大體積巖石模型相似材料試驗研究

鄭廟華　周　杰　楊劍峰

(武漢理工大學資源與環境工程學院)

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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

(武漢理工大學資源與環境工程學院)

摘要依據國內外巖土工程中大體積巖石模型相似材料的研究現狀及材料的優缺點，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律。結果表明，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。

關鍵詞大體積巖石模型相似材料水泥砂漿力學試驗

模型試驗作為巖石力學研究的方法之一，雖然無法模擬現場巖石力學的活動規律、受力狀態、巖石特征等復雜情況，但是具有直接觀測到礦山壓力實驗的整個過程和內應力作用情況的優點，能夠提供較有價值的參考數據，與現場實測、理論分析相互配合使用，可達到預期的效果[1]。因此，為盡量縮小試驗與現實的差距[2]，在巖土工程模型試驗中，特別是在三維結構模型試驗中，為了體現自重應力場，在模型體內埋設電阻應變計等測量元件，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，國內外許多學者已經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物的配比、膠結物中膠結材料的配比及不同的養護方式對試塊強度的影響規律。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巖。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，力學性能穩定，根據橡膠粉的滲入量和水灰比的改變，力學性質變化范圍大，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，各項物理力學指標覆蓋面較廣，但是材料彈性模量低，在使用電阻應變計時存在明顯的鋼化效應。吳鈺應等[6]選擇傳統的石膏、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上，根據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條件，選擇水泥作為主要膠結材料，以砂膠比、水膠比、養護時間、石膏添加量作為研究方向，其中石膏作為調節劑。經過大量的材料力學參數試驗，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構和破壞特性。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體，石膏作為調節劑，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構和較小的空隙，細顆粒河砂占重達到90%，更好地達到試驗要求。

1.2試件制作與試驗

材料的物理力學性能測試指標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，再加入規定量的水攪拌，將攪拌均勻的混合材料放入模具搗實，養護1 d后脫模，然后自然養護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范的試件進行力學實驗，所得結果求平均值，降低偶然誤差，制成的部分標準試件見圖1。

圖1　標準試件

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。根據吳鈺應等人[6]的研究，石膏凝固速度快，有著增強試塊強度的作用，但是當水泥與石膏混合，二者比例在9∶1與3∶7，或膠結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節劑使用，因此選用小于10%的、有代表性的3組參數加入試驗方案。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，試件表觀密度結果如表2所示。經過對表分析，得出如下規律：

表2　不同配比條件下試件表觀密度

(1)石膏作為調節劑加入實驗配比中，能夠小范圍的起到調節表觀密度的作用，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，同時多余的石膏水化反應放熱，二水石膏膠粒凝結成晶核，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，只是作為調節劑使用，同時由于實驗誤差的存在，所以表觀密度減小的現象并不明顯。

(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象明顯。

(3)因為水泥與石膏的水化反應是連續而復雜的過程，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無規律的變化。

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果如圖2所示，經過分析,得出如下規律：

(1)當石膏占膠體比、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)當水固比變化時，因為水泥、石膏、河砂的復雜反應過程，實驗參數選取跨度小，導致強度呈現無規律變化。

根據實驗數據，采用Excel及SPSS對試件強度數據進行線性回歸分析，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為膠體占固體質量的百分比，%；y為石膏占膠體的百分比，%。

相關統計學參數如表3所示，R2可解釋樣本百分比，F為顯著性系數，P為置信概率。 由表3可知，強度預測模型具有統計學意義。

表3　相關統計學參數

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

當試件變形完全是彈性時，彈性力學公式為

(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?？傻贸?/p>

(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，根據圖表內容，可以初步確定不同配比間彈性模量存在區別。

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

3　結　論

(1)在河砂、水泥、石膏的實驗中，調節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結果，同時試件的抗壓強度與彈性模量因為實驗條件的限制，未得出相關結果，可以繼續進行更深入的探究。

參考文獻

[1]康希并,張建義.相似材料模擬中的材料配比[J].淮南礦業學院學報,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].武漢水利電力大學學報,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,2004(11):125-128.

[4]張寧,李術才,李明田,等.新型巖石相似材料的研制[J].山東大學學報：工學版,2009(4):149-154.

[5]韓伯鯉.電阻應變計剛化效應研究[J].武漢水利電力大學學報,1993(2):127-133.

[6]吳鈺應,王世遠,關玉順,等.相似材料配比研究[J].阜新礦業學院學報,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。