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

祝賢忠等

【摘 要】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)度特征研究，確切掌握強(qiáng)度特征隨時間變化的關(guān)系。

【關(guān)鍵詞】高水速凝材料；結(jié)石體強(qiáng)度；養(yǎng)護(hù)時間；單軸抗壓強(qiáng)度；彈性模量

【Abstract】With respect to the serious environment problems of coal mining， a new concept of green mining is proposed. The goal is to maximize the economic and social benefits. The technical framework of green mining includes water-preservation in mining areas， coal mining to retard surface subsidence， simultaneous extraction of coal and coal-bed methane， reduction of rock waste， underground coal gasification， and others. The natural climate in Northwest in China is very odious， and its geological condition is very complex. The precipitation is less and concentrated. Drought and water logging in the area are very usual to see， and the eco-system is very weak. Water resources in the area are limited. The eco-environment problems such as desertification， loss of soil， mud-rock flow， earth slide， land degeneration and decrease of cultivation area are quite common in the area. In the meantime disorder exploitation of coal mine in the area has made the geological environment and ecology system more fragile. Based on analyzing the problems in detail， his paper puts forward green mining in the areas.

【Key words】High water rapid hardening materials；Calculus strength；Curing time；Uniaxial compressive strength；Elastic modulus

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。

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：

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。

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。

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?？箟簭?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。

【參考文獻(xiàn)】

[1]顏志平，朱贊凌.高水速凝材料-軟土凝固體力學(xué)特征的研究[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2000（06）.

[2]顏志平，漆泰岳，張連信，等.ZKD高水速凝材料及其泵送充填技術(shù)的研究[J]. 煤炭學(xué)報，1997，（03）.

[3]鄭娟榮，孫恒虎.pH值對高水固結(jié)充填材料凝結(jié)性能的影響機(jī)理[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，（03）.

[4]翟奎，林富潮.高水速凝材料的研制及充填試驗(yàn)[J].礦業(yè)快報，2000，（23）.

[5]楊寶貴，孫恒虎，莊百宏.高水固結(jié)充填體的自立[J].有色金屬，2000，（02）.

[6]周華強(qiáng)，王光偉，屈慶賀，等.高水速凝材料容許比壓的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，（04）.

[7]華心祝.高水速凝材料的力學(xué)特性與沿空留巷[J].礦山壓力與頂板管理，1996，（01）.

[8]劉文永.高水速凝材料漿體流變特性研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，1997，（04）.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]

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。

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：

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。

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。

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?？箟簭?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?？箟簭?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。

【參考文獻(xiàn)】

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[7]華心祝.高水速凝材料的力學(xué)特性與沿空留巷[J].礦山壓力與頂板管理，1996，（01）.

[8]劉文永.高水速凝材料漿體流變特性研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，1997，（04）.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]

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。

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：

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。

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。

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?？箟簭?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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[4]翟奎，林富潮.高水速凝材料的研制及充填試驗(yàn)[J].礦業(yè)快報，2000，（23）.

[5]楊寶貴，孫恒虎，莊百宏.高水固結(jié)充填體的自立[J].有色金屬，2000，（02）.

[6]周華強(qiáng)，王光偉，屈慶賀，等.高水速凝材料容許比壓的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2001，（04）.

[7]華心祝.高水速凝材料的力學(xué)特性與沿空留巷[J].礦山壓力與頂板管理，1996，（01）.

[8]劉文永.高水速凝材料漿體流變特性研究[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，1997，（04）.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]