鄭廟華　周　杰　楊劍峰

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

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大體積巖石模型相似材料試驗研究

鄭廟華周杰楊劍峰

(武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

摘要依據(jù)國內(nèi)外巖土工程中大體積巖石模型相似材料的研究現(xiàn)狀及材料的優(yōu)缺點，選取水泥、石膏、河砂以及水進行巖石大模型相似材料研究。通過改變砂膠比、水固比、石膏占膠體比因素，獲取水泥砂漿試件的表觀密度、單軸抗壓強度、試件壓力曲線及變化規(guī)律。結(jié)果表明，水泥砂漿是一種比較理想的大體積巖石模型相似材料，值得深入探究。

關(guān)鍵詞大體積巖石模型相似材料水泥砂漿力學(xué)試驗

模型試驗作為巖石力學(xué)研究的方法之一，雖然無法模擬現(xiàn)場巖石力學(xué)的活動規(guī)律、受力狀態(tài)、巖石特征等復(fù)雜情況，但是具有直接觀測到礦山壓力實驗的整個過程和內(nèi)應(yīng)力作用情況的優(yōu)點，能夠提供較有價值的參考數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場實測、理論分析相互配合使用，可達到預(yù)期的效果[1]。因此，為盡量縮小試驗與現(xiàn)實的差距[2]，在巖土工程模型試驗中，特別是在三維結(jié)構(gòu)模型試驗中，為了體現(xiàn)自重應(yīng)力場，在模型體內(nèi)埋設(shè)電阻應(yīng)變計等測量元件，要求所使用的相似材料必須具有高容重、低強度、高絕緣度等。

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)在模型材料方面開展了研究，左寶成等[3]選擇石英砂、石膏和水泥研究了相似材料中骨料與膠結(jié)物的配比、膠結(jié)物中膠結(jié)材料的配比及不同的養(yǎng)護方式對試塊強度的影響規(guī)律。試驗的砂膠比選取范圍很大，基本涵蓋了需要的模型范圍，但試驗過程中主要模擬對象為灰?guī)r。張寧選擇水泥、砂、橡膠粉、水、減水劑、早強防凍劑作為混合材料，力學(xué)性能穩(wěn)定，根據(jù)橡膠粉的滲入量和水灰比的改變，力學(xué)性質(zhì)變化范圍大，但是因為橡膠粉本身密度較小，不能模擬大容重巖體[4]。韓伯鯉等[2，5]選擇重晶石粉、膠膜鐵粉和松香酒精溶液作為混合材料，各項物理力學(xué)指標(biāo)覆蓋面較廣，但是材料彈性模量低，在使用電阻應(yīng)變計時存在明顯的鋼化效應(yīng)。吳鈺應(yīng)等[6]選擇傳統(tǒng)的石膏、水泥、砂作為實驗材料，但未對大模型材料進行深入探究。

本研究在前人的基礎(chǔ)上，根據(jù)相似理論的基本原理，為了在大體積模型中更好地模擬實際地質(zhì)條件，選擇水泥作為主要膠結(jié)材料，以砂膠比、水膠比、養(yǎng)護時間、石膏添加量作為研究方向，其中石膏作為調(diào)節(jié)劑。經(jīng)過大量的材料力學(xué)參數(shù)試驗，研究了大型巖土模型的相似材料。

1　相似材料試驗過程

1.1相似材料選取

因為是破壞性實驗，因此要求模型的試驗材料與巖石具有相似的結(jié)構(gòu)和破壞特性。為了降低試驗材料的脆性，更好的模擬巖體，本文選取水泥作為主要膠結(jié)體，石膏作為調(diào)節(jié)劑，選擇粒徑合適的河砂作為集料，試驗過程中攪拌水為自來水，材料來源廣泛。①水泥材料選擇為C325普通硅酸鹽水泥(華新牌)；②石膏選擇半水纖維白石膏模型粉(臥龍牌)；③選擇不同粒徑的干凈河砂，其中粒徑配比為d≤2 mm占重94%，d>2 mm占重6%。為了使試驗材料具有比較致密的結(jié)構(gòu)和較小的空隙，細(xì)顆粒河砂占重達到90%，更好地達到試驗要求。

1.2試件制作與試驗

材料的物理力學(xué)性能測試指標(biāo)主要為單軸抗壓強度與表觀密度。立方體試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，選取3個100 mm×100 mm×100 mm的鑄鐵模具。

試件制作步驟：先按配比要求將水泥、石膏、河砂攪拌均勻，再加入規(guī)定量的水?dāng)嚢?，將攪拌均勻的混合材料放入模具搗實，養(yǎng)護1 d后脫模，然后自然養(yǎng)護28 d即制成所需試件。每組配比制作3個試件，共計144個，選取符合試驗要求規(guī)范的試件進行力學(xué)實驗，所得結(jié)果求平均值，降低偶然誤差，制成的部分標(biāo)準(zhǔn)試件見圖1。

圖1　標(biāo)準(zhǔn)試件

1.3試驗方案

為了選擇合適的配比，本次試驗的影響因素選擇砂膠比、膠結(jié)物中石膏密度、水固比對相似材料表觀密度和單軸抗壓強度進行分析。根據(jù)吳鈺應(yīng)等人[6]的研究，石膏凝固速度快，有著增強試塊強度的作用，但是當(dāng)水泥與石膏混合，二者比例在9∶1與3∶7，或膠結(jié)物中石膏含量不小于11%時，混合物的凝固時間決定于石膏的凝固時間，因為石膏在本文試驗中主要作為調(diào)節(jié)劑使用，因此選用小于10%的、有代表性的3組參數(shù)加入試驗方案。本文試驗影響因素及配比共48組實驗，見表1。

表1　試驗影響因素及配比

2　實驗結(jié)果分析

2.1表觀密度

不同砂膠比、石膏占膠體比及水固比條件下，試件表觀密度結(jié)果如表2所示。經(jīng)過對表分析，得出如下規(guī)律：

表2　不同配比條件下試件表觀密度

(1)石膏作為調(diào)節(jié)劑加入實驗配比中，能夠小范圍的起到調(diào)節(jié)表觀密度的作用，原因是部分石膏與水泥中的水化鋁酸鈣生成水化硫鋁酸鈣，阻止了水泥熟料中的鋁酸酸鈣的迅速水化反應(yīng)，同時多余的石膏水化反應(yīng)放熱，二水石膏膠粒凝結(jié)成晶核，增加其孔隙率，造成試件的表觀密度減小。但是因為石膏占膠體比重較小，只是作為調(diào)節(jié)劑使用，同時由于實驗誤差的存在，所以表觀密度減小的現(xiàn)象并不明顯。

(2)砂膠比對于試件的表觀密度也有著較大的影響。當(dāng)水固比一定、石膏占膠體比例一定時，砂膠比增大，試件表觀密度減小。原因是因為水泥與石膏的密度大于河砂密度，隨著砂膠比的增大，試件中水泥和石膏的比重減小，石膏雖然在一定程度會造成試件空隙的增加，但是因為砂膠比的跨度大，石膏占膠體比重小，所以試件的表觀密度減小現(xiàn)象明顯。

(3)因為水泥與石膏的水化反應(yīng)是連續(xù)而復(fù)雜的過程，本實驗中水固比和石膏占膠體比重的變化范圍較小，所以當(dāng)水固比變化、砂膠比和石膏比重固定時，試件的表觀密度呈現(xiàn)無規(guī)律的變化。

2.2單軸抗壓強度

試件的單軸抗壓強度變化值為0.35～3.55 MPa，變化范圍大，滿足大體積巖石模型實驗要求。不同砂膠比、石膏占膠體比及水固比的試樣實驗結(jié)果如圖2所示，經(jīng)過分析,得出如下規(guī)律：

(1)當(dāng)石膏占膠體比、水固比一定時，隨著砂膠比的減小，試件的單軸抗壓強度明顯逐漸增大。因為隨著砂膠比的減小，試件中的膠體比重增大。

圖2　不同水固比試件單軸抗壓強度 ■—砂膠比20∶1；●—砂膠比16∶1；▲—砂膠比12∶1；◆—砂膠比8∶1

(2)當(dāng)砂膠比、水固比一定時，在石膏占膠體的比重小于10%的條件下，隨著石膏占膠體比的增大，試件的單軸抗壓強度增大。

(3)當(dāng)水固比變化時，因為水泥、石膏、河砂的復(fù)雜反應(yīng)過程，實驗參數(shù)選取跨度小，導(dǎo)致強度呈現(xiàn)無規(guī)律變化。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，采用Excel及SPSS對試件強度數(shù)據(jù)進行線性回歸分析，對材料抗壓強度與砂膠比、石膏占膠體比的關(guān)系進行了回歸分析，水固比分別為8∶1、9∶1、10∶1、11∶1時的回歸方程：

(1)

式中,S8、S9、S10、S11分別為水固比為8∶1、9∶1、10∶1、11∶1時單軸抗壓強度；x為膠體占固體質(zhì)量的百分比，%；y為石膏占膠體的百分比，%。

相關(guān)統(tǒng)計學(xué)參數(shù)如表3所示，R2可解釋樣本百分比，F(xiàn)為顯著性系數(shù)，P為置信概率。 由表3可知，強度預(yù)測模型具有統(tǒng)計學(xué)意義。

表3　相關(guān)統(tǒng)計學(xué)參數(shù)

2.3試樣的破壞特征

本試驗單軸抗壓強度采用YAW-300微機控制恒加荷速率壓力試驗機，當(dāng)砂膠比為20∶1、石膏占膏體比為5%、水固比為11∶1時，試件的時間-載荷曲線如圖3所示。

圖3　水泥膠砂抗壓曲線 ———試件1；---—試件2；……—試件3

當(dāng)試件變形完全是彈性時，彈性力學(xué)公式為

(2)

式中,Δl為伸長量；F′為試件承受的載荷；l為試件原長；S為受壓面積；E為彈性模量。

由于試驗過程中采用的加載方式為恒加荷速率，即試件載荷與時間成正比，即F=Ftt。可得出

(3)

圖3為相同配比時3個試件的時間-載荷曲線，假定試件的彈性模量為定值，因為Ft也為定值，所以時間-載荷曲線的橫軸可作為位移，縱軸可作為單軸壓力。從圖3中可以看出試件具有典型的巖石力學(xué)特性，作為大型巖石模型相似材料是可取的。

2.4時間載荷曲線對比

由于試驗條件的限制，本文僅僅得到時間-載荷曲線，如圖4所示。3條曲線分別是不同配比條件下的時間-載荷曲線，4組實驗的砂膠比均為12∶1，石膏占膠體比均為0，水固比改變范圍為1∶8，1∶9，1∶10，根據(jù)圖表內(nèi)容，可以初步確定不同配比間彈性模量存在區(qū)別。

圖4　不同配比下的時間-載荷曲線 ———1∶8；---—1∶9；……—1∶10

3　結(jié)　論

(1)在河砂、水泥、石膏的實驗中，調(diào)節(jié)砂膠比對試件的影響最大，石膏對試件的影響次之。

(2)試件采用自然養(yǎng)護，表觀密度為1.65～1.80kg/m3，單軸抗壓強度變化范圍大，符合大體積巖石模型試驗的要求。

(3)根據(jù)試件的時間-壓力曲線，不同配比間存在不同的彈性模量，因此該材料作為大型巖石實驗相似材料是可取的。

本實驗的不足之處在于實驗中水固比對試件的表觀密度和抗壓強度未得到相關(guān)結(jié)果，同時試件的抗壓強度與彈性模量因為實驗條件的限制，未得出相關(guān)結(jié)果，可以繼續(xù)進行更深入的探究。

參考文獻

[1]康希并,張建義.相似材料模擬中的材料配比[J].淮南礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,1988(2):50-64.

[2]韓伯鯉,陳霞齡,宋一樂,等.巖體相似材料的研究[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報,1997(2):7-10.

[3]左保成,陳從新,劉才華,等.相似材料試驗研究[J].巖土力學(xué),2004(11):125-128.

[4]張寧,李術(shù)才,李明田,等.新型巖石相似材料的研制[J].山東大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版,2009(4):149-154.

[5]韓伯鯉.電阻應(yīng)變計剛化效應(yīng)研究[J].武漢水利電力大學(xué)學(xué)報,1993(2):127-133.

[6]吳鈺應(yīng),王世遠,關(guān)玉順,等.相似材料配比研究[J].阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報,1981(1):32-49.

(收稿日期2016-04-29)

Test of Similar Material of Massive Rock Model

Zheng MiaohuaZhou JieYang Jianfeng

(College of Resource and Environment Engineering, Wuhan University of Technology)

AbstractBased on analyzing the research status of similar material of massive rock model and the advantages and disadvantages of massive rock model of the geotechnical engineering at home and abroad.The cement,gypsum,river and and water are used to conduct the study of the similar material of massive rock model.The apparent density,uniaxial compressive strength and specimen pressure curve are obtained and thiers change regularities are summarized by changing the parameters of sand cement ratio,water solid ratio and gypsum colloid ratio.The results show that the cement mortar is a ideal similar material of massive rock model,therefore,it worth conducting further study.

KeywordsMassive rock model,Similar material,Cement mortar,Mechanical test

鄭廟華(1991—)，男，碩士研究生，430070 湖北省武漢市。