礦用高水速凝材料結(jié)石體基本物理參數(shù)測定及微觀結(jié)構(gòu)分析

【摘 要】了解材料的基本物理量，對(duì)評(píng)價(jià)該材料的使用價(jià)值及使用效果具有十分重要的意義，并且有助于分析材料的強(qiáng)度特征與力學(xué)參數(shù)。因此在研究高水速凝材料的強(qiáng)度特征與力學(xué)性質(zhì)之前，有必要對(duì)其基本物理參數(shù)進(jìn)行測定。高水速凝材料的基本物理參數(shù)包括結(jié)石體重度、漿液重度、含水率、孔隙率、滲透系數(shù)、初凝時(shí)間等，本次實(shí)驗(yàn)主要測定材料的重度、含水率以及初凝時(shí)間。

【關(guān)鍵詞】高水速凝材料；結(jié)石體；物理參數(shù)；微結(jié)構(gòu)分析；含水率；初凝時(shí)間

【Abstract】With respect to the serious environment problems of coal mining， a new concept of green mining is proposed. The goal is to maximize the economic and social benefits. The technical framework of green mining includes water-preservation in mining areas， coal mining to retard surface subsidence， simultaneous extraction of coal and coal-bed methane， reduction of rock waste， underground coal gasification， and others. The natural climate in Northwest in China is very odious， and its geological condition is very complex. The precipitation is less and concentrated. Drought and water logging in the area are very usual to see， and the eco-system is very weak. Water resources in the area are limited. The eco-environment problems such as desertification， loss of soil， mud-rock flow， earth slide， land degeneration and decrease of cultivation area are quite common in the area. In the meantime disorder exploitation of coal mine in the area has made the geological environment and ecology system more fragile. Based on analyzing the problems in detail， his paper puts forward green mining in the areas.

【Key words】High water rapid hardening materials； Calculus； Physical parameters； Microstructure analysis； Water content； The initial setting time

0 引言

由于高水材料廣泛應(yīng)用于采礦工程的充填支護(hù)，該技術(shù)主要是基于高水材料的速凝、早期強(qiáng)度高的特性，材料的物理力學(xué)特性越來越受到重視，因此，研究高水速凝材料的強(qiáng)度特征具有重要意義，不僅可以進(jìn)一步了解材料的內(nèi)部特性，而且為該材料在工程應(yīng)用中奠定較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)，使材料的功用得到更充分的發(fā)揮。

1 實(shí)驗(yàn)室重度測試

材料單位體積的重力稱為材料的重度。重度作為材料的基本物理性質(zhì)，可在一定程度上反映出材料的力學(xué)性質(zhì)。通常情況下，材料的重度越大，則其力學(xué)性質(zhì)越好，反之，則越差。高水速凝材料的重度分為漿液重度和結(jié)石體重度，其中漿液重度為剛加水?dāng)嚢韬笠后w的重度，結(jié)石體重度為漿液凝固后的固體重度。分析高水材料從液體到固體的重度變化，可以初步了解材料內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)與成分變化。試驗(yàn)中重度測試采用量積法，分別測試三種水灰比的重度。

①漿液重度測試過程：

漿液重度測試分別測試水灰比為5：1 、6：1 、7：1 三種漿液（A漿液、B漿液、AB混合漿液）的重度，其測試結(jié)果如表1所示：

②量積法測試高水材料結(jié)石體重度：

測量時(shí)，先用數(shù)顯式游標(biāo)卡尺量測試件的直徑d和高度H（精確到0.01mm）用測量值計(jì)算截面面積和試件體積。然后將試件放在感量為0.01g的天平上稱量試件的質(zhì)量（精確到0.01g）。

③重度對(duì)比分析：針對(duì)漿液重度和結(jié)石體重度測試結(jié)果，除去測量誤差之外，可以看出，在加水質(zhì)量相同情況下，A漿液重度都比B漿液重度高，并且當(dāng)A、B漿液混合后，此時(shí)漿液重度更接近B漿液重度值，說明B漿液是影響混合漿液重度值的主要因素，并且隨著水灰比的逐漸增大，三種漿液的重度都逐漸減小，說明原料能夠很好的溶解于水，混合后能會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)，三種漿液的重度值均在10.5～11.5之間，其數(shù)值大小比水的重度值稍大，且自身差別甚小，而水是影響重度的主要原因。可以猜想，如果當(dāng)三種水灰比的結(jié)石體強(qiáng)度差別較大時(shí)，此時(shí)重度對(duì)強(qiáng)度的影響甚微，說明高水速凝材料的重度對(duì)力學(xué)性質(zhì)的影響與一般普通的材料是有區(qū)別的。

針對(duì)漿液重度和結(jié)石體重度的對(duì)比，可以分別對(duì)比同一水灰比的漿液重度和漿液凝固7d的結(jié)石體重度。結(jié)石體是在水中養(yǎng)護(hù)7天后取出，測量并計(jì)算其重度值，從表1和表2中的重度值，可以列出三種水灰比情況下漿液重度和結(jié)石體重度的對(duì)照表，如表3所示。

隨著水灰比的增大，重度值呈現(xiàn)均勻降低。結(jié)石體是漿液凝固后的固體物質(zhì)，在此過程中，體積幾乎保持不變，只有單位體積質(zhì)量有所增加，由此可見，在漿液凝固過程中，材料內(nèi)部發(fā)生發(fā)應(yīng)，有新的物質(zhì)生成，并且該物質(zhì)的重度值比原料重度值稍大。同時(shí)，該物質(zhì)可以大量吸附自由水，將自由水變成物質(zhì)的結(jié)晶水。

2 實(shí)驗(yàn)室含水率測定

含水率是表征材料在自然狀態(tài)下樣品中水的質(zhì)量所占的百分比。從制備材料時(shí)的水灰比可以看出，高水速凝材料內(nèi)部含有大量的水分，這些水分是影響材料力學(xué)性質(zhì)的因素之一。在分析材料力學(xué)性質(zhì)之前，有必要知道結(jié)石體中含有水分的多少。針對(duì)不同水灰比的結(jié)石體，分別測試其含水率。測試過程中，將同一水灰比的結(jié)石體分為三組，取計(jì)算結(jié)果的平均值作為最終含水率。

根據(jù)巖石力學(xué)規(guī)范測定巖樣含水率時(shí)，需將試樣放入108℃的恒溫烘箱中，置放24小時(shí)后取出，然后測量烘干后試樣質(zhì)量，并計(jì)算其含水率，實(shí)驗(yàn)過程嚴(yán)格按照規(guī)范操作。

表4 含水率計(jì)算表

由計(jì)算結(jié)果可以看出，高水速凝材料的含水率高達(dá)80%以上，其中水灰比為7：1的材料含水率接近90%。材料的含水率隨著水灰比增大而增加。

3 初凝時(shí)間測定

由于高水速凝材料含水量很高，凝結(jié)問題一直是材料應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本次實(shí)驗(yàn)中，對(duì)材料的初凝時(shí)間進(jìn)行了測試。根據(jù)《中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：作測定膠凝時(shí)間的試模從開始裝模起，每隔1-5min人工將其輕微傾斜一次。隨著混合漿體流動(dòng)性的減小，可適當(dāng)加大傾斜角度，縮短間隔時(shí)間。當(dāng)試模傾斜至45°，混合漿體完全失去流動(dòng)性時(shí)為膠凝。膠凝時(shí)間從兩種單漿開始混合時(shí)計(jì)。

膠材料的初凝時(shí)間測試結(jié)果如表5所示，由表中數(shù)據(jù)可以看出，材料的水灰比是影響初凝時(shí)間的主要因素。在其他條件不變的情況下，水灰比愈大，初凝時(shí)間越長。與一般膠凝材料相比，材料確實(shí)具有速凝的特點(diǎn)。

4 材料微結(jié)構(gòu)分析

隨著水灰比的降低，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸致密，同一倍速下的圖片，5：1的比7：1的結(jié)石體枝柱更為緊密。這也是水灰比較小時(shí)，材料的強(qiáng)度較低的原因。同時(shí)，結(jié)構(gòu)之間的空隙也有可能被材料所含水占據(jù)，因而材料可以有很高的含水率。

4 結(jié)束語

（1）隨著水灰比的增大，重度值呈現(xiàn)均勻降低。結(jié)石體是漿液凝固后的固體物質(zhì)，在此過程中，體積幾乎保持不變，只有單位體積質(zhì)量有所增加，由此可見，在漿液凝固過程中，材料內(nèi)部發(fā)生發(fā)應(yīng)，有新的物質(zhì)生成，并且該物質(zhì)的重度值比原料重度值稍大。同時(shí)，該物質(zhì)可以大量吸附自由水，將自由水變成物質(zhì)的結(jié)晶水。

（2）材料的水灰比是影響初凝時(shí)間的主要因素。在其他條件不變的情況下，水灰比愈大，初凝時(shí)間越長。與一般膠凝材料相比，材料確實(shí)具有速凝的特點(diǎn)。

（3）隨著水灰比的降低，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸致密，同一倍速下的圖片，5：1的比7：1的結(jié)石體枝柱更為緊密。這也是水灰比較小時(shí)，材料的強(qiáng)度較低的原因。同時(shí)，結(jié)構(gòu)之間的空隙也有可能被材料所含水占據(jù)，因而材料可以有很高的含水率。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：謝慶云]