗壓強(qiáng)度先增大、后急劇減小,其極差RC=0.83 MPa,其閾值為水平2,即水固比為0.27,說(shuō)明該水固比為水泥充足水化所需水量。含泥量D隨著水平的增加,28 d抗壓強(qiáng)度先急速減少,后維持不變,然后再減少,呈“臺(tái)階”狀,其極差RD=0.50 MPa,說(shuō)明粒徑<0.075 mm的微細(xì)粉含量增加會(huì)減小充填材料的28 d抗壓強(qiáng)度,尤其是在含泥量為0~4%、8%~12%時(shí),其削弱抗壓強(qiáng)度作用更加明顯。
根據(jù)極差值大小,可知因素B對(duì)充填料漿的28 d抗壓強(qiáng)度影響作用最明顯,即28 d抗壓強(qiáng)度對(duì)因素B最敏感。總之,各因素對(duì)28 d抗壓強(qiáng)度影響作用的主次順序?yàn)锽>C>A>D。
3.2.3 擬合分析
應(yīng)用DPS7.05數(shù)理統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)16組正交實(shí)驗(yàn)方案所獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行二次多項(xiàng)式逐步回歸,得到了坍落度S、初凝時(shí)間t、28 d抗壓強(qiáng)度σ28與各因素水平(代碼)的回歸模型,即
S=5.73+52.42A+69.19C-12.40D-
13.76AC+4.15AD-1.80BC-5.05CD,
(1)
t=498.66-177.88A+12.05B-51.57C+
2.03D+44.40A2+0.40B2+10.22C2+
0.63D2-3.62AB-6.61AC-1.46AD-
15.44BD+10.70CD,
(2)
σ28=0.70+0.45A+0.24B+1.73C-0.09A2-
0.17B2-0.24C2+0.10AB-0.07AC-
0.04AD+0.18BD-0.21CD。
(3)
圖9 回歸模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比 Fig. 9 Comparison between calculated values of regression model and experimental values
由圖9可知,除個(gè)別模型計(jì)算值外,坍落度模型、28 d抗壓強(qiáng)度模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的相對(duì)誤差基本在-8%~+8%范圍內(nèi),初凝時(shí)間模型相對(duì)誤差在-3%~+3%范圍內(nèi),說(shuō)明回歸模型的計(jì)算值接近實(shí)際值,從而證明了模型的準(zhǔn)確性。
以黑龍江七臺(tái)河礦區(qū)為例,井工開(kāi)采平均深度為400 m左右,充填管路長(zhǎng)度一般在2 000 m以?xún)?nèi)。以漿料平均流速為0.6 m/s計(jì)算,漿料在管路中流動(dòng)時(shí)間在60 min以?xún)?nèi)。根據(jù)七臺(tái)河龍湖礦膠結(jié)充填開(kāi)采實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),如果要保證高濃度膠結(jié)充填材料的泵送性,其漿料的坍落度一般為210~220 mm。如果要保證充填材料充填后8 h內(nèi)快速完成拆模、上覆巖層無(wú)明顯破斷、沉陷,充填材料初凝時(shí)間為300 min內(nèi),28 d抗壓強(qiáng)度需大于3 MPa。
根據(jù)上述回歸模型以及現(xiàn)場(chǎng)要求,考慮經(jīng)濟(jì)、早期強(qiáng)度最優(yōu)的原則。自變量約束條件為外泥比A、灰骨比B、水固比C水平為1~4,再生骨料含泥量D水平分別為1~2、2、2~3、3、3~4。因變量坍落度S、初凝時(shí)間t、28 d抗壓強(qiáng)度σ28的約束條件分別為210 mm≤S≤220 mm、60 min≤t≤300 min、σ28取最大值且≥3 MPa。
將回歸模型、約束條件等代入Matlab和聲搜索(Harmony search, HS)智能優(yōu)化算法,進(jìn)化迭代設(shè)為100次,可得到外泥比、灰骨比、水固比水平的3個(gè)隨機(jī)最優(yōu)配比,及其對(duì)應(yīng)的坍落度、初凝時(shí)間、28 d抗壓強(qiáng)度,如表3所示。
由表3可知,當(dāng)再生骨料含泥量D水平約束條件為1~2時(shí),優(yōu)化方案中含泥量D的水平均為1,說(shuō)明在該約束條件下,強(qiáng)度取最大值,含泥量為0。當(dāng)含泥量D水平的約束條件為2時(shí),較約束條件為1~2時(shí)外泥比A和灰骨比B水平均有明顯增加,且坍落度基本無(wú)變化,初凝時(shí)間增加18%,28 d抗壓強(qiáng)度減少10%。當(dāng)再生骨料含泥量D水平為2~3時(shí),初凝時(shí)間較D水平為2時(shí)延長(zhǎng)3%,其它自變量與因變量均沒(méi)有明顯變化。當(dāng)再生骨料含泥量D水平為3時(shí),較D水平為2~3時(shí)水固比C有一定降低,且初凝時(shí)間降低8%左右。當(dāng)再生骨料含泥量D水平為3~4時(shí),較D水平為3時(shí),水固比有一定降低,初凝時(shí)間降低22%左右。
表3 最優(yōu)配比Table 3 Optimal ratio
總之,隨著再生骨料含泥量的增加,最優(yōu)配比的水固比呈逐漸減小的趨勢(shì),初凝時(shí)間呈先增大后減小的規(guī)律。且所有最優(yōu)配比28 d抗壓強(qiáng)度均大于3 MPa,在再生骨料含泥量為0時(shí)最大,當(dāng)含泥量增大時(shí),強(qiáng)度減小不明顯。
工業(yè)配比需在最優(yōu)配比的基礎(chǔ)上考慮材料成本。建筑垃圾破碎后的天然含泥量為8%,粉煤灰無(wú)加工成本。因此,建筑垃圾膠結(jié)充填材料含泥量取8%,水固比取較大值,灰骨比取較大值,外泥比取較小值。綜合以上因素,建筑垃圾-粉煤灰膠結(jié)充填材料的工業(yè)配比選擇外泥比、灰骨比、水固比、再生骨料含泥量水平(代碼)分別為3.86、3.39、1.75、3.00,具體值為0.019、0.278、0.353、0.080,則各原材料占比為:水泥8%、外加劑0.15%、水26.06%、再生骨料51.48%、粉煤灰14.31%。
充填材料的工業(yè)配比通過(guò)坍落度實(shí)驗(yàn)、貫入阻力儀實(shí)驗(yàn)、抗壓實(shí)驗(yàn)分別測(cè)得充填材料的坍落度為213 mm、初凝時(shí)間為260 min、28 d抗壓強(qiáng)度為3.40 MPa,滿足現(xiàn)場(chǎng)對(duì)充填材料的性能要求。
通過(guò)壓力試驗(yàn)機(jī)可測(cè)得依據(jù)工業(yè)配比制作試樣各齡期應(yīng)力-應(yīng)變曲線,如圖10所示。由圖10可知,充填材料3、7、24、28 d齡期的抗壓強(qiáng)度分別為0.94、1.89、2.82、3.40 MPa。各齡期的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)共同特征,其可劃分為4個(gè)階段:①壓縮段,應(yīng)力與應(yīng)變呈正變關(guān)系,曲線呈上凹型,應(yīng)力變量逐漸大于應(yīng)變變量;②彈性段,應(yīng)力與應(yīng)變基本呈線性正變關(guān)系,斜率基本保持不變;③塑性變形段,應(yīng)力與應(yīng)變呈正變關(guān)系,曲率與應(yīng)力呈反變關(guān)系,直至達(dá)到峰值強(qiáng)度;④屈服破壞段,應(yīng)力與應(yīng)變呈反變關(guān)系,試樣出現(xiàn)明顯破裂,直至完全破壞喪失強(qiáng)度。各齡期試件完全破壞后仍具有較高的殘余強(qiáng)度,由此可見(jiàn),充填材料具有較好的承載特性。
圖10 不同齡期應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 10 Stress-strain curve at different ages
各齡期充填材料屈服后的破壞特征如圖11所示。由圖11可知,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,水泥水化不斷進(jìn)行,試塊強(qiáng)度不斷增高,試塊中的裂紋數(shù)量逐漸增多,裂紋的寬度也逐漸增大。養(yǎng)護(hù)齡期為3 d時(shí),裂紋主要集中在試件上部,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,裂紋逐漸向下發(fā)展,養(yǎng)護(hù)齡期為14、28 d時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)貫通裂縫。各養(yǎng)護(hù)齡期試塊屈服后均有平行于加載方向以及與加載方向夾角約為45°的裂縫,說(shuō)明試件破壞形式表現(xiàn)為劈裂破壞與剪切破壞共存。
圖11 各齡期試塊的破壞特征 Fig. 11 Failure characteristics of test blocks at various ages
(1)混合料達(dá)到最佳密實(shí)度時(shí),廢棄粉煤灰、再生骨料的質(zhì)量比為0.05~0.5。各因素對(duì)漿料坍落度、初凝時(shí)間、28 d抗壓強(qiáng)度影響作用的主次順序分別為A>C>D>B,A>B>C>D,B>C>A>D。外泥比A和灰骨比B即外加劑摻量和混合料級(jí)配是影響磚混類(lèi)建筑垃圾-粉煤灰膠結(jié)充填材料特性的決定因素。
(3)隨著再生骨料含泥量的增加,最優(yōu)配比的水固比呈逐漸減小的趨勢(shì),且初凝時(shí)間呈先增大后減小的規(guī)律。所有最優(yōu)配比28 d抗壓強(qiáng)度均大于3 MPa,在再生骨料含泥量為0時(shí)最大,當(dāng)含泥量增大時(shí),強(qiáng)度減小不明顯。
(4)考慮成本因素得到的磚混類(lèi)建筑垃圾-粉煤灰膠結(jié)充填材料工業(yè)配比,外泥比0.019,灰骨比0.288,水固比0.323,再生骨料含泥量0.080,水泥占材料質(zhì)量的8%,建筑垃圾及廢棄粉煤灰占材料質(zhì)量的65.79%,固體質(zhì)量占比為75.59%,成本較低,可消化大量廢固。
(5)最優(yōu)工業(yè)配比下磚混類(lèi)建筑垃圾-粉煤灰膠結(jié)充填材料的3 d抗壓強(qiáng)度為0.94 MPa,14 d內(nèi)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速,28 d抗壓強(qiáng)度為3.40 MPa。各齡期試塊屈服時(shí)破壞形式表現(xiàn)為劈裂破壞與剪切破壞共存,屈服后仍有較高的殘余強(qiáng)度,說(shuō)明充填材料具有較好的承載特性。