礦區(qū)開采玄武巖的力學(xué)性能試驗(yàn)分析

高詩龍，文 潔，謝曉露，皮慶柏，郜國(guó)凱

(1.貴州省安順公路管理局，貴州 安順 561000； 2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

在土木工程領(lǐng)域，基礎(chǔ)建筑材料的性能是影響建筑安全性的重要指標(biāo)。如何提升建筑材料的應(yīng)用性能成為建筑行業(yè)當(dāng)前需要解決的重點(diǎn)問題。目前，玄武巖是我國(guó)大力推廣的一種建筑材料，現(xiàn)應(yīng)用在大量的混凝土建筑工程[1-2]。玄武巖是修理公路、鐵路中應(yīng)用較為廣泛的材料，其具有耐磨、持水量小、抗腐蝕性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用其完成大型工程項(xiàng)目，滿足可持續(xù)發(fā)展的全部要求，具有一定的現(xiàn)實(shí)價(jià)值與意義。但當(dāng)前玄武巖的應(yīng)用的過程中，由于對(duì)其力學(xué)性能研究層面較淺，無法根據(jù)力學(xué)性能對(duì)其制造加工，時(shí)常造成玄武巖制品易斷裂、易損的問題[3-5]。為了更好地實(shí)現(xiàn)玄武巖的應(yīng)用，需要對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行更加細(xì)致的研究。

玄武巖具有非常優(yōu)良的物理及力學(xué)性能，自確定玄武巖可應(yīng)用到建筑工程中，便激起了專家學(xué)者們對(duì)玄武巖材料研究的興趣，但此項(xiàng)研究由于開始較晚，到如今玄武巖的性能研究已經(jīng)成為了建筑領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題[6-7]。研究中將礦區(qū)開采出的玄武巖作為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)不同尺寸的玄武巖顆粒樣品力學(xué)性能試驗(yàn)，探討玄武巖力學(xué)性能的期望值以及應(yīng)用中的臨界值。根據(jù)研究所得結(jié)果，確定日后建筑工程中玄武巖的基礎(chǔ)性能參數(shù)，實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)玄武巖材料使用壽命，環(huán)境保護(hù)、節(jié)約混凝土的研究目標(biāo)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

本次試驗(yàn)中需要對(duì)礦區(qū)開采玄武巖的力學(xué)性能進(jìn)行分析，在試驗(yàn)過程中需要使用到大量的力學(xué)性能試驗(yàn)設(shè)備以及試件制備設(shè)備。經(jīng)過系統(tǒng)分析后，試驗(yàn)設(shè)備選型結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)儀器選型結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical of selection results of experimental instruments

由于研究?jī)H對(duì)玄武巖的力學(xué)性能進(jìn)行分析，試驗(yàn)中未設(shè)定試驗(yàn)試劑，僅需要將上述選定的設(shè)備安裝到實(shí)驗(yàn)室中即可。

1.2 測(cè)定條件

以峨眉山玄武巖組礦山開采得到的玄武巖作為試驗(yàn)材料，樣品原始粒徑為70 mm，對(duì)原始樣品進(jìn)行深加工，經(jīng)粗碎、中細(xì)碎、制砂等環(huán)節(jié)制備試驗(yàn)樣品。

(1)根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)要求[8-9]，在本次研究中將樣本設(shè)定為每組5個(gè)試件，玄武巖最大粒徑未超過15 mm。

(2)實(shí)驗(yàn)室平均溫度控制在25 ℃左右，濕度控制在55%左右。

(3)裂縫寬度觀測(cè)儀最小測(cè)量單位設(shè)定為0.1 mm。

2 試驗(yàn)步驟

2.1 樣品制備

試驗(yàn)中將礦區(qū)開采得到的玄武巖劃分為粗集料與細(xì)集料，其規(guī)格分別為0～2、2～5、5～8、8～10、10～15 mm。為提升試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)粗集料與細(xì)集料進(jìn)行篩分、水洗處理，劃分為8個(gè)尺寸，分別設(shè)定為本次試驗(yàn)中使用的8個(gè)樣本。具體集料劃分結(jié)果見表2。

表2 試驗(yàn)樣本Tab.2 Test samples

在試件制作過程中，需要注意攪拌方式以及制備時(shí)間的掌控，這些因素都會(huì)影響到玄武巖的性能[10-11]。在試件制備完成后，對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，保證試件中存在合適的距離，養(yǎng)護(hù)期間保證試件具有充足的含水量。

2.2 樣品測(cè)定

在進(jìn)行試驗(yàn)操作前，首先對(duì)樣品的相關(guān)物理性能及指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，所得統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 樣品物理指標(biāo)及性能統(tǒng)計(jì)Tab.3 Physical indexes and performance statistics of samples

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后可以確定，此次研究中使用的樣本符合玄武巖的采樣要求，可使用此部分樣本完成試驗(yàn)測(cè)試的整體操作過程，并將所得試驗(yàn)結(jié)果作為礦區(qū)開采玄武巖的力學(xué)性能試驗(yàn)分析進(jìn)行輸出。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 樣本處理

3.1.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

本試驗(yàn)環(huán)節(jié)采用壓力機(jī)完成，將其量程設(shè)定為0～4 000 kN，并且將其壓力檔位調(diào)整為2 500 kN，選用樣本立方體試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過程如圖1所示。

圖1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試環(huán)境Fig.1 Test environment of compressive strength

根據(jù)已有抗壓強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，將測(cè)試強(qiáng)度設(shè)定為C40，加載速度設(shè)定為0.5 MPa/s[12-13]。確定各組試件的抗壓強(qiáng)度，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)分析。

3.1.2 抗壓強(qiáng)度試件形態(tài)測(cè)試

在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)后，隨著壓力機(jī)施加的荷載不斷增加，樣品會(huì)出現(xiàn)剝落、斷裂的情況。為了更好地完成力學(xué)性能分析，在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)完成后，使用電子顯微鏡對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析試件的破壞過程與形態(tài)特征。

3.1.3 抗折強(qiáng)度測(cè)試

將試件的側(cè)面作為本次試驗(yàn)的荷載承接面，將其放置到試驗(yàn)機(jī)的基座上，具體測(cè)試操作過程如圖2所示。按照?qǐng)D2中內(nèi)容檢測(cè)基座與壓頭的位置，保證測(cè)試中全部間距誤差不超過0.5 mm。

圖2 抗折強(qiáng)度測(cè)試環(huán)境Fig.2 Test environment of bending strength

在測(cè)試過程中，對(duì)試件施加均勻、連續(xù)的荷載。加載速度控制在每秒0.10 MPa，當(dāng)試件出現(xiàn)裂紋時(shí)，關(guān)閉試驗(yàn)機(jī)[14-16]。直至試件破壞，記錄破壞時(shí)的荷載值，對(duì)試件的抗折強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，完成此指標(biāo)的分析過程。

3.1.4 抗彎強(qiáng)度測(cè)試

由于研究中采用的樣本差異性較大，在試驗(yàn)過程中需要實(shí)時(shí)記錄加載過程中樣本各個(gè)位置的應(yīng)變[17-18]，得到樣本的抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。此次測(cè)試中設(shè)備與試件的安裝位置如圖3所示。此次研究中使用彎曲彈性模量指標(biāo)[19-20]完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析過程，統(tǒng)計(jì)分析試件抗彎強(qiáng)度值。

圖3 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)示意Fig.3 Schematic diagram of bending strength test

3.1.5 試驗(yàn)周期及數(shù)據(jù)整理

在上述試驗(yàn)過程中，將試驗(yàn)周期設(shè)定為7 d，分別對(duì)比剛剛開采出的玄武巖與開采出7 d后的玄武巖進(jìn)行上述力學(xué)性能測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

本次試驗(yàn)中，測(cè)試結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后1位。由于每個(gè)測(cè)試組中含有5個(gè)試件，將5個(gè)試件的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果輸出。如計(jì)算結(jié)果大于試件試驗(yàn)結(jié)果中間值的10%，則將此試驗(yàn)結(jié)果剔除，以此保證試驗(yàn)結(jié)果的可控性與真實(shí)性。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分析

在抗壓強(qiáng)度測(cè)試中將測(cè)試過程劃分為2個(gè)環(huán)節(jié)完成，所得測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 玄武巖抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.4 Test results of basalt compressive strength

由表4可知，玄武巖的抗壓能力相對(duì)較好，且玄武巖的抗壓強(qiáng)度與玄武巖顆粒尺寸相關(guān)。當(dāng)樣本顆粒尺寸下降時(shí)，樣本的抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸增加。當(dāng)樣本放置一段時(shí)間后，其抗壓強(qiáng)度發(fā)生明顯的變化，由此可以證實(shí)玄武巖的抗壓強(qiáng)度與放置時(shí)間也存在相應(yīng)的聯(lián)系。在0 d測(cè)試過程中，當(dāng)施加的荷載量達(dá)到90 MPa時(shí)，樣本出現(xiàn)裂紋；當(dāng)施加的荷載量超過150 MPa時(shí)，樣本出現(xiàn)斷裂；在7 d測(cè)試過程中，當(dāng)施加的荷載量達(dá)到50 MPa時(shí)，樣本出現(xiàn)裂紋；當(dāng)施加的荷載量超過80 MPa時(shí)，樣本出現(xiàn)斷裂。由此測(cè)試結(jié)果可以得到玄武巖抗壓強(qiáng)度臨界值[19-20]。

3.2.2 抗壓強(qiáng)度試件形態(tài)測(cè)試結(jié)果分析

抗壓強(qiáng)度試件形態(tài)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 抗壓強(qiáng)度試件形態(tài)測(cè)試結(jié)果Fig.4 Shape test results of compressive strength specimen

為了降低測(cè)試的分析難度，僅選用粗集料與細(xì)集料中的單一代表樣本作為此次測(cè)試對(duì)象。對(duì)上述測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，0 d測(cè)試環(huán)境中，隨著荷載的增加，粗集料試件的表面出現(xiàn)了剝落現(xiàn)象，樣本裂縫由邊角逐漸向中心點(diǎn)發(fā)展。細(xì)集料樣本的韌性較高，盡管加載后出現(xiàn)剝落的現(xiàn)象，但整體損壞過程較為緩慢，最終斷裂時(shí)也表現(xiàn)出較好的完整性。當(dāng)試驗(yàn)周期進(jìn)行到7 d時(shí)，所得測(cè)試結(jié)果與0 d相同，從側(cè)面證實(shí)了玄武巖抗壓強(qiáng)度與玄武巖顆粒尺寸相關(guān)。使用裂縫寬度觀測(cè)儀對(duì)樣本的裂縫進(jìn)行測(cè)量，最佳阻裂效果程度為15 mm。

3.2.3 抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分析

玄武巖抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表5。由表5可知，對(duì)于剛剛開采的樣本而言，當(dāng)其顆粒尺寸較小時(shí)，其抗折強(qiáng)度相對(duì)較高；樣本顆粒尺寸較大時(shí)，其抗折強(qiáng)度相對(duì)較低。在樣本顆粒尺寸達(dá)到最小取值時(shí)，抗折強(qiáng)度反而降低。引用以往研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玄武巖顆粒得到一定的尺寸時(shí)，玄武巖樣本會(huì)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其可承載壓力的面積增大。但玄武巖顆粒過為細(xì)膩時(shí)，樣本內(nèi)部容易出現(xiàn)孔隙與裂縫，因此，當(dāng)樣本顆粒尺寸超過最佳尺寸時(shí)，會(huì)降低玄武巖的抗折強(qiáng)度。

表5 玄武巖抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.5 Test results of flexural strength of basalt

3.2.4 抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果分析

玄武巖抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 玄武巖抗彎強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果Tab.6 Test results of bending strength of basalt

由表6可知，隨著樣本顆粒尺寸的降低，樣本的抗彎強(qiáng)度隨著顆粒尺寸變化反向增長(zhǎng)。對(duì)測(cè)試周期結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，剛剛開采的玄武巖樣本抗彎強(qiáng)度高于放置7 d后的玄武巖樣本。已知，樣本的抗彎強(qiáng)度是樣本彈性模量、剛度以及巖性綜合作用下得到的力學(xué)性能。因此，通過上述測(cè)試結(jié)果可以確定，樣本彈性模量、剛度以及巖性會(huì)隨著樣本顆粒大小以及放置時(shí)間發(fā)生變化，且顆粒較小、放置時(shí)間較短的樣本抗彎強(qiáng)度更大。

4 討論

分析上述試驗(yàn)結(jié)論可知，玄武巖具有良好的抗壓性能，玄武巖的粒徑大小與玄武巖的抗壓強(qiáng)度有關(guān)。樣品粒徑減小，樣品的抗壓強(qiáng)度隨著樣品粒徑的減小而增加。試件放置一段時(shí)間后，玄武巖的抗壓強(qiáng)度發(fā)生明顯變化，發(fā)生斷裂。試驗(yàn)結(jié)果表明，在0 d試驗(yàn)環(huán)境下，粗骨料試樣表面剝落，試樣裂紋從邊緣向中心延伸。細(xì)骨料樣品具有很高的延展性，盡管在負(fù)載下會(huì)發(fā)生分層，但整體故障率較慢，最終斷裂仍保持良好的完整性。在抗彎強(qiáng)度方面，玄武巖粒徑越小，玄武巖抗彎強(qiáng)度越高，試樣粒徑越大，玄武巖抗彎強(qiáng)度越低。當(dāng)樣品的粒徑最小時(shí)，試件的抗彎強(qiáng)度降低。在抗彎強(qiáng)度方面，隨著樣品粒徑的減小，樣品的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。

玄武巖粒徑越大，玄武巖樣品會(huì)形成更多的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，玄武巖受力面積越大。但是由于玄武巖顆粒太細(xì)，樣品內(nèi)部容易產(chǎn)生空隙和裂縫。當(dāng)樣品粒徑大于理想粒徑時(shí)，玄武巖的抗彎強(qiáng)度會(huì)降低。樣品的彈性模量、剛度和巖性隨樣品粒徑和儲(chǔ)存時(shí)間的變化而變化，顆粒越小、儲(chǔ)存時(shí)間越短的樣品抗彎強(qiáng)度越高。

5 結(jié)論

玄武巖是一種新型建筑材料，其在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還不是很廣泛。玄武巖作為一種復(fù)合型材料，其組成成分較為復(fù)雜，影響因素較多。為了探究礦區(qū)開采玄武巖的力學(xué)特性，依照當(dāng)前研究結(jié)果設(shè)定了多輪測(cè)試環(huán)節(jié)。根據(jù)試驗(yàn)研究?jī)?nèi)容以及理論分析，得到下述結(jié)論：

(1)玄武巖的力學(xué)特征與玄武巖的顆粒尺寸具有直接關(guān)系，且玄武巖加工后存放時(shí)間越短，力學(xué)性能越好。玄武巖最佳阻裂效果長(zhǎng)度為15 mm。

(2)玄武巖顆粒尺寸為最佳尺寸時(shí)，可有效降低玄武巖斷裂情況，提升玄武巖抗壓、抗彎、抗折能力。

(3)玄武巖的價(jià)格相對(duì)較低，在日常使用中需要及時(shí)對(duì)其表面進(jìn)行防護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用，在本次研究中對(duì)其力學(xué)特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析，但由于時(shí)間以及技術(shù)上的限制，在日后需要對(duì)其進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。