石膏-砂相似材料配比試驗(yàn)

甘德清 侯永康 張亞賓

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

石膏-砂相似材料配比試驗(yàn)

甘德清 侯永康 張亞賓

(華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院)

結(jié)合多次開采擾動(dòng)下邊坡穩(wěn)定性的相似模擬研究方法，采用石膏-砂相似材料進(jìn)行配比試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)際情況，顧及了相似材料的砂膏比和水膏比等2個(gè)因素進(jìn)行配比試驗(yàn)，研究了不同配比對(duì)相似材料抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：當(dāng)水膏比不變時(shí)，相似材料的抗壓強(qiáng)度隨砂膏比的增大而增大；當(dāng)砂膏比不變時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨水膏比的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，當(dāng)水膏比約1.2時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值。

相似材料 抗壓強(qiáng)度 砂膏比 水膏比 抗壓強(qiáng)度

在巖土工程應(yīng)力應(yīng)變分析中，相似模型試驗(yàn)可較好地模擬復(fù)雜工程的施工工藝、荷載作用方式及時(shí)間效應(yīng)等，能夠完整地反映出現(xiàn)場(chǎng)施工的受力全過(guò)程，有助于解決模擬過(guò)程中發(fā)生的破壞、裂隙等一些數(shù)學(xué)分析法不易解決的問(wèn)題，因而應(yīng)用較廣泛[1-3]。在進(jìn)行相似模型試驗(yàn)過(guò)程中，相似材料的選擇以及相似材料及配比對(duì)相似模型的物理力學(xué)性質(zhì)影響較大[4-8]。本研究對(duì)廟溝鐵礦的礦巖進(jìn)行相似材料模擬，分析在不同材料配比的情況下相似材料物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律。

1 相似材料配比試驗(yàn)

選用粉刷石膏(強(qiáng)度小于一般建筑用石膏)、河砂作為模擬材料進(jìn)行配比研究。

1.1 試驗(yàn)配比

以砂膏比和水膏比為因素進(jìn)行配比試驗(yàn)，結(jié)果表1。

1.2 試塊制作

選用室內(nèi)試驗(yàn)常用的鑄鐵模具(規(guī)格70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)制作試塊，3個(gè)試塊為1組。試塊制作步驟：①根據(jù)預(yù)先設(shè)定的配比進(jìn)行配料，首先將砂和石膏放入固定容器中，攪拌均勻，然后加入規(guī)定量的水繼續(xù)攪拌，直至攪拌均勻?yàn)橹?；②為方便脫模工作，在試模?nèi)均勻涂抹機(jī)油，避免出現(xiàn)機(jī)油流淌或匯集的現(xiàn)象；③將攪拌均勻的相似材料分2～3次裝入試模，壓實(shí)；④自然環(huán)境下放置2 d后脫模，并編號(hào)。

1.3 物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定

在室內(nèi)自然環(huán)境下對(duì)試塊養(yǎng)護(hù)7 d后，采用HUALONG-WC500型壓力機(jī)測(cè)定了其單軸抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表2。

表1 石膏-砂相似材料配比及材料質(zhì)量

表2 石膏-砂相似材料物理力學(xué)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 砂膏比對(duì)相似材料抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)水膏比不變時(shí)，對(duì)比A1、B1、C1(水膏比0.6∶1)，A2、B2、C2(水膏比0.8∶1)，A3、B3、C3(水膏比1∶1)，A4、B4、C4(水膏比1.2∶1)，A5、B5、C5(水膏比1.4∶1)等5組試塊的單軸抗壓強(qiáng)度，分析當(dāng)水膏比不變時(shí)，砂膏比對(duì)試塊單軸抗壓強(qiáng)度的影響，見圖1。

圖1 單軸抗壓強(qiáng)度與砂膏比的變化曲線

由圖1可知：在水膏比固定不變的情況下，試塊的單軸抗壓強(qiáng)度隨砂膏比的增大逐漸減小。一般情況下，在相似材料中，膠結(jié)料所占的比例越大，相似材料的抗壓強(qiáng)度便越大，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體情況，可通過(guò)改變砂膏比來(lái)調(diào)整相似材料的抗壓強(qiáng)度。

2.2 水膏比對(duì)相似材料單軸抗壓強(qiáng)度的影響

當(dāng)砂膏比分別為3∶1、4∶1、5∶1時(shí)，對(duì)比分析A1、A2、A3、A4、A5(砂膏比3∶1)，B1、B2、B3、B4、B5(砂膏比4∶1)，C1、C2、C3、C4、C5(砂膏比5∶1)等3組試塊的單軸抗壓強(qiáng)度的變化情況，結(jié)果見圖2。

圖2 單軸抗壓強(qiáng)度與水膏比的變化曲線

由圖2可知：當(dāng)砂膏比一定時(shí)，試塊的單軸抗壓強(qiáng)度隨水膏比的增大，呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)水膏比約1.2∶1時(shí)，試塊的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大；當(dāng)水膏比超過(guò)1.2∶1繼續(xù)增大時(shí)，試塊的抗壓強(qiáng)度呈減小的趨勢(shì)。

由于石膏遇水后形成半水石膏，半水石膏與水化合形成二水石膏并析出(由于二水石膏的溶解度特別低)，隨著用水量的增加，半水石膏一直減少直至全部水化完畢，自由水分也隨著水化作用逐漸耗盡。若用水量超過(guò)其完全水化所需的水分，則多余水分蒸發(fā)后，在相似材料中留下孔隙，降低了抗壓強(qiáng)度。因此，上述試驗(yàn)結(jié)果所反映的試塊單軸抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律與理論分析基本一致。

3 結(jié) 論

(1)本研究采用石膏-砂相似材料，由于材料來(lái)源廣，價(jià)格合理，適合作為大型物理相似試驗(yàn)的原材料。該相似材料的整體抗壓強(qiáng)度較小，可挖性強(qiáng)，適合進(jìn)行含有開挖工作的物理相似試驗(yàn)。

(2)當(dāng)石膏-砂相似材料的水膏比一定時(shí)，相似材料的單軸抗壓強(qiáng)度隨砂膏比的增大而減??；當(dāng)砂膏比一定時(shí)，相似材料的單軸抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的水膏比約1.2∶1。

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2015-08-07)

甘德清(1962—)，男，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師,063009 河北省唐山市新華西道46號(hào)。