石膏-砂相似材料配比试验

2015-01-20甘德清侯永康张亚宾

现代矿业 2015年12期

关键词：模型试验试块单轴

甘德清侯永康张亚宾

(华北理工大学矿业工程学院)

石膏-砂相似材料配比试验

甘德清侯永康张亚宾

(华北理工大学矿业工程学院)

结合多次开采扰动下边坡稳定性的相似模拟研究方法，采用石膏-砂相似材料进行配比试验。根据实际情况，顾及了相似材料的砂膏比和水膏比等2个因素进行配比试验，研究了不同配比对相似材料抗压强度的影响规律。结果表明：当水膏比不变时，相似材料的抗压强度随砂膏比的增大而增大；当砂膏比不变时，抗压强度随水膏比的增大呈现出先增大后减小的规律，当水膏比约1.2时，抗压强度达到了最大值。

相似材料抗压强度砂膏比水膏比抗压强度

在岩土工程应力应变分析中，相似模型试验可较好地模拟复杂工程的施工工艺、荷载作用方式及时间效应等，能够完整地反映出现场施工的受力全过程，有助于解决模拟过程中发生的破坏、裂隙等一些数学分析法不易解决的问题，因而应用较广泛[1-3]。在进行相似模型试验过程中，相似材料的选择以及相似材料及配比对相似模型的物理力学性质影响较大[4-8]。本研究对庙沟铁矿的矿岩进行相似材料模拟，分析在不同材料配比的情况下相似材料物理力学性质的变化规律。

1 相似材料配比试验

选用粉刷石膏(强度小于一般建筑用石膏)、河砂作为模拟材料进行配比研究。

1.1 试验配比

以砂膏比和水膏比为因素进行配比试验，结果表1。

1.2 试块制作

选用室内试验常用的铸铁模具(规格70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm)制作试块，3个试块为1组。试块制作步骤：①根据预先设定的配比进行配料，首先将砂和石膏放入固定容器中，搅拌均匀，然后加入规定量的水继续搅拌，直至搅拌均匀为止；②为方便脱模工作，在试模内均匀涂抹机油，避免出现机油流淌或汇集的现象；③将搅拌均匀的相似材料分2～3次装入试模，压实；④自然环境下放置2 d后脱模，并编号。

1.3 物理力学参数测定

在室内自然环境下对试块养护7 d后，采用HUALONG-WC500型压力机测定了其单轴抗压强度，结果见表2。

表1 石膏-砂相似材料配比及材料质量

表2 石膏-砂相似材料物理力学参数

2 试验结果

2.1 砂膏比对相似材料抗压强度的影响

当水膏比不变时，对比A1、B1、C1(水膏比0.6∶1)，A2、B2、C2(水膏比0.8∶1)，A3、B3、C3(水膏比1∶1)，A4、B4、C4(水膏比1.2∶1)，A5、B5、C5(水膏比1.4∶1)等5组试块的单轴抗压强度，分析当水膏比不变时，砂膏比对试块单轴抗压强度的影响，见图1。

图1 单轴抗压强度与砂膏比的变化曲线

由图1可知：在水膏比固定不变的情况下，试块的单轴抗压强度随砂膏比的增大逐渐减小。一般情况下，在相似材料中，胶结料所占的比例越大，相似材料的抗压强度便越大，在实际应用中，根据具体情况，可通过改变砂膏比来调整相似材料的抗压强度。

2.2 水膏比对相似材料单轴抗压强度的影响

当砂膏比分别为3∶1、4∶1、5∶1时，对比分析A1、A2、A3、A4、A5(砂膏比3∶1)，B1、B2、B3、B4、B5(砂膏比4∶1)，C1、C2、C3、C4、C5(砂膏比5∶1)等3组试块的单轴抗压强度的变化情况，结果见图2。

图2 单轴抗压强度与水膏比的变化曲线

由图2可知：当砂膏比一定时，试块的单轴抗压强度随水膏比的增大，呈先增大后减小的趋势，当水膏比约1.2∶1时，试块的单轴抗压强度达到最大；当水膏比超过1.2∶1继续增大时，试块的抗压强度呈减小的趋势。

由于石膏遇水后形成半水石膏，半水石膏与水化合形成二水石膏并析出(由于二水石膏的溶解度特别低)，随着用水量的增加，半水石膏一直减少直至全部水化完毕，自由水分也随着水化作用逐渐耗尽。若用水量超过其完全水化所需的水分，则多余水分蒸发后，在相似材料中留下孔隙，降低了抗压强度。因此，上述试验结果所反映的试块单轴抗压强度的变化规律与理论分析基本一致。