石膏和細(xì)砂固體混合物抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究

張 菲，劉學(xué)元，郭翰韜，張麗英

(1.山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048200； 2.山西火之源科技有限公司， 山西 太原 030000； 3.山西能源學(xué)院 機(jī)電工程系， 山西 晉中 030600)

巖石是大自然的產(chǎn)物，包括巖塊和巖體，由于自然環(huán)境的影響和地質(zhì)條件的變化，巖石經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期，形成了各種各樣的結(jié)構(gòu)面，這在很大程度上影響了巖體的完整性。巖石強(qiáng)度是巖石在遭受破壞時(shí)所承受的最大應(yīng)力[1]. 巖石強(qiáng)度是巖石工程設(shè)計(jì)時(shí)的重要力學(xué)參數(shù)，巖基是否能承受作用于上方的壩體？洞室開挖后周圍巖石的應(yīng)力增大，圍巖會(huì)不會(huì)發(fā)生破壞？開挖后的高邊坡是否會(huì)發(fā)生坍塌？這些都反映了研究巖石力學(xué)特性的必要性和巖石強(qiáng)度對(duì)于確保巖石工程的穩(wěn)定性、安全性的重要理論價(jià)值和實(shí)踐意義。除此之外，巖石的抗拉強(qiáng)度是衡量掘進(jìn)機(jī)工作適應(yīng)條件的主要參考數(shù)據(jù)。當(dāng)巖石抗拉強(qiáng)度較高時(shí)，截齒破碎巖石的能耗以及作用在截齒上的載荷相對(duì)較高，截齒損耗量相對(duì)較大，反之當(dāng)巖石抗拉強(qiáng)度較低時(shí)，截齒消耗量較低[2].

針對(duì)這些情況，李斌等[3]對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度的5種測(cè)定方法進(jìn)行了對(duì)比性試驗(yàn)研究，用石油鉆井標(biāo)準(zhǔn)巖樣中的重二砂巖(灰白色細(xì)粒含巖屑長(zhǎng)石質(zhì)石英砂巖)為研究對(duì)象，選擇了5種測(cè)試方法簡(jiǎn)單、試件加工容易、試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算成熟的方法研究了巖石抗拉強(qiáng)度并以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析,提出了測(cè)定巖石抗拉強(qiáng)度最有效的方法—對(duì)徑壓縮拉伸法。尤明慶、黃耀光等[4-5]在園盤試件的相對(duì)軸向表面上施加均勻的對(duì)稱載荷，使試件垂直于作用力的面內(nèi)產(chǎn)生均勻的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到巖石抗拉強(qiáng)度時(shí)，最后試件被劈裂破壞，從而測(cè)定出巖石的抗拉強(qiáng)度，也就是巴西劈裂法。

巖石的抗拉強(qiáng)度是巖石試件在單軸張力作用下的極限承載力。在正常的實(shí)驗(yàn)室條件下，被截割下的巖石從井下采集、蠟封、運(yùn)輸、采樣測(cè)定、切割整形到截割試驗(yàn)所需的準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致每次檢驗(yàn)所需的時(shí)間也相對(duì)較長(zhǎng)，被截割下的巖石物理機(jī)械性能的不穩(wěn)定性以及隨時(shí)間推移、氣候變化引起巖石變軟的趨勢(shì)等因素，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的被認(rèn)可程度降低，甚至被研究者質(zhì)疑。因此，亟需研制一種能夠進(jìn)行快速制備，具備短時(shí)物理機(jī)械性能相對(duì)穩(wěn)定且成本低的試驗(yàn)巖石樣本來(lái)替代天然巖樣。

本文旨在為進(jìn)行截割滾筒的磨損試驗(yàn)過(guò)程所需試驗(yàn)材料提供前期探索性研究，并為工程訓(xùn)練中心掘進(jìn)機(jī)截割工作試驗(yàn)場(chǎng)人工煤壁建設(shè)提供一定的試驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[6-10]，實(shí)驗(yàn)采用巴西圓盤劈裂法對(duì)石膏和細(xì)砂固體混合物的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)試件采用圓柱體，直徑宜為48～54 mm，厚度宜為直徑的0.25～0.75倍。試驗(yàn)儀器包括最小分度值為0.02 mm的游標(biāo)卡尺，水平檢測(cè)臺(tái)和精度值不低于一級(jí)的材料試驗(yàn)機(jī)，按標(biāo)準(zhǔn)步驟進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)以石膏和細(xì)砂為主要實(shí)驗(yàn)材料，加入水均勻攪拌后灌入準(zhǔn)備好的圓柱形模具中，待水完全蒸發(fā)后，將石膏和細(xì)砂的固體混合物從模具中脫離出來(lái)。按照上述方法做出石膏和細(xì)砂不同配比的圓柱型樣本，進(jìn)行抗拉試驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，得出不同配比對(duì)樣本抗拉強(qiáng)度的影響，為磨損試驗(yàn)提供前期的參考依據(jù)[11].

2 試驗(yàn)材料的制備

2.1 試驗(yàn)材料的標(biāo)準(zhǔn)

石膏為建筑所用石膏；細(xì)砂為建筑用、通過(guò)帶有邊長(zhǎng)為2.90 mm的正方形孔的篩子篩除下來(lái)的細(xì)砂；模具為PVC管，內(nèi)徑50 mm、高60 mm(留有加工余量10 mm)、壁厚2 mm.

2.2 樣本制備裝置

PVC管、鋸子、篩子、容器、電子秤、電鉆、砂紙、游標(biāo)卡尺等。

2.3 樣本制備過(guò)程

1) 樣本制備前的準(zhǔn)備工作。a) 篩除細(xì)砂中的石子和雜物。b) 將準(zhǔn)備好的PVC管鋸成標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為60 mm的若干節(jié)，留有10 mm的加工余量。在鋸的過(guò)程中，盡量使PVC管兩端面水平，以保證試驗(yàn)樣本的兩端面盡可能水平。將準(zhǔn)備好的若干PVC管作為模具待用。

2) 樣本制備預(yù)備組。考慮到石膏粉的凝固速度較快，所以需要配制一組純石膏試驗(yàn)材料以測(cè)量石膏的凝固時(shí)間和發(fā)現(xiàn)制備樣本中存在的問(wèn)題。取一定體積的石膏粉放入容器中，再向容器中倒入同樣體積的水，快速充分的攪拌，待一段時(shí)間后石膏被攪拌成糊狀，記錄好石膏由粉狀變?yōu)楹隣畹臅r(shí)間(1分35秒)，然后倒入提前放置好的PVC模具中，靜置5～6 h，待樣本完全凝固后從模具中取出，在陽(yáng)光直射和通風(fēng)處放置5～6 h，用砂紙將試驗(yàn)品樣本打磨成標(biāo)準(zhǔn)尺寸(由于樣本在完全干透后，樣本過(guò)硬，無(wú)法進(jìn)行打磨，所以選擇在樣本完全凝固但未完全干透的時(shí)間段進(jìn)行處理)。打磨過(guò)程中盡可能保證樣本兩端面的平行度。接下來(lái)選擇在陽(yáng)光直射和通風(fēng)處放置2天左右(為保證陽(yáng)光充分照射，水分充分蒸發(fā)，一天后要將試驗(yàn)品上下翻轉(zhuǎn))，待樣本中的水完全蒸發(fā)后即可。

測(cè)石膏和細(xì)砂的密度：用硬紙片制作一個(gè)長(zhǎng)方體紙盒，用游標(biāo)卡尺測(cè)量紙盒內(nèi)部的長(zhǎng)、寬、高分別為4.5 cm，4.5 cm，5.0 cm，計(jì)算得紙盒的容積為101.25 cm3,將紙盒放在電子秤上后歸零，再用該紙盒分別裝滿一盒石膏粉和一盒細(xì)砂后，放在電子秤上分別稱重，算得石膏粉的密度為0.903 g/cm3,細(xì)砂的密度為1.444 g/cm3.

3) 預(yù)試驗(yàn)組。由于細(xì)砂的密度遠(yuǎn)大于石膏粉的密度，因此以重量比配制了5組試驗(yàn)材料，進(jìn)行正式試驗(yàn)前的預(yù)試驗(yàn)組樣本的制備。

由于細(xì)砂較容易沉積，先取一定體積的石膏粉于盆中，再按一定的體積比加入細(xì)砂(石膏粉和細(xì)砂的配比和含量見表1)，加入一定量的水后用電動(dòng)攪拌器進(jìn)行充分快速攪拌，1.5～2 min后迅速倒入模具中，隨后進(jìn)行脫模、修整、晾干。按上述制備樣本的過(guò)程，制備預(yù)試驗(yàn)樣本。經(jīng)過(guò)對(duì)預(yù)實(shí)驗(yàn)組的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。經(jīng)分析，數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，表明試驗(yàn)樣本的制備過(guò)程比較合理，不存在較大的人為誤差，下一步將進(jìn)行試驗(yàn)組的樣本制備。

4) 試驗(yàn)組。先取一定體積的石膏粉于盆中，再按一定的體積比加入細(xì)砂(石膏粉和細(xì)砂的配比和含量見表1)，細(xì)砂含量越多越難凝固，由于按比例加細(xì)砂的含量較多且細(xì)砂密度大，易沉積，所以攪拌時(shí)間需2～2.5 min，然后進(jìn)行脫模、修整、晾干，按上述過(guò)程制備1—15組試驗(yàn)樣本。

當(dāng)石膏和細(xì)砂的體積配比達(dá)到1∶2時(shí)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)樣本從模具中脫離出來(lái)后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的日照和風(fēng)干，很難凝固在一起，此時(shí)認(rèn)為該配比達(dá)到了試樣凝固的臨界點(diǎn)，所以試驗(yàn)樣本的制備到15組結(jié)束。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)儀器

用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)的工作條件：

1) 在室溫10 ℃～35 ℃進(jìn)行工作時(shí)，相對(duì)濕度不能大于80%.

表1 試驗(yàn)組各成分含量表

2) 只能在無(wú)震動(dòng)的環(huán)境中進(jìn)行工作。

3) 工作環(huán)境的周圍不允許有腐蝕性介質(zhì)。

4) 連接試驗(yàn)機(jī)的電源電壓的波動(dòng)范圍不允許超過(guò)額定電壓的±10%.

5) 試驗(yàn)機(jī)頻率的波動(dòng)不能超過(guò)額定頻率的2%.

3.2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)過(guò)程

將試驗(yàn)樣本放置在試驗(yàn)機(jī)水平臺(tái)面上的正中位置，手動(dòng)控制試驗(yàn)機(jī)下降，使試驗(yàn)機(jī)剛好接觸試驗(yàn)樣本有一定的預(yù)緊力，使試驗(yàn)樣本無(wú)法移動(dòng)。通過(guò)與試驗(yàn)機(jī)連接的計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，使其對(duì)試驗(yàn)樣本施加徑向載荷。試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)試驗(yàn)樣本的變性過(guò)程進(jìn)行錄像，試驗(yàn)樣本劈裂后，結(jié)束施加載荷。

查看預(yù)試驗(yàn)組的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)各組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，不存在數(shù)據(jù)過(guò)大或過(guò)小的情況，表明預(yù)試驗(yàn)組在試驗(yàn)樣本的制備過(guò)程中和試驗(yàn)時(shí)對(duì)試驗(yàn)機(jī)的操作較為規(guī)范，不存在明顯的人為誤差。鑒于上述結(jié)果，進(jìn)行對(duì)試驗(yàn)組的抗拉試驗(yàn)。

3.3 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

已知抗拉強(qiáng)度的計(jì)算公式為：

στ=2F/πDL

式中：

F—試驗(yàn)樣本受力時(shí)抵抗破壞所受的最大力，N；

D—圓盤直徑，cm；

L—圓盤厚度，cm.

將試驗(yàn)分為15組，每組6個(gè)試樣，分別記錄F的峰值數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算得各組的巴西抗拉強(qiáng)度(BTS)峰值，再將6個(gè)峰值數(shù)據(jù)取平均值,見表2.

表2 BTS 實(shí)驗(yàn)組各組峰值表

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1) 不同物質(zhì)含量、配比方法、制造工藝等因素對(duì)石膏和細(xì)砂固體混合物的抗拉強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。通過(guò)多次試驗(yàn)得出石膏、細(xì)砂和水的體積配比最大不能超過(guò)1∶2∶3，攪拌時(shí)間需2～2.5 min.

2) 含砂量對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響。分別將BTS預(yù)實(shí)驗(yàn)組和實(shí)驗(yàn)組的各組峰值及峰值平均值制成散點(diǎn)圖，見圖1，2.

圖1 BTS試驗(yàn)各組峰值散點(diǎn)圖

從散點(diǎn)圖1，2可以看出，存在個(gè)別組的數(shù)據(jù)過(guò)高或過(guò)低，偏離總體趨勢(shì)線的現(xiàn)象，可能是試驗(yàn)樣本制備時(shí)混合物攪拌不均勻造成的，也可能是試驗(yàn)過(guò)程操作有誤造成的，但并不影響總體趨勢(shì)，表明數(shù)據(jù)分析得出的細(xì)砂體積含量和固體混合物的抗拉強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系較為可靠。

圖2 BTS試驗(yàn)各組峰值平均值散點(diǎn)圖

隨著細(xì)砂體積含量的增加，試驗(yàn)樣本的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，下降趨勢(shì)可以用三次多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，當(dāng)細(xì)砂體積含量達(dá)到40%左右時(shí)，細(xì)砂的體積含量對(duì)試驗(yàn)樣本的抗拉強(qiáng)度的影響程度降低，抗拉強(qiáng)度趨于平穩(wěn),此結(jié)論可作為磨損試驗(yàn)的參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)石膏和細(xì)砂的固體混合物進(jìn)行巴西圓盤劈裂實(shí)驗(yàn)，得到不同物質(zhì)含量、配比方法、制造工藝等因素對(duì)石膏和細(xì)砂的固體混合物的抗拉強(qiáng)度的影響，隨著細(xì)砂體積含量的增加，試驗(yàn)樣本的抗拉強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，當(dāng)細(xì)砂體積含量達(dá)到40%左右時(shí)，抗拉強(qiáng)度趨于平穩(wěn)。為石膏與細(xì)砂固體混合物磨損性能試驗(yàn)和進(jìn)一步研究掘進(jìn)機(jī)截齒磨損性能的影響因素做好了鋪墊。