改性高水材料抗壓、抗剪強(qiáng)度特征及對(duì)比分析

張 釗，劉長(zhǎng)武?，王一冰，郭兵兵

1)四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065

2)四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065

3)河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院，鄭州 451191

高水材料是20 世紀(jì)80 年代發(fā)明的一種新型無(wú)機(jī)膠凝材料，也被稱為高水速凝材料[1]。因其具有不堵管、易泵送、早期強(qiáng)度高以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于礦井充填、堵漏和阻燃滅火等相關(guān)工程[2?6]，因此也被廣泛稱之為高水充填材料?？紤]到高水材料在實(shí)際應(yīng)用中用量大、成本高的特點(diǎn)，目前有關(guān)廢棄物摻雜改性高水材料的研究已成為高水材料發(fā)展的重要方向[7?13].

“白色污染”問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今世界最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，Geyer 等[14?15]研究發(fā)現(xiàn)1950 年全球塑料產(chǎn)量是200 萬(wàn)噸，而到了2015 年則增加至4 億噸，這一產(chǎn)量超過(guò)了除水泥、鋼鐵外的任何一種人造材料。而在人類(lèi)生產(chǎn)的共83 億噸塑料中，已有63 億噸塑料徹底成為廢棄物，這些廢棄的塑料制品中，只有9%被回收，另有12%被焚燒處理，剩余79%的廢棄塑料則深埋在垃圾填埋場(chǎng)或在自然環(huán)境中累積。近年來(lái)人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到廢棄塑料造成污染的嚴(yán)重性，開(kāi)始思考如何正確使用塑料制品，并且對(duì)廢棄塑料的再次回收利用也逐步開(kāi)展相應(yīng)的研究[16?19].

因此，在已有研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)的研究結(jié)果，針對(duì)改性高水材料的抗壓、抗剪強(qiáng)度做了相關(guān)研究，不僅揭示了改性高水材料的強(qiáng)度特征，也對(duì)其適用性進(jìn)行了探討.

1 試樣制作與試驗(yàn)方案

1.1 試樣制作

確定高水充填材料水灰比為3∶1，四種固定成分的質(zhì)量比為A∶A–A∶B∶B–B=1∶0.1∶1∶0.04.按原高水材料的四種固定成分以總質(zhì)量百分比進(jìn)行添加PE 粉，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、5%、10%、15%、20%，獲得的新型材料試件分別記為C、D、E、F、G。材料配比如表1 所示[20]。制作試樣時(shí)，先將甲料混合，再將乙料混合，分別加水?dāng)嚢杈鶆?，最后將兩種漿液再混合，并摻入稱量好的塑料粉末，攪拌均勻后將混合漿液倒入模具中，模具的規(guī)格分兩種，一種的規(guī)格按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[21]規(guī)定，取高徑比約為2∶1 (100 mm×?50 mm)用于單軸壓縮試驗(yàn)；另外一種為20 mm×?61.8 mm 的不銹鋼環(huán)刀模具，用于直接剪切試驗(yàn)。試樣脫模后置于(20±2)℃的水環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

表 1 材料配比表Table 1 Material proportions g

1.2 試驗(yàn)方案

為了深入探究改性高水材料不同的強(qiáng)度特征，對(duì)養(yǎng)護(hù)3、7、14 和28 d 不同齡期的摻PE 粉高水材料分別進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)（圖1）和直接剪切試驗(yàn)（圖2）。單軸壓縮試驗(yàn)通過(guò)位移控制加載速度，設(shè)定加載速度為3 mm·min?1；剪切試驗(yàn)選取軸向力為200 kPa，速率選定為0.8 mm·min?1。然后利用掃描電鏡（SEM）對(duì)高水材料進(jìn)行微觀形貌分析。最后結(jié)合抗壓強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度對(duì)比分析討論改性高水材料在煤礦充填的適用條件.

圖 1 ETM104B 力學(xué)試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Photograph of ETM104B mechanical testing machine

圖 2 DSJ–3 型等應(yīng)變直剪儀Fig.2 Photograph of DSJ–3 isostrain direct shear instrument

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

高水材料用于煤礦井下充填時(shí)，常受到煤層頂、底板之間的擠壓作用，因此使得充填體的受力情況為單軸荷載，沿空留巷的充填體更是如此。因此對(duì)于高水充填材料或者摻雜改性的高水充填材料的單軸壓縮試驗(yàn)尤為重要.

2.1.1 應(yīng)力–應(yīng)變曲線

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可由ETM 力學(xué)試驗(yàn)機(jī)直接獲得每一個(gè)試件的應(yīng)力–應(yīng)變曲線，不同PE 粉摻量以及不同齡期試件的應(yīng)力–應(yīng)變曲線如圖3 所示.

從圖3 可以看出PE 粉的摻入明顯改變了高水材料的應(yīng)力–應(yīng)變曲線特征。曲線均包含孔隙壓密、彈性變形、屈服和破壞四個(gè)階段，但與純高水材料相比，改性高水材料在這四個(gè)階段表現(xiàn)出不同的特征.

孔隙壓密階段：純高水材料孔隙壓密階段較為明顯，且不隨養(yǎng)護(hù)齡期的改變而改變，表明純高水材料內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)一直存在，只是在不同時(shí)期孔隙大小和數(shù)量不同；而改性高水材料在養(yǎng)護(hù)齡期為3 d 和7 d 時(shí)，孔隙壓密階段不明顯，養(yǎng)護(hù)14 d 以后以及28 d 時(shí)，該階段較為明顯，這是由于養(yǎng)護(hù)前期PE 粉的摻入適當(dāng)?shù)靥畛淞嗽兏咚牧现g的孔隙，使得孔隙的數(shù)量以及空間得到減小。而隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，PE 粉吸水軟化從而導(dǎo)致充填效果降低，大量的孔隙空間增長(zhǎng)表現(xiàn)為試件加載過(guò)程中孔隙壓密階段的呈現(xiàn).

彈性變形階段：純高水材料以及PE 粉摻量較少時(shí)，該階段的曲線較明顯而且范圍較長(zhǎng)；PE 粉摻量較多時(shí)，該階段的曲線特征不明顯且范圍較短，改性材料試件E 尤為明顯.

圖 3 不同養(yǎng)護(hù)齡期的摻PE 粉高水材料單軸壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線。（a）3 d；（b）7 d；（c）14 d；（d）28 dFig.3 Uniaxial compressive stress–strain curves of PE-powder-doped high-water materials with different curing ages:(a)3 d; (b)7 d; (c)14 d; (d)28 d

屈服階段：該階段的試件出現(xiàn)了明顯的破裂面，且破裂不斷發(fā)展，PE 粉的摻量較大時(shí)，試件的破壞發(fā)生迅速，表現(xiàn)為該階段的曲線峰值點(diǎn)低、抗壓強(qiáng)度?。患兏咚牧弦约癙E 粉摻量較少的試件曲線的峰值點(diǎn)較高、抗壓強(qiáng)度大，在養(yǎng)護(hù)3 d 和7 d時(shí)，改性材料試件B 試件峰值點(diǎn)最大，而養(yǎng)護(hù)14 d以后以及28 d 時(shí)，純高水材料的峰值點(diǎn)最高。這是由于少量的PE 粉填充了原純高水材料的內(nèi)部空隙，養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短時(shí)PE 粉的性質(zhì)改變不明顯；養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，PE 粉吸水軟化導(dǎo)致其性質(zhì)改變，表現(xiàn)為初期強(qiáng)度高于純高水材料試件，而后期低于純高水材料試件.

破壞階段：純高水材料和摻PE 粉的高水材料在該階段表現(xiàn)為顯著不同的特征，純高水材料曲線下降較為緩慢，在應(yīng)變最大時(shí)仍有較高的應(yīng)力，即存在較高的殘余強(qiáng)度，且隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)而更加明顯；改性高水材料曲線下降較為迅速，達(dá)到最大應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力明顯低于純高水材料試件，且隨著PE 粉摻量的增加而降低.

2.1.2 抗壓強(qiáng)度

試件的抗壓強(qiáng)度一般取應(yīng)力–應(yīng)變曲線的峰值點(diǎn)應(yīng)力值，可以根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算.

其中，p為抗壓強(qiáng)度，MPa；F為軸向加載載荷，kN；A為試樣橫截面積，mm2.

不同齡期的改性高水材料抗壓強(qiáng)度如圖4 所示。從圖4 可以看出，隨著PE 粉摻量的增加，試件的抗壓強(qiáng)度呈降低的趨勢(shì)；試件的抗壓強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增長(zhǎng)的趨勢(shì)。較為明顯的是材料B 試件抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化不大，而其他摻量的試件均隨齡期有明顯變化。這主要是因?yàn)?，較少的PE 粉能恰當(dāng)?shù)爻涮畈牧蟽?nèi)部的孔隙，使得材料初期的強(qiáng)度較高，但是孔隙的填充使得材料的生成物在后續(xù)時(shí)期沒(méi)有足夠的空間，因此限制了生成物的再生成，表現(xiàn)為強(qiáng)度變化不大；PE 粉摻量較多時(shí)，部分填充了孔隙，部分分散于材料內(nèi)部形成了弱結(jié)構(gòu)以及新的孔隙，導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)，生成物的再生成導(dǎo)致材料的強(qiáng)度有所提高.

圖 4 不同養(yǎng)護(hù)齡期的摻PE 粉高水材料抗壓強(qiáng)度Fig.4 Compressive strengths of PE-powder-doped high-water materials with different curing ages

2.1.3 破壞形式

PE 粉的摻入對(duì)試件的破壞形式有所改變，圖5為養(yǎng)護(hù)7 d 的試件加載破壞形式圖。純高水材料試件破壞后塊體數(shù)量較少，塊體較大，使得其殘余強(qiáng)度較高。摻PE 粉的試件破壞后塊體數(shù)量較多，塊體較小，表現(xiàn)為殘余強(qiáng)度較低。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)純高水材料加載過(guò)程中有較多的水析出，而摻PE 粉的試件幾乎沒(méi)有水析出，這主要是由于純高水材料試件中存在大量的自由水，而摻PE 粉的試件由于PE 粉的吸水性導(dǎo)致材料內(nèi)部的自由水較少.

圖 5 不同摻量PE 粉高水材料單軸抗壓破壞形式。（a）C；（b）D；（c）E；（d）F；（d）GFig.5 Photographs of uniaxial compressive failure modes of high-water materials with different amounts of PE powder:(a)C; (b)D; (c)E; (d)F; (d)G

2.2 直剪試驗(yàn)結(jié)果

剪切位移量和剪應(yīng)力是直剪試驗(yàn)最重要的兩個(gè)參數(shù)，可由式（2）和式（3）得到.

剪切位移量的計(jì)算公式如下：

其中，i為剪切位移，mm；N為手輪轉(zhuǎn)數(shù)；R為百分表讀數(shù)，mm；m為量綱一系數(shù)，取20.

剪應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

其中，τα為剪切應(yīng)力，kPa；R為百分表讀數(shù)，mm；C為量力環(huán)系數(shù)，取1.869；A0為試樣橫截面積，mm2.

2.2.1 應(yīng)力–位移曲線

由式（2）和式（3）可分別得到試件的剪切位移量和剪應(yīng)力，整理可得試件的剪切應(yīng)力–位移曲線，曲線如圖6 所示.

從圖6 可以看出，改性高水材料試件在剛開(kāi)始受剪時(shí)位移增加不大，但是應(yīng)力迅速增加，然后剪應(yīng)力增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，曲線逐漸達(dá)到平緩至峰值點(diǎn)，該過(guò)程呈現(xiàn)明顯的剪切硬化現(xiàn)象；剪應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)后，剪切位移增加較為明顯，而剪應(yīng)力卻呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，即剪切軟化現(xiàn)象，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)的試件剪切軟化現(xiàn)象越明顯.

圖 6 不同養(yǎng)護(hù)齡期的摻PE 粉高水材料剪切應(yīng)力–位移曲線。（a）3 d；（b）7 d；（c）14 d；（d）28 dFig.6 Shear stress?displacement curves of PE-powder-doped high-water materials with different curing ages:(a)3 d; (b)7 d; (c)14 d; (d)28 d

2.2.2 剪切強(qiáng)度

根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[22]規(guī)定：對(duì)沒(méi)有峰值點(diǎn)的曲線，取剪切位移為4 mm 時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度；而對(duì)于有峰值點(diǎn)的曲線，取峰值點(diǎn)的剪應(yīng)力作為抗剪強(qiáng)度?？辜魪?qiáng)度變化規(guī)律如圖7 所示。從圖7 可以看出，高水材料的抗剪強(qiáng)度整體較小，最大不超過(guò)460 kPa，PE 粉明顯改變了材料的抗剪強(qiáng)度，考慮到試件制作時(shí)材料混合不均勻的影響，整體來(lái)看材料的抗剪強(qiáng)度隨PE 粉摻量的增加呈減小的趨勢(shì)。而在PE 粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，其改性高水材料試件的剪切強(qiáng)度卻出現(xiàn)了異常高值，這主要是因?yàn)榕c抗壓破壞不同的是，剪切破壞更傾向于材料內(nèi)部成分之間的接合作用，PE 粉摻量過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)降低各成分之間的接合程度，從而降低材料的剪切強(qiáng)度，在PE 粉摻量合適的條件即E 類(lèi)改性材料試件成分之間的接合效果達(dá)到最好，從而表現(xiàn)為較大的抗剪強(qiáng)度.

2.2.3 破壞形式

圖8 是直剪試驗(yàn)結(jié)束后的試件，圖9 是養(yǎng)護(hù)7 d 不同摻量PE 粉高水材料剪切破壞面示意圖.從圖9 可以看出：高水材料的剪切破壞面并不是光滑平整的，而是呈現(xiàn)凹凸不平的特征，這說(shuō)明試件在剪切過(guò)程中，不同的部位受到的剪切力大小是不相同的，表明高水材料內(nèi)部并非完全均質(zhì)，存在一些容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位，導(dǎo)致應(yīng)力分布不均而破壞面凹凸不平。摻PE 粉的試件可以在破壞面上看到明顯的白色顆粒，說(shuō)明PE 粉的確與原材料較好地混合，但試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有部分PE 粉未能完全混合，因此后續(xù)研究中可以考慮選用較為密實(shí)的塑料顆粒，以便材料完全混合.

圖 7 不同養(yǎng)護(hù)齡期的摻PE 粉高水材料剪切強(qiáng)度Fig.7 Shear strengths of PE-doped high-water materials with different curing ages

圖 8 高水材料試件直剪Fig.8 Photograph of high-water material specimen with straight shear

圖 9 不同摻量PE 粉高水材料剪切破壞形式。（a）C；（b）D；（c）E；（d）F；（d）GFig.9 Photographs of the shear failures of high-water materials with different amounts of PE powder:(a)C; (b)D; (c)E; (d)F; (d)G

3 微觀形貌分析

圖10 是改性高水材料的微觀形貌SEM 圖.圖10（a）和圖10（b）是D 類(lèi)試件材料的3000 倍和5000 倍放大圖，圖10（c）和圖10（d）是G 類(lèi)試件材料的3000 倍和5000 倍放大圖。從圖10 可以看出PE 粉摻量較少時(shí)，生成物呈細(xì)小長(zhǎng)條狀，內(nèi)部結(jié)構(gòu)呈纖維網(wǎng)狀特征，纖維狀的物質(zhì)相互穿插交錯(cuò)搭接，結(jié)合較為緊密，但是也有較小的孔洞存在；當(dāng)材料中PE 粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，生成物呈短小棱柱狀，內(nèi)部呈現(xiàn)明顯的絮凝塊狀而非纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而且較多粗短的物質(zhì)排列散亂，有明顯的大孔洞存在。而且從圖10 中可以看出兩種不同的PE 粉摻量材料的均有孔隙存在，纖維網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)不易形成較大的貫穿孔洞，結(jié)構(gòu)較為密集；而絮凝塊狀的結(jié)構(gòu)則容易產(chǎn)生較大的孔洞，且容易貫穿，結(jié)構(gòu)較為疏松。這反映在試件的力學(xué)性質(zhì)方面即為纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的材料試件強(qiáng)度大于絮凝塊狀結(jié)構(gòu)試件強(qiáng)度.

4 討論

對(duì)高水材料進(jìn)行抗壓以及剪切試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)材料的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗剪強(qiáng)度，這說(shuō)明高水材料在用于煤礦充填時(shí)，不宜充填于有較大的剪切荷載即煤層傾角較大的情況。不同傾角的高水材料充填體受力形式如圖11 所示（A 為采空區(qū)，B 為高水材料充填體，C 為巷道）.

水平煤層的高水材料充填體所受載荷為采空區(qū)上部覆巖的重力，即豎向的載荷p。而對(duì)于有傾角的煤層，高水充填體所受的載荷亦為采空區(qū)上部覆巖的重力，但形成了兩種作用效果，垂直煤層傾向的載荷——軸向力p0和沿煤層傾向的載荷— —剪切力p1。其中剪切力p1隨著煤層傾角θ的增加而變大，這對(duì)于抗剪強(qiáng)度較小的高水材料來(lái)說(shuō)是不利于發(fā)揮其充填作用的，很可能會(huì)導(dǎo)致充填體發(fā)生剪切破壞從而失去充填效果。有關(guān)高水材料的研究與運(yùn)用[23?25]都表明：高水材料用于沿空留巷充填主要在煤層傾角小于20°的條件，這一方面是由于沿空留巷技術(shù)本身的應(yīng)用條件決定，另一方面也與高水材料的強(qiáng)度性質(zhì)有關(guān).

圖 10 不同放大倍數(shù)下的微觀形貌圖。（a），（b）D 類(lèi)材料試件；（c），（d）G 類(lèi)材料試件Fig.10 Micromorphologies of high-water materials at different magnifications:(a),(b)type of D specimen; (c),(d)type of G specimen

圖 11 不同傾角的高水材料充填體受力形式。（a）傾角為0；（b）傾角為θFig.11 Schematic illustration of forces acting on high-water material filling bodies with different inclination angles:(a)inclination angle of 0;(b)inclination angle of θ

其中，p為采空區(qū)上覆巖層的重力，kN；p0為垂直煤層傾向所受的載荷，kN；p1為沿煤層傾向受到的載荷，kN；θ為煤層傾角，°.

對(duì)改性高水材料的抗壓和抗剪強(qiáng)度按照（4）式和（5）式進(jìn)行計(jì)算，得到的θ值如表2 所示，圖12為θ值的分布范圍?？梢园l(fā)現(xiàn)，依據(jù)試驗(yàn)所得到的θ值85%以上≤20°，與上述結(jié)果較為吻合。但是考慮到本文獲得的剪切強(qiáng)度是在給定的條件（軸向力為200 kPa）下得到的，未對(duì)其他軸向力大小條件的剪切強(qiáng)度進(jìn)行研究，因此有待后續(xù)的進(jìn)一步論證.

表 2 計(jì)算得到的θ 值Table 2 Calculated θ values °

圖 12 θ 分布范圍Fig.12 Range of θ

5 結(jié)論

（1）改性高水材料抗壓強(qiáng)度隨著PE 粉摻量的增加而降低。養(yǎng)護(hù)前期，D 類(lèi)改性材料的試件強(qiáng)度較高；養(yǎng)護(hù)后期，純高水材料試件強(qiáng)度最高，D 類(lèi)改性材料的試件強(qiáng)度變化不大，其他摻量的試件強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加呈先上升后降低的趨勢(shì).

（2）改性高水材料抗剪強(qiáng)度隨著PE 粉摻量的增加而降低。剪應(yīng)力峰值點(diǎn)以前，應(yīng)力–位移曲線呈現(xiàn)剪切硬化的特征；峰值點(diǎn)以后的曲線呈現(xiàn)明顯的剪切軟化現(xiàn)象.

（3）PE 粉摻量明顯改變了高水材料的微觀結(jié)構(gòu)，PE 粉含量較小的改性D 類(lèi)材料試件內(nèi)部呈纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)且孔洞較少，而PE 粉含量較大的改性G 類(lèi)材料試件內(nèi)部呈絮凝塊狀結(jié)構(gòu)且孔洞較多.

（4）改性高水材料的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，表明高水材料用于煤礦充填時(shí)不宜用于傾角較大的煤層.