礦用高水速凝材料結(jié)石體材料強(qiáng)度特征的試驗(yàn)研究

祝賢忠 周 智 邱正勇 陳立虎 李正安

（北方民族大學(xué) 化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川750021）

0 引言

高水速凝材料作為一種廣泛應(yīng)用于各種工程實(shí)踐，特別是礦山采空區(qū)充填、巷道支護(hù)、隧道塌方充填的新型材料，其物理力學(xué)性質(zhì)越來越受到人們的重視，當(dāng)其作為充填支護(hù)材料時，對其強(qiáng)度特征的研究顯得至關(guān)重要。同時，當(dāng)該材料用于采空區(qū)充填防止地表沉陷時，由于服務(wù)時間長，可能導(dǎo)致材料的長時流變問題，因此研究高水材料結(jié)石體強(qiáng)度特征的時間效應(yīng)是十分必要的。通過研究高水速凝材料強(qiáng)度特征的研究，確切掌握強(qiáng)度特征與水灰比等參數(shù)之間的關(guān)系。

1 強(qiáng)度測試過程

1.1 試驗(yàn)方法及原理

單軸壓縮是材料強(qiáng)度測試的基本方法，該方法測試速度快，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，變形特征明顯。 高水速凝材料的強(qiáng)度測試主要采用單軸壓縮實(shí)驗(yàn)方法。 材料在承受逐漸增大的單軸軸向荷載作用下，其軸向變形隨荷載逐漸升高而增大，在與軸向垂直的橫向上產(chǎn)生隨之增大的橫向變形。當(dāng)軸向荷載增加到試件承受荷載極限時，試件發(fā)生破壞。在此過程中，通過數(shù)據(jù)采集，得到軸向荷載、軸向變形和橫向變形，通過這三組數(shù)據(jù)計算處理后可以得到應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。 從曲線上可以分析出，曲線的直線段斜率即為彈性模量，與之對應(yīng)的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變之比為泊松比。 材料加載破壞時的軸向荷載為材料的極限荷載，破壞時的最大軸向應(yīng)力值為材料的單軸抗壓強(qiáng)度。 抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比是材料的主要力學(xué)參數(shù)。 此外，工程上常將50%的抗壓強(qiáng)度值與對應(yīng)的應(yīng)變之比稱為材料的割線模量。 同時，針對高水速凝材料的單軸壓縮試驗(yàn)，由于材料的高含水率，在進(jìn)行加載過程中，材料會出現(xiàn)失水現(xiàn)象，因此，也將材料的抗壓失水率作為測試過程中的主要參數(shù)。

高水速凝材料的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)是在充分考慮材料的特點(diǎn)與性質(zhì)下進(jìn)行的，其測試原理與方法均按照巖石力學(xué)測試進(jìn)行，分析過程中，也將巖石力學(xué)分析方法結(jié)合應(yīng)用起來。實(shí)驗(yàn)中考慮測試結(jié)果的不均勻性，每組測試取三個試件，將三個試件的測試結(jié)果平均值作為該組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于該材料的強(qiáng)度較低，在實(shí)驗(yàn)加載過程中會有水珠流出，因而在測試時，應(yīng)對設(shè)備進(jìn)行一定的保護(hù)。

1.2 設(shè)備及加載方式

本次試驗(yàn)北方民族大學(xué)化工學(xué)院巖石與混凝土力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行測試。 該系統(tǒng)設(shè)備精良，確保了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與按時進(jìn)行。單軸壓縮實(shí)驗(yàn)加載控制方式：首先安裝試件至試驗(yàn)機(jī)上，手動控制加載至40N～50N 使試樣與壓頭接觸，然后正式開始實(shí)驗(yàn)：開始以力控制100N/min 的速度加載，中間轉(zhuǎn)成力控制200N/min 的速度加載至峰值，試件變形急劇增大，為保證試驗(yàn)機(jī)安全，在位移達(dá)到2.5mm～3mm 時轉(zhuǎn)換為位移控制，直至?xí)r間破壞，停止加載，取消試驗(yàn)機(jī)保護(hù)。

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)中依次按照 5：1、6：1、7：1、的水灰比進(jìn)行測試，測試時嚴(yán)格按照步驟進(jìn)行操作。首先將試件至于實(shí)驗(yàn)機(jī)上下壓頭中心，調(diào)整球形座，使試件均勻受力，連接好應(yīng)變片與位移計，調(diào)整好應(yīng)變儀后測讀初值。然后按照加載方式進(jìn)行加載，并測度記錄加載過程中的荷載及去對應(yīng)的變形量。 最后記錄試件破壞方式、形態(tài)和特征。

從加載過程中可以看出，剛開始加載時，未能觀察出明顯變化，隨著加載的進(jìn)行，試件表面開始變得濕潤，出現(xiàn)水珠并逐漸匯集到底部流出，表面未出現(xiàn)明顯裂紋。直至加載后期，荷載達(dá)到峰值，試件破壞，底部大量出水。部分試件表面出現(xiàn)明顯裂紋，端部破裂成散狀或隆起，直徑明顯增大；部分試件表面出現(xiàn)細(xì)微裂紋，裂紋沿軸向逐漸向端部擴(kuò)張；還有部分試件表面未觀察到裂紋及明顯的破壞現(xiàn)象。

圖1 試件加載后破壞情況

2 數(shù)據(jù)成果整理

三種水灰比的結(jié)石體在不同養(yǎng)護(hù)時間的單軸抗壓強(qiáng)度值如表1所示：

表1 結(jié)石體的單軸抗壓強(qiáng)度

三種水灰比的結(jié)石體在不同養(yǎng)護(hù)時間的彈性模量值如表2 所示。

表2 結(jié)石體的彈性模量

三種水灰比的結(jié)石體在不同養(yǎng)護(hù)時間的泊松比值如表3 所示。

表3 結(jié)石體的泊松比

結(jié)合抗壓強(qiáng)度和彈性模量分析時發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間在7 天以前時，抗壓強(qiáng)度、彈性模量都比較大，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，強(qiáng)度參數(shù)都趨于穩(wěn)定。 抗壓強(qiáng)度和彈性模量受水灰比影響較大，而水灰比對泊松比的影響較小。

3 結(jié)束語

結(jié)合抗壓強(qiáng)度和彈性模量分析時發(fā)現(xiàn)， 當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間在7 天以前時，抗壓強(qiáng)度、彈性模量都比較大，隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加，強(qiáng)度參數(shù)都趨于穩(wěn)定。 抗壓強(qiáng)度和彈性模量受水灰比影響較大，而水灰比對泊松比的影響較小。

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