不同含水率高固水充填材料压缩变形特性研究

不同含水率高固水充填材料压缩变形特性研究不同含水率高固水充填材料压缩变形特性研究 第19卷第2期江苏建筑职业技术学院学报v01 19 22019年6月JIA NGSU VOCATIONALINSTITUTE OFARCHITECTURAL TECHNOLOGYJun 2019不同含水率高固水充填材料压缩变形特性研究 周光明1 马永东2 李晓彤 1 杭州建工集团有限责任公司 浙江 杭州310013 2 中国矿业大学深部岩土与地下工程国家重点实验室 江苏徐州221116 摘要为揭示高固水充填材料压缩变形特性 制备 61 65 69 3种含水率的充填材料 通过室内试验分析其基本 性能 并利用单轴承载试验研究材料抗压稳定性及变形特性 结果 表明高固水充填材料早期强度较高 混合材料凝结时间在30min左右 满足充填要求 材料流动度较好满足运输要求 单轴压缩条件下材 料应力应变曲线宏观上有4个阶段压密阶段 线弹性阶段 屈服阶段 峰后残余变形阶段 材料的弹性模量和割线模量随材料含水率的 增加而明显减小 割线模量线性下降趋势比弹性模量变化特征较缓 随着高固水充填材料含水率增高其黏聚力损失较小 材料整体性 越好 延性变形特征明显 关键词充填材料 承载压缩 稳定性 变形TD823 7文献标志码A2095 3550 2019 02 0001 06Study pressivedeformation1acteristics ofh ig hS tu ov on resslvetie rmatlonClla1111臣 raCterlSUCS0Isolid waterfilling materialswith different moisture contentZHOUGuangmin91 MA Yongdong2 LI Xiaotong2 1 Hangzhou ConstructionEngineering GroupCo Ltd Hangzhou Zhejiang310013 China 2 State KeyLaboratory ofCoal Resourcesand MineSatety China Universityof MinigandTechnology Xuzhou Jiangsu221008 China AbstractIn orderto revealthe pressionand deformationcharacteristics of high watercon tent filling materials the filling material with61 65 and69 water contentwas prepared The basicproperties wereanalyzed throughlaboratory tests and thepressive stabilityanddeformation characteristics of the materials werestudied byuniaxial bearingtests The resultsshowthat theearly strengthof high water contentfilling materialswas high filling requirementsweremet whensetting time1asts30minutes and the materialfluidity wasbetter tomeet thetransportationrequirements Under uniaxialpression the materialstress straincurve hasfourstagespaction stage linear elasticitystage yield stageand post peak residualdeforma tion stage With theincrease ofthe water content the elasticmodulesand secant modulus ofthematerialdecrease obviously and the1inear decreasingtrend ofsecantmodulusiS slowerthan theelasticmodulus With theincrease ofwater contentof high water contentfillingmaterials theloss ofcohesive forceis small thematerialintegrity isbetter and thecharacteristicsofthe due tility deformationareclear Key wordsfillingmaterials bearing pression stability deformation基金项目作者简介E mail2019一04 12国家自然科学基金面上项目 51874289 周光明 男 江苏泰兴人 国家注册一级建造师 主要研究方向为工业与民 用建筑工程项目管理1401012826 qq corn万方数据江苏建筑职业技 术学院学报第19卷为响应国家对环境保护的号召 煤炭行业必须考 虑煤炭资源与环境协调开采问题 实现煤炭资源绿色开采 1 充填 采矿法有提高煤炭回采率 减小地面沉降及控制地压等优点 减小 采煤引起的地面沉降 修复并保护矿区生态环境 越来越受到重视 2q 经过近几十年的发展 高固水材料凭借其流动度高 成本低及 长期稳定性好等特点 并且适用于井下低温 潮湿 封闭的采空环 境 作为一种良好的胶结充填材料得到广泛推广 5 10 目前 在高固水材料的凝结时间 水化硬化机理 化学稳定性 等方面已有大量的研究成果 1卜15 而关于高固水材料在受压环境 下的变形特性研究甚少 针对高固水材料随时间增长带来的充填体 失稳破坏问题 本文从材料的抗压稳定性出发 通过不同含水率高 固水材料的单轴试验 找寻其破坏规律 并分析材料在单轴压缩条 件下的变形特性 1试验设计1 1试验材料高固水材料由甲料 乙料 两种材料组成甲料成分由水泥 粉煤灰 缓凝剂 悬浮剂组成 乙 料由石膏 速凝剂 早强剂组成 其中水泥为硫铝酸盐水泥 主要 矿物组成是由无水硫铝酸钙和硅酸二钙 CS 等矿物 石膏采用的是 二水石膏 粉煤灰的主要成分为二氧化硅 SiO 以及氧化铝 AL O 缓凝剂 速凝剂 悬浮剂和早强剂四种外加剂的加入是为了使材 料性状更加符合现场的充填条件 1 2试验方法试样制备在20 2 的室温下进行 通过控制水固比研究不同含水率高固水材料的强度 性能 试验模具由直径50mm 高100mm的硬质PVC管制作而成 材料 搅拌完成后人模成型 根据现场的实际需求 本文主要针对61 6 5 69 含水率的高固水材料进行单轴压缩试验 试验仪器采用SA NS微机控制电子万能试验机 荷载以0 2mm min的速率匀速加载 直至试件破坏 2高固水充填材料基本性能2 1高固水材料的凝结时 间本次实验最终配备的含水率分别为61 65 69 的高固水充 填材料凝结时间见表1 材料的单浆凝结时间均在12h以上 满足运 输需求 材料混合后凝结时间为30 40min 满足充填要求 且根据 表1可知 材料随着含水率的增加 其总凝结时间略有增长 这是由 于材料混合后 随含水率的增加各分子之间的距离有所增大 但由 于含水率变化不多 其凝结时间差异不大 表1高固水材料的凝结时 间和单浆凝结时间Tab 1Setting timeand slurrysettingtime ofhigh solid water materials2 2高固水材料流动性根据实验要求 现测定6l 65 69 含水率实验甲料的单浆流动度见表2 从表2可以看出 甲料 随时间的变化 流动度会出现逐渐减小的趋势 且含水率越低 流 动度减少越多 但由于悬浮剂和缓凝剂的作用 甲料在12h内均能保 持200mm以上的流动度 可满足运输要求 由于乙料在运输过程中不 会发生水化反应 流动度均能保持在较高水平 12h流动度均在300m m以上 故本次实验并未对其进行跟进记录 表2不同含水率下高固 水材料甲料流动度Tab 2Fluidity ofhigh watercontentmaterial atdifferentmoisture content含水率 甲料流动度 mm 2h4h6h8h10h12h61 400390375 34030524065 400 40039538036031069 400 400 4 00400385365 2 3高固水材料强度性能材料的养护时间对其强度的形成有重要意 义 对于高固水充填材料而言 材料28d内水化反应基本完成 后期 随着时间的增长 材料强度基本保持稳定 如图1所示 材料强度前 期上升较快 8h强度基本达到28d强度的50 以上 属于速凝早强材 料 其早期强度较高 能较好满足充填需求 材料养护1d后 强度 达到28d强度的75 左右 之后水化反应开始放缓 材料在7d时能达 到28d强度的90 以上 由于材料前期内部水化反应完成较快 后期 强度增加趋于平缓 除了高固水材料中水泥含量以外 材料的含水 率对其强度的形成有着不可忽视的作用 实验选用含水率为61 6 5 69 的高固水材料进行对比 根据表3可知 随着材料含水率 的增加 材料强度逐渐降低 这是由于材料含水率越高 其内部孔 隙就越大 受压更容易破坏 但材料含水率越高 其流动性就越好 更有利于材料的泵万方数据第2期周光明 等不同含水率高固水充 填材料压缩变形特性研究送运输 故高固水材料含水率的选取 应 根据井下充填的强度 可泵性 经济可行性等多方面要求设定 芒 善b图1高固水材料28d强度一养护时间关系曲线Fig 1Relationship curveof28d strength andcuring timefor highsolidwatermaterials表3不同含水率材料强度一养护时间关系 表Tab 3Relationship tableof strengthand curingtime ofmaterialswith differentmoisture content含水率 养护时间3d2 581 991 575d2 642 091 703 单轴压缩试验对于养护到标准龄期的3种含水率试样 进行单轴加载 实验研究 每组含水率试样选取3块试样进行实验 根据实验结果 测得每个试样的单轴抗压强度巩 峰值应变 弹性模量E 割线模量E 见表4 根据不同含水率的试样抗压 强度 弹性模量 割线模量的变化 找寻其单轴破坏的规律 根据 单轴应力一应变曲线 描述其破坏特征 表4单轴压缩强度及各项参 数Tab 4Uniaxial pressivestrengthandvarious parametersU65 1U65 2U65 345 2692 0446 0290 2645 3088 38平均值U69 1U69 2U69 346 2089 3446 1287 2845 8491 02平均值从表4可以看出 相同含水率材料的不同试样 在单轴压缩实验中表现出相似特性 其单轴抗压强度 弹性模量差异不大 说明该高固水材料在搅拌 装模 成型时的均匀性较好 相同含水率材料的割线模量 峰值应 变略有差异 这是由于材料在压缩过程中 其压密阶段的时间有所 差异 导致其总应变也有所不同 进而影响了其割线模量 但其差 异对结果影响不大 每种含水率的试样 取3组数据 结果可行 4 单轴压缩变形特性4 1应力应变曲线特征高固水材料的单轴应力一 应变曲线包含了丰富的力学信息 曲线峰值点反应了材料的抗压强 度及变形特征 应力一应变曲线的不同形状也反应了材料的弹性模 量 割线模量 弹塑性能 破坏特征等问题 对养护至28d含水率为 61 65 69 的高固水材料进行单轴压缩实验 绘制的应力一 应变曲线如图2所示 根据曲线变化特征 可以将高固水材料划分为 压密阶段 线弹性阶段 屈服阶段 峰后残余变形阶段 材料加载 初期 应力一应变曲线呈现下凹的形状 即为压密阶段 高固水材 料并未按照理论直接进入线性压缩阶段 这是由于材料含水率较大 其内部孔隙含量较高 在材料单轴加载的初期 会出现孔隙大量 压实的现象 此时材料应变量较大 但其加载应力增长并不十分明 显 随着荷载的增加 材料应力一应变曲线进入线弹性阶段 此时 曲线的斜率基本保持稳定 随着应变的增加 材料的应力呈现线性 增长的趋势 线性增长阶段的斜率即为材料的弹性模量 在这一阶 置万方数据4江苏建筑职业技术学院学报第19卷段 材料内部孔隙及 微裂纹继续被压实 但由于材料处于弹性阶段 尚未发生塑性变形 若此时卸载 试件理论上能恢复原始状态 由于材料含水率不同 其内部孔隙率也有较大差异 材料的弹性模量表现出随含水率增 加而减少的趋势 8 a 61 含水率8 b 65 含水率e c 69 含水率图2高固水充填材料单轴压缩应力一应变关系曲线Fig 2Uniaxial pressionstress strain relationshipcurveofhighwatercontentfillingmaterial随着荷载 的进一步增加 材料荷载达到峰值应力的75 85 时 其应力一 应变曲线进入屈服阶段 试件开始出现塑性变形 此时材料内部孔 隙已基本被压实 随着应力的增加 试件内部开始发育新的微裂纹 并伴随着应力的增加微裂纹逐步扩展 材料内部不断劣化 直至 材料最终破坏 随着材料内部微裂纹的积累与扩展 应力一应变曲 线增长速率减慢 表现出上凸趋势 直至应力峰值点 材料斜率为 零 材料的应力达到峰值时 从其应力应变一曲线可以看出 材料 并未产生脆性破坏 而是出现了一个峰值平台 且材料含水率越高 其峰值强度下降越趋于平缓61 含水率材料峰值平台应变量约占 峰值应变的0 5 左右 65 含水率材料约占峰值应变的1 69 含水率材料峰值平台占峰值应变达到2 以上 这是由于材料含水率 越高 其内部孔隙水对材料的破坏起到了一定的延缓作用 在一定 程度上 孔隙水的存在延缓了微裂纹的贯通时间 材料形成宏观破 坏的速度有所放缓 故含水率越高 材料越趋向于延性破坏 4 2 变形参数特征充填材料用于井下充填支护时 需承载上覆岩层的重 量 充填体在具备足够充填强度的同时 还要具备一定的刚度 使 得材料承载受力时 不致产生较大变形 材料的刚度一般由弹性模 量E来衡量 其数值上等于材料线性变形阶段应力一应变曲线的斜率 材料的弹性模量越大 在相同应力作用下产生的应变就越小 从 而更有利于井下充填支护 材料的弹性模量只是对材料线弹性阶段 刚度的衡量 实验进一步记录了材料的割线模量E 割线模量是材 料应力一应变曲线上 相应于50 抗压强度的点与原点连线的斜率 反映了材料的平均刚度 可以更为准确地描述试样从加载到破坏 整个阶段的平均变形特征 为对材料的研究提供了可靠依据 根据 表4中的实验数据 做出不同含水率下高固水充填材料弹性模量E 与割线模量E 的变化曲线如图3所示 图中可以看出 材料的弹性 模量与割线模量随材料含水率的增加而明显减小 说明随着材料含 水率的增加 其内部孔隙率变大 在相同荷载作用下 孔隙率大的 材料由于孔隙压实量较大 产生的变形就越大 这种应变的积累 在一定程度上加剧了材料的破坏进程 使得材料内部微裂纹的发育 和贯通更快显现 并在相对较低应力水平下产生不可逆的塑性变形 对材料的弹性模量E 用二次函数进行拟合 拟合方程为y一一82 65 2 98z一0 025x2 拟合指数R一0 99 拟合效果较好 根据曲线略呈上凸形状可知 随含水率增加 材料弹性模量减小速度有逐渐加快趋势 说明较 大含水率使材料产生的孔隙 对其弹性模量有较大影响 材料的割 线模量E 也可以用二次函数拟合 拟合方程为y一36 24 0 82x 0 005x2 拟合系数R为0 93 拟合效果相对于弹性模量略 差 其数值也低于弹性模量 约为弹性模量的60 这是由于材万 方数据第2期周光明 等不同含水率高固水充填材料压缩变形特性研 究料在计算割线模量时 加入了材料前期压密阶段 由于初始加载 应力的不同 导致材料压密阶段差异相对较大 进而使材料的割线 模量产生一定的离散性 影响拟合效果 而材料压密阶段的斜率较 小 导致材料割线模量低于其弹性模量 材料的割线模量拟合曲线 更趋向于一次函数 随着材料含水率的增长 其割线模量呈线性下 降趋势 但其下降速率略有减慢 不同于其弹性模量变化特征 材 料的割线模量是其整体刚度的体现 其变化趋势对材料的研究相对 而言更具参考价值 图3材料弹性模量 割线模量与含水率关系Fig 3Relationship diagramof elasticmodulus secantmodulus andmoisturecontentof material4 3单轴压缩强度特征材料的单轴强度特征研究材料基本 力学性能的重要参数 也是井下充填强度最直接的参考依据 在单 轴压缩情况下 材料的残余强度特征十分显著 残余强度又称为剩 余强度或最终强度 即为试样的应力一应变曲线上峰值过后大致趋 于稳定的强度值 不同含水率材料的残余强度如图4 a 所示 材料 在单轴压缩中 不同试样之间破坏形式略有差异 在无侧限的情况 下 材料的残余强度离散性相对较大 二次函数y 35 5 0 96z一0 007x2可对曲线进行描述 拟合系数为0 89 仍呈现出 一定规律性随着含水率的增加 材料的强度降低 其残余强度也随 之下降 其下降速率逐渐减小 图4 b 所示为材料残余强度占其峰 值强度的比值 相比于材料的残余强度 其离散性更大 无法用曲 线描述 但根据图中离散点可知 随着材料含水率的增加 其残余 强度占比有上升的趋势 这是由于材料含水率越高 材料在峰后破 坏之后的过程中 较多的孔隙水的存在 保证了材料粘聚力损失较 小 使得材料的整体性越好 进而呈现出延性变形的特征 含水率 a 残余强度与含水率关系网含水率 h 残余强度一亍比与 含水率天系网图4高固水充填材料单轴残余强度变化Fig 4Variatio n diagramof uniaxialresidual strengthofhighwaterfilling contentmaterial5结论1 高固水充填材料的单浆凝结时间均在12h以 上 材料混合后凝结时间在30分钟左右 材料强度前期上升较快 8 h强度基本达到28d强度的50 以上 属于速凝早强材料 能较好的 满足充填需求 甲 乙料在12h内均能保持较高的流动度 满足运输 要求 2 单轴压缩下高固水材料应力应变曲线宏观特征明显 初期 压密阶段应变较大 但应力增长缓慢 荷载继续增加进人线弹性阶 段 无塑性变形 材料荷载达到峰值应力75 85 时曲线进入屈 服阶段 内部发育新的微裂纹 并随应力增加逐步扩展 峰后残余 变形阶段随着材料含水率的增高 峰值强度下降趋于平缓 3 材料 的弹性模量和割线模量随材料含水率的增加而明显减小 随材料含 水率增加 割线模量呈线性下降趋势 但其下降速率较弹性模量略 慢 不同于其弹性模量变化特征 4 随着材料含水率增加 无侧限 条件下材料的残余强度离散性较大 残余强度占比趋于上升 较多 孑L隙水的存在保证了材料粘聚力损失越小 使材料的整体性较好 呈现出更强的延性变形特征 万方数据江苏建筑职业技术学院学报 第19卷参考文献 1 钱鸣高 许家林 煤炭绿色开采技术 J 中 国矿业大学学报 xx 32 4 343 348 2 刘建功 赵庆彪 煤矿充填采矿理论与技术 M 北京煤炭 工业出版社 xx 3 张吉雄 矸石直接充填综采岩层移动控制及其 应用研究 D 徐州中国矿业大学 xx 4 冯光明 超高水充填材 料及其充填开采技术研究与应用 D 徐州中国矿业大学 xx 5 颜志平 漆泰岳 张连信 等 ZKD高水速凝材料及其泵送充填技术 的研究 J 煤炭学报 1997 22 3 270 275 6 彭美勋 王政 周丽雪 等 矿用高水材料的组分对其性 能与微结构的影响 J1 矿业工程研究 xx 26 3 56 59 7 胡梅梅