石膏类相似材料的配比试验研究

2013-09-07杨仁树张宇菲杨立云吴亚磊马佳辉

中国矿业 2013年10期

杨仁树，张宇菲，杨立云，吴亚磊，马佳辉

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京100083）

相似模拟试验具有研究周期短、成本低、试验结果形象直观等特点，是室内研究经常采用的一种实验研究方法，并且该试验方法已在岩层移动与覆岩破坏规律的研究中得到了较广泛的应用［1－5］。在相似模型试验研究中，选择合理的相似模拟材料是进行模型试验的第一步，也是试验成功的关键，具有相当重要的意义［6］。目前，我国许多科研机构和学者开展了这方面的研究工作。韩伯鲤等［7］用重晶石粉、胶膜铁粉和松香酒精溶液进行混合得到的相似材料（简称MIB），其弹性模量可根据胶膜厚度进行调整。由于MIB材料的抗剪强度接近于天然岩体的抗剪强度特性，所以该材料可以更好的模拟围岩洞室的破坏形态。陈从新等［8］采用石英砂、石膏和水泥来模拟灰岩，研究了相似材料中骨料与胶结物的配比、胶结物中胶结材料的配比及不同的养护方式对试块强度的影响规律。张强勇等［9］研制出一种新型铁晶砂胶结岩土相似材料，材料以铁矿粉、重晶石粉和石英砂作为主料，松香酒精溶液作为胶结剂，石膏粉作为调节剂。由于该材料重度高且力学参数变化范围广，可以用来模拟从软岩到硬岩的大部分岩体材料。马芳平等［10］研究出一种NIOS地质力学模型材料，其由磁铁矿精矿粉、河砂、粘结剂石膏、拌合用水及添加剂组成，该材料重度大、价格低廉、性能稳定，但不能重复利用。于国新［11］在模拟西安地区断裂构造活动性时，选用重晶石、石膏、石英砂、水和乳胶的混合物作为基本的模型材料，甘油，柠檬酸作为辅料剂，制得的这种材料价廉易得，但在加入白乳胶后，模型某些部位易产生裂纹，从而影响材料力学特性。此外，还有采用石膏、硅藻土和水配合而成的相似材料［12］。用该相似材料可以模拟部分沉积岩，为进一步研究分形节理岩体的力学性能打下坚实的基础。上述岩土相似材料普遍存在的不足：相似材料重度低、干燥时间慢、力学参数变化范围窄。

中国矿业大学（北京）新近建立了一套大型三维矿山建设模型试验系统，其模型尺寸达2000mm×2000mm×1200mm，最大载荷5MPa，可以实现三轴约束加载，应用于深部矿井建设工程方面的科研与教学。本文依据相似理论的基本原理，结合具体的试验设备条件和工程实例，针对石膏类相似材料进行试验研究。分组测定不同类别材料的力学参数，分析一般规律，得出适用于煤与软岩等岩体的配比值，为进行大型地质力学模型试验做准备。

1 试验过程

1.1 试验背景

模型试验背景为某矿的回采巷道，煤层平均厚度7.38m，结构复杂，掘断面积为15.3m2。根据相似模拟理论，建立巷道模型，进行实验室试验。模型试验加载形式为顶部和两侧加载，模拟实际的垂直应力和水平应力。荷载由模型架四周的均布液压加载系统提供。模型尺寸为160cm×160cm×40cm，边界最大荷载集度达到5MPa。在此试验中，几何相似比为CL＝17。即实际巷道断面尺寸为5.1m×3m，计算得模型巷道断面为30cm×17.6cm。其影响参数还包括外载P（N／cm2）巷道几何尺寸L（m）；材料容重γ（KN／cm3）；弹性模量E（N／cm2）；泊松比μ；抗压强度σc（N／cm2）；应力σ（N／cm2）；位移δ（m）等。

通过多次试验可总结出经验值，即如果模型在边界上的最大荷载集度为5MPa，那么真实施加在试验模型巷道周围的压力会削减至1MPa左右。因此，为达到较为理想的试验效果，就务必要选择合适的相似材料。理想相似材料的单轴抗压强度应在0.5～1MPa，泊松比为0.3～0.5，重度范围可调性较大。

针对以上要求，进一步对石膏类相似材料的配比进行试验研究。通过对标准试件进行单轴抗压强度试验和直剪试验，找出各相似材料成分配比对试件σc、σt、γ与E 的影响特征，选取适合大型地质力学模型试验的配比值范围。

1.2 试件的制作

材料的力学试验是非常关键的，为了研究石膏类相似材料的配比，本文使用了一套特制模具，Φ50mm×100mm的圆形双开铝质模具，其实物如图1所示。试模的内表面应机械加工，不平度不超过0.05mm。组装后各相邻部件咬合紧密，以防在试件制作时出现渗液或塌落情况。

试件制作过程如下：①根据预先确定好的配比，计算出每次试验中砂、水泥、水和石膏的用量。必要时需要考虑砂中的含水量；②称量出各组分的用量，备用；③准备试模。在试模内均匀的涂抹硅油，以便脱模；④将砂、水泥、石膏依次装入料斗，后徐徐加入定量的水，持续搅拌2～3min后静置；⑤向试模内一次性注满混合浆液，装料时应用抹刀沿试模内壁略加插捣并使浆液稍高于试模；⑥将玻璃板压盖在试模上，挤除气泡，刮除多余拌合物，并用刮刀抹平；⑦静置约30min后脱模，及时清洗试模并涂抹硅油防锈；⑧试样制作好后，在室内自然养护14天左右。

制作好的标准模型试件如图2～4所示。

图1 石膏试件制作模具图

图2 石膏标准试件

1.3 试件测试方法

1.3.1 抗压强度的测试方法

用砂纸打磨好试件表面后，测量尺寸（精确至1mm），称量质量。然后将试件放在试验机下压板上，使承压板和试件的顶面垂直，试样中心应与试验机上下压板的中心对准，如图5所示。开机后应注意使接触面均衡受压，不能有应力集中的区域出现。调节加荷速度至0.5kN／s，这样可以使贴在试件表面的应变片得到充分变形，并且可以在试验过程中得到多组可用的数据。当试件接近破坏出现大变形时，即刻停止调节试验机的油门，直至试样破坏为止。

图3 砂－石膏标准试件

图4 水泥－石膏标准试件

试件抗压强度的计算精确至0.1MPa。取三个测量值的算术平均值作为该组试件的抗压强度值。三个测量值中的最大值或最小值中如果有一个与中间值的差值超过中间值的20%，则把最大值以及最小值一并舍弃，取中间值作为该组试件的抗压强度值。如果两个测量值与中间值的差值均超过中间值的20%，则该组试验结果无效。

1.3.2 抗剪强度的测试方法

本文采用应变控制式直剪仪进行试验，简便易行。试验时首先检查上下切盒并按规程放入土样，然后依次放入透水石和传压板，使框架传压螺钉对准钢球中心，如图6所示。摇动手柄（15s／r），务必以匀速推动试样，百分表将显示实时位移值，量力环测定抗剪强度值。

用同一种配比制成3个试样，对每个试样施加不同的围压σ3，可分别求得剪切破坏时对应的最大主应力σ1，将试验结果绘成一组莫尔圆，如图7所示。

图5 试件单轴抗压强度的测定

图6 试件抗剪强度的测定

图7 莫尔圆及莫尔强度包络线

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

按上述试验步骤及测试方法完成室内试验，结果见表1～3。

由于纯石膏材料的重度相对较低，且弹性模量可调节范围不大，因而应用时受到一定限制。试验中，通过在石膏中加入其他原料，可使石膏类混合材料的弹性模量达到（0.05～10）×103MPa，泊松比达到0.15～0.25，压拉强度比达到5～12。大大改善了材料的力学特性，适用性也显著提高。

表1 纯石膏标准试件的材料力学参数

表2 砂和石膏标准试件的材料力学参数

表3 水泥、砂和石膏标准试件的材料力学参数

2.2 影响石膏类相似材料性质的因素分析

影响石膏类相似材料性质的因素很多，以砂和石膏混合材料为例进行分析，可大致分为以下几个方面。

2.2.1 密度

试件的密度对其强度、弹性模量等均有很大影响。改变密度往往可使试件的大部分力学参数发生改变。一般地，密度增大则材料的单轴抗压强度增加，增长趋势如图8所示。在掺砂量与水膏比不变的前提下，密度的增长意味着材料密实度的增高，即孔隙率下降、粘结性下降、颗粒间的相互作用增强。在制作试件的过程中，可以通过改变骨料种类和成型压力来控制密度的变化。在具体试验时，可通过相似比和实际煤、软岩的密度进行筛选，选择出适当的配比值。

2.2.2 拌合水量

拌合水量是指试件成型时的用水量。在石膏类混合材料中，对拌合水量有一定的要求。拌合水量过大，成型时会有石膏溶液溢出，使掺砂量与水膏比发生改变，导致材料不能满足设计要求；拌合水量过小，成型后材料松散，也不能满足设计要求。同时，当拌合水量过大甚至超过石膏水化作用需要的水时，试件干燥过程中就会形成多孔结构，使试件密实度降低，各项强度指标也相应降低。在满足成型要求的范围内，往往通过改变拌合水量来调整材料的力学指标。图9反映了试件的拌合水量与强度间的关系。强度的峰值在水膏比约为0.8时出现；当水膏比小于0.6或大于1.2时，强度过低，对应的配比值不予考虑。所以，在实际试验过程中，比较适宜选取石膏比在0.8～1.0范围内的配比值，强度满足要求而且试件易制作成型。

图8 密度－单轴抗压强度曲线

图9 水膏比－单轴抗压强度曲线

2.2.3 砂膏比

试件的强度随砂膏比的改变呈明显的非线性变化，如图10所示。由于砂子含量的增高相应降低了石膏的含量，导致材料粘结强度的削弱。当砂膏比为3∶1～8∶1时，试样的强度稳步升高；当砂膏比大于8∶1时，材料松散，试件制备困难且强度迅速降低；当砂膏比小于3∶1时，材料可能出现结块现象，初期强度稍有回落，后期强度又逐渐增大。所以，在实际试验中，往往考虑选取砂膏比在3∶1～8∶1之间的配比值。

2.2.4 砂的粒径（目数）

较大颗粒的砂（特别是砂本身的强度较高时），通常可使试件的内摩擦角增大。反之，颗粒越细，试件的内摩擦角越小，变化趋势如图11所示。试验时，由于含有较大颗粒的石英砂，试件表面比较粗糙，需处理后才可以粘贴应变片。

图10 砂膏比－单轴抗压强度曲线

图11 石英砂目数对试件内摩擦角的影响曲线

2.2.5 其他因素

其他的影响因素还包括砂子的级配、试件制备时搅拌及振动的影响、试件成型后的养护条件等。例如：砂子的粒径均匀时，材料的孔隙率大，颗粒间的棱角锁连作用不良，胶结不实，材料强度低。反之，良好的级配可提高材料的密实度，增大内摩擦角，使材料强度增加。此外，搅拌程度和振动强度会对石膏类相似材料的强度产生影响。制作过程中要严格遵守试验规程，特别是要把握好试验搅拌和振动的时间，尽可能使每次试验的拌合情况一致。试件的养护条件包括标准温度和标准湿度，标准的养护条件为20±3℃，相对湿度为50±4℃。但根据收集的资料看，石膏类相似材料中的各组分在凝结过程中凝结时间存在差异，使它们的强度在不同湿度的养护条件下的强度基本趋于一致。所以可以不将养护条件作为一个影响因素来加以考虑。

当然，影响试件性质的因素还有一些，如试件制备及试验时的温度、砂的洁净程度、原料的含水量、拌合质量、原料的均匀性等。这些影响因素将在后期试验中进行观察总结。