石膏和细砂固体混合物抗拉强度试验研究

张 菲，刘学元，郭翰韬，张丽英

(1.山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司， 山西 晋城 048200； 2.山西火之源科技有限公司， 山西 太原 030000； 3.山西能源学院 机电工程系， 山西 晋中 030600)

岩石是大自然的产物，包括岩块和岩体，由于自然环境的影响和地质条件的变化，岩石经过漫长的历史时期，形成了各种各样的结构面，这在很大程度上影响了岩体的完整性。岩石强度是岩石在遭受破坏时所承受的最大应力[1]. 岩石强度是岩石工程设计时的重要力学参数，岩基是否能承受作用于上方的坝体？洞室开挖后周围岩石的应力增大，围岩会不会发生破坏？开挖后的高边坡是否会发生坍塌？这些都反映了研究岩石力学特性的必要性和岩石强度对于确保岩石工程的稳定性、安全性的重要理论价值和实践意义。除此之外，岩石的抗拉强度是衡量掘进机工作适应条件的主要参考数据。当岩石抗拉强度较高时，截齿破碎岩石的能耗以及作用在截齿上的载荷相对较高，截齿损耗量相对较大，反之当岩石抗拉强度较低时，截齿消耗量较低[2].

针对这些情况，李斌等[3]对岩石抗拉强度的5种测定方法进行了对比性试验研究，用石油钻井标准岩样中的重二砂岩(灰白色细粒含岩屑长石质石英砂岩)为研究对象，选择了5种测试方法简单、试件加工容易、试验结果计算成熟的方法研究了岩石抗拉强度并以试验数据为依据，经数理统计分析,提出了测定岩石抗拉强度最有效的方法—对径压缩拉伸法。尤明庆、黄耀光等[4-5]在园盘试件的相对轴向表面上施加均匀的对称载荷，使试件垂直于作用力的面内产生均匀的拉应力，当拉应力达到岩石抗拉强度时，最后试件被劈裂破坏，从而测定出岩石的抗拉强度，也就是巴西劈裂法。

岩石的抗拉强度是岩石试件在单轴张力作用下的极限承载力。在正常的实验室条件下，被截割下的岩石从井下采集、蜡封、运输、采样测定、切割整形到截割试验所需的准备时间过长，导致每次检验所需的时间也相对较长，被截割下的岩石物理机械性能的不稳定性以及随时间推移、气候变化引起岩石变软的趋势等因素，导致试验结果的被认可程度降低，甚至被研究者质疑。因此，亟需研制一种能够进行快速制备，具备短时物理机械性能相对稳定且成本低的试验岩石样本来替代天然岩样。

本文旨在为进行截割滚筒的磨损试验过程所需试验材料提供前期探索性研究，并为工程训练中心掘进机截割工作试验场人工煤壁建设提供一定的试验参考数据。

1 试验方法

通过查阅相关文献[6-10]，实验采用巴西圆盘劈裂法对石膏和细砂固体混合物的抗拉强度进行试验,标准试件采用圆柱体，直径宜为48～54 mm，厚度宜为直径的0.25～0.75倍。试验仪器包括最小分度值为0.02 mm的游标卡尺，水平检测台和精度值不低于一级的材料试验机，按标准步骤进行试验。

试验以石膏和细砂为主要实验材料，加入水均匀搅拌后灌入准备好的圆柱形模具中，待水完全蒸发后，将石膏和细砂的固体混合物从模具中脱离出来。按照上述方法做出石膏和细砂不同配比的圆柱型样本，进行抗拉试验，记录实验数据并进行分析，得出不同配比对样本抗拉强度的影响，为磨损试验提供前期的参考依据[11].

2 试验材料的制备

2.1 试验材料的标准

石膏为建筑所用石膏；细砂为建筑用、通过带有边长为2.90 mm的正方形孔的筛子筛除下来的细砂；模具为PVC管，内径50 mm、高60 mm(留有加工余量10 mm)、壁厚2 mm.

2.2 样本制备装置

PVC管、锯子、筛子、容器、电子秤、电钻、砂纸、游标卡尺等。

2.3 样本制备过程

1) 样本制备前的准备工作。a) 筛除细砂中的石子和杂物。b) 将准备好的PVC管锯成标准长度为60 mm的若干节，留有10 mm的加工余量。在锯的过程中，尽量使PVC管两端面水平，以保证试验样本的两端面尽可能水平。将准备好的若干PVC管作为模具待用。

2) 样本制备预备组。考虑到石膏粉的凝固速度较快，所以需要配制一组纯石膏试验材料以测量石膏的凝固时间和发现制备样本中存在的问题。取一定体积的石膏粉放入容器中，再向容器中倒入同样体积的水，快速充分的搅拌，待一段时间后石膏被搅拌成糊状，记录好石膏由粉状变为糊状的时间(1分35秒)，然后倒入提前放置好的PVC模具中，静置5～6 h，待样本完全凝固后从模具中取出，在阳光直射和通风处放置5～6 h，用砂纸将试验品样本打磨成标准尺寸(由于样本在完全干透后，样本过硬，无法进行打磨，所以选择在样本完全凝固但未完全干透的时间段进行处理)。打磨过程中尽可能保证样本两端面的平行度。接下来选择在阳光直射和通风处放置2天左右(为保证阳光充分照射，水分充分蒸发，一天后要将试验品上下翻转)，待样本中的水完全蒸发后即可。

测石膏和细砂的密度：用硬纸片制作一个长方体纸盒，用游标卡尺测量纸盒内部的长、宽、高分别为4.5 cm，4.5 cm，5.0 cm，计算得纸盒的容积为101.25 cm3,将纸盒放在电子秤上后归零，再用该纸盒分别装满一盒石膏粉和一盒细砂后，放在电子秤上分别称重，算得石膏粉的密度为0.903 g/cm3,细砂的密度为1.444 g/cm3.

3) 预试验组。由于细砂的密度远大于石膏粉的密度，因此以重量比配制了5组试验材料，进行正式试验前的预试验组样本的制备。

由于细砂较容易沉积，先取一定体积的石膏粉于盆中，再按一定的体积比加入细砂(石膏粉和细砂的配比和含量见表1)，加入一定量的水后用电动搅拌器进行充分快速搅拌，1.5～2 min后迅速倒入模具中，随后进行脱模、修整、晾干。按上述制备样本的过程，制备预试验样本。经过对预实验组的抗拉强度试验，记录数据。经分析，数据较为稳定，表明试验样本的制备过程比较合理，不存在较大的人为误差，下一步将进行试验组的样本制备。

4) 试验组。先取一定体积的石膏粉于盆中，再按一定的体积比加入细砂(石膏粉和细砂的配比和含量见表1)，细砂含量越多越难凝固，由于按比例加细砂的含量较多且细砂密度大，易沉积，所以搅拌时间需2～2.5 min，然后进行脱模、修整、晾干，按上述过程制备1—15组试验样本。

当石膏和细砂的体积配比达到1∶2时，发现试验样本从模具中脱离出来后，经过长时间的日照和风干，很难凝固在一起，此时认为该配比达到了试样凝固的临界点，所以试验样本的制备到15组结束。

3 试验过程

3.1 试验仪器

用微机控制电子万能试验机，试验机的工作条件：

1) 在室温10 ℃～35 ℃进行工作时，相对湿度不能大于80%.

表1 试验组各成分含量表

2) 只能在无震动的环境中进行工作。

3) 工作环境的周围不允许有腐蚀性介质。

4) 连接试验机的电源电压的波动范围不允许超过额定电压的±10%.

5) 试验机频率的波动不能超过额定频率的2%.

3.2 抗拉强度试验过程

将试验样本放置在试验机水平台面上的正中位置，手动控制试验机下降，使试验机刚好接触试验样本有一定的预紧力，使试验样本无法移动。通过与试验机连接的计算机进行控制，启动试验机，使其对试验样本施加径向载荷。试验过程中对试验样本的变性过程进行录像，试验样本劈裂后，结束施加载荷。

查看预试验组的试验数据，发现各组实验数据较为稳定，不存在数据过大或过小的情况，表明预试验组在试验样本的制备过程中和试验时对试验机的操作较为规范，不存在明显的人为误差。鉴于上述结果，进行对试验组的抗拉试验。

3.3 抗拉强度试验数据记录

已知抗拉强度的计算公式为：

στ=2F/πDL

式中：

F—试验样本受力时抵抗破坏所受的最大力，N；

D—圆盘直径，cm；

L—圆盘厚度，cm.

将试验分为15组，每组6个试样，分别记录F的峰值数据，经计算得各组的巴西抗拉强度(BTS)峰值，再将6个峰值数据取平均值,见表2.

表2 BTS 实验组各组峰值表

3.4 试验结果分析

1) 不同物质含量、配比方法、制造工艺等因素对石膏和细砂固体混合物的抗拉强度会产生一定的影响。通过多次试验得出石膏、细砂和水的体积配比最大不能超过1∶2∶3，搅拌时间需2～2.5 min.

2) 含砂量对抗拉强度的影响。分别将BTS预实验组和实验组的各组峰值及峰值平均值制成散点图，见图1，2.

图1 BTS试验各组峰值散点图

从散点图1，2可以看出，存在个别组的数据过高或过低，偏离总体趋势线的现象，可能是试验样本制备时混合物搅拌不均匀造成的，也可能是试验过程操作有误造成的，但并不影响总体趋势，表明数据分析得出的细砂体积含量和固体混合物的抗拉强度的对应关系较为可靠。

图2 BTS试验各组峰值平均值散点图

随着细砂体积含量的增加，试验样本的抗拉强度呈下降趋势，下降趋势可以用三次多项式进行拟合，当细砂体积含量达到40%左右时，细砂的体积含量对试验样本的抗拉强度的影响程度降低，抗拉强度趋于平稳,此结论可作为磨损试验的参考依据。

4 结 论

通过对石膏和细砂的固体混合物进行巴西圆盘劈裂实验，得到不同物质含量、配比方法、制造工艺等因素对石膏和细砂的固体混合物的抗拉强度的影响，随着细砂体积含量的增加，试验样本的抗拉强度呈下降趋势，当细砂体积含量达到40%左右时，抗拉强度趋于平稳。为石膏与细砂固体混合物磨损性能试验和进一步研究掘进机截齿磨损性能的影响因素做好了铺垫。