礦用高水速凝材料結石體材料強度特征的試驗研究

祝賢忠等

【摘 要】高水速凝材料作為一種廣泛應用于各種工程實踐，特別是礦山采空區充填、巷道支護、隧道塌方充填的新型材料，其物理力學性質越來越受到人們的重視，當其作為充填支護材料時，對其強度特征的研究顯得至關重要。同時，當該材料用于采空區充填防止地表沉陷時，由于服務時間長，可能導致材料的長時流變問題，因此研究高水材料結石體強度特征的時間效應是十分必要的。通過研究高水速凝材料強度特征研究，確切掌握強度特征隨時間變化的關系。

【關鍵詞】高水速凝材料；結石體強度；養護時間；單軸抗壓強度；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用于各種工程實踐，特別是礦山采空區充填、巷道支護、隧道塌方充填的新型材料，其物理力學性質越來越受到人們的重視，當其作為充填支護材料時，對其強度特征的研究顯得至關重要。同時，當該材料用于采空區充填防止地表沉陷時，由于服務時間長，可能導致材料的長時流變問題，因此研究高水材料結石體強度特征的時間效應是十分必要的。通過研究高水速凝材料強度特征的研究，確切掌握強度特征與水灰比等參數之間的關系。

1 強度測試過程

1.1 試驗方法及原理

單軸壓縮是材料強度測試的基本方法，該方法測試速度快，數據準確，變形特征明顯。高水速凝材料的強度測試主要采用單軸壓縮實驗方法。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生隨之增大的橫向變形。當軸向荷載增加到試件承受荷載極限時，試件發生破壞。在此過程中，通過數據采集，得到軸向荷載、軸向變形和橫向變形，通過這三組數據計算處理后可以得到應力—應變關系曲線。從曲線上可以分析出，曲線的直線段斜率即為彈性模量，與之對應的橫向應變與縱向應變之比為泊松比。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力值為材料的單軸抗壓強度。抗壓強度、彈性模量和泊松比是材料的主要力學參數。此外，工程上常將50%的抗壓強度值與對應的應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，由于材料的高含水率，在進行加載過程中，材料會出現失水現象，因此，也將材料的抗壓失水率作為測試過程中的主要參數。

高水速凝材料的單軸壓縮實驗是在充分考慮材料的特點與性質下進行的，其測試原理與方法均按照巖石力學測試進行，分析過程中，也將巖石力學分析方法結合應用起來。實驗中考慮測試結果的不均勻性，每組測試取三個試件，將三個試件的測試結果平均值作為該組試驗數據。由于該材料的強度較低，在實驗加載過程中會有水珠流出，因而在測試時，應對設備進行一定的保護。

1.2 設備及加載方式

本次試驗北方民族大學化工學院巖石與混凝土力學實驗系統進行測試。該系統設備精良，確保了實驗的準確性與按時進行。

單軸壓縮實驗加載控制方式：首先安裝試件至試驗機上，手動控制加載至40N～50N使試樣與壓頭接觸，然后正式開始實驗：開始以力控制100N/min的速度加載，中間轉成力控制200N/min的速度加載至峰值，試件變形急劇增大，為保證試驗機安全，在位移達到2.5mm～3mm時轉換為位移控制，直至時間破壞，停止加載，取消試驗機保護。

1.3 試驗過程

試驗中依次按照5：1、6：1、7：1、的水灰比進行測試，測試時嚴格按照步驟進行操作。首先將試件至于實驗機上下壓頭中心，調整球形座，使試件均勻受力，連接好應變片與位移計，調整好應變儀后測讀初值。然后按照加載方式進行加載，并測度記錄加載過程中的荷載及去對應的變形量。最后記錄試件破壞方式、形態和特征。

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，隨著加載的進行，試件表面開始變得濕潤，出現水珠并逐漸匯集到底部流出，表面未出現明顯裂紋。直至加載后期，荷載達到峰值，試件破壞，底部大量出水。部分試件表面出現明顯裂紋，端部破裂成散狀或隆起，直徑明顯增大；部分試件表面出現細微裂紋，裂紋沿軸向逐漸向端部擴張；還有部分試件表面未觀察到裂紋及明顯的破壞現象。

2 數據成果整理

三種水灰比的結石體在不同養護時間的單軸抗壓強度值如表1所示：

三種水灰比的結石體在不同養護時間的彈性模量值如表2所示。

三種水灰比的結石體在不同養護時間的泊松比值如表3所示。

結合抗壓強度和彈性模量分析時發現，當養護時間在7天以前時，抗壓強度、彈性模量都比較大，隨著養護時間的增加，強度參數都趨于穩定。抗壓強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 結束語

結合抗壓強度和彈性模量分析時發現，當養護時間在7天以前時，抗壓強度、彈性模量都比較大，隨著養護時間的增加，強度參數都趨于穩定。抗壓強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】

[1]顏志平，朱贊凌.高水速凝材料-軟土凝固體力學特征的研究[J].華南理工大學學報：自然科學版，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的研究[J]. 煤炭學報，1997，（03）.

[3]鄭娟榮，孫恒虎.pH值對高水固結充填材料凝結性能的影響機理[J].中國礦業大學學報，2000，（03）.

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

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

[6]周華強，王光偉，屈慶賀，等.高水速凝材料容許比壓的實驗研究[J].中國礦業大學學報，2001，（04）.

[7]華心祝.高水速凝材料的力學特性與沿空留巷[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].中國安全科學學報，1997，（04）.

[責任編輯：薛俊歌]

1.3 試驗過程

試驗中依次按照5：1、6：1、7：1、的水灰比進行測試，測試時嚴格按照步驟進行操作。首先將試件至于實驗機上下壓頭中心，調整球形座，使試件均勻受力，連接好應變片與位移計，調整好應變儀后測讀初值。然后按照加載方式進行加載，并測度記錄加載過程中的荷載及去對應的變形量。最后記錄試件破壞方式、形態和特征。

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，隨著加載的進行，試件表面開始變得濕潤，出現水珠并逐漸匯集到底部流出，表面未出現明顯裂紋。直至加載后期，荷載達到峰值，試件破壞，底部大量出水。部分試件表面出現明顯裂紋，端部破裂成散狀或隆起，直徑明顯增大；部分試件表面出現細微裂紋，裂紋沿軸向逐漸向端部擴張；還有部分試件表面未觀察到裂紋及明顯的破壞現象。

2 數據成果整理

三種水灰比的結石體在不同養護時間的單軸抗壓強度值如表1所示：

三種水灰比的結石體在不同養護時間的彈性模量值如表2所示。

三種水灰比的結石體在不同養護時間的泊松比值如表3所示。

結合抗壓強度和彈性模量分析時發現，當養護時間在7天以前時，抗壓強度、彈性模量都比較大，隨著養護時間的增加，強度參數都趨于穩定。抗壓強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 結束語

結合抗壓強度和彈性模量分析時發現，當養護時間在7天以前時，抗壓強度、彈性模量都比較大，隨著養護時間的增加，強度參數都趨于穩定。抗壓強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】

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

[6]周華強，王光偉，屈慶賀，等.高水速凝材料容許比壓的實驗研究[J].中國礦業大學學報，2001，（04）.

[7]華心祝.高水速凝材料的力學特性與沿空留巷[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].中國安全科學學報，1997，（04）.

[責任編輯：薛俊歌]

1.3 試驗過程

試驗中依次按照5：1、6：1、7：1、的水灰比進行測試，測試時嚴格按照步驟進行操作。首先將試件至于實驗機上下壓頭中心，調整球形座，使試件均勻受力，連接好應變片與位移計，調整好應變儀后測讀初值。然后按照加載方式進行加載，并測度記錄加載過程中的荷載及去對應的變形量。最后記錄試件破壞方式、形態和特征。

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，隨著加載的進行，試件表面開始變得濕潤，出現水珠并逐漸匯集到底部流出，表面未出現明顯裂紋。直至加載后期，荷載達到峰值，試件破壞，底部大量出水。部分試件表面出現明顯裂紋，端部破裂成散狀或隆起，直徑明顯增大；部分試件表面出現細微裂紋，裂紋沿軸向逐漸向端部擴張；還有部分試件表面未觀察到裂紋及明顯的破壞現象。

2 數據成果整理

三種水灰比的結石體在不同養護時間的單軸抗壓強度值如表1所示：

三種水灰比的結石體在不同養護時間的彈性模量值如表2所示。

三種水灰比的結石體在不同養護時間的泊松比值如表3所示。

結合抗壓強度和彈性模量分析時發現，當養護時間在7天以前時，抗壓強度、彈性模量都比較大，隨著養護時間的增加，強度參數都趨于穩定。抗壓強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 結束語

結合抗壓強度和彈性模量分析時發現，當養護時間在7天以前時，抗壓強度、彈性模量都比較大，隨著養護時間的增加，強度參數都趨于穩定。抗壓強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】

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

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

[6]周華強，王光偉，屈慶賀，等.高水速凝材料容許比壓的實驗研究[J].中國礦業大學學報，2001，（04）.

[7]華心祝.高水速凝材料的力學特性與沿空留巷[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].中國安全科學學報，1997，（04）.

[責任編輯：薛俊歌]