用水溫度對(duì)高水材料力學(xué)性能影響試驗(yàn)研究

張 釗， 劉長武， 徐志鵬， 吳海寬， 郭兵兵

(1.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院， 成都 610065；3.河南工程學(xué)院安全工程學(xué)院， 鄭州 451191)

引 言

高水速凝固體材料(簡稱高水材料)是英國80年代初期研制成功的一種新型膠凝材料，與傳統(tǒng)的水泥混凝土相比，以水代替砂料，具有“點(diǎn)水成石”的功能。高水材料由甲料、乙料兩部分組成，其中甲料是硫鋁酸鹽水泥熟料(最主要和最基本的配料)、懸浮劑和超緩凝劑等的混合物；乙料是石膏和石灰(最基本的配料)、懸浮劑、速凝早強(qiáng)劑等的混合物。甲料、乙料按1∶1混合，甲料、乙料單獨(dú)加水?dāng)嚢韬箝L時(shí)間不凝結(jié)、不堵管、可泵送，混合后又能速凝早強(qiáng)。由于具有固體用料少、凝固韌性好、抗?jié)B性強(qiáng)、綠色環(huán)保等優(yōu)越性，高水材料被廣泛用于煤礦巷旁充填、注漿加固和堵水等眾多工程領(lǐng)域[1-4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高水材料進(jìn)行了廣泛的研究，主要集中在高水材料的硬化機(jī)理、力學(xué)性能、摻雜改性等方面[5-9]，尤其是摻雜改性研究成果較多。而對(duì)高水材料性能的影響因素研究則相對(duì)較少，王秋分[10]研究了高水材料組成成分對(duì)其基本性能的影響；張印[11]研究了水灰比對(duì)高水材料力學(xué)性能的影響；李沛虹[12]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高混合漿體初凝時(shí)間減少而黏度升高；劉丹丹[5]分別從試驗(yàn)水溫和養(yǎng)護(hù)溫度兩個(gè)方面對(duì)高水速凝材料抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究，結(jié)果表明兩種溫度對(duì)高水材料的抗壓強(qiáng)度均有影響；司志明[13]和侯林濤[4]等研究發(fā)現(xiàn)水溫通過改變高水材料的初、終凝時(shí)間來改變強(qiáng)度，且對(duì)高水材料硬化體的最終強(qiáng)度沒有影響，但對(duì)其早期強(qiáng)度卻影響很大。

總結(jié)前人的研究成果發(fā)現(xiàn)，溫度對(duì)高水材料性能有不可忽視的影響，但是相關(guān)的研究并不充分，這不利于充分發(fā)揮高水材料的優(yōu)越性能。隨著煤礦開采深度的增大，地溫越來越高，地下水的溫度也會(huì)隨之增加，這在高水材料的制備過程中會(huì)極大地影響其相關(guān)性能，因此，很有必要研究不同的用水溫度條件下高水材料的性能。對(duì)此，本文結(jié)合已有的研究成果，研究了不同用水溫度以及不同水灰比條件下高水材料的力學(xué)性能，以期為獲得高水材料較好的使用效果提供一定的依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)中高水材料四種固定成分的比例為A∶A-A∶B∶B-B=1∶0.1∶1∶0.04，一種用水溫度的試件所需材料配比表如表1所示。

表1 材料配比表

制備試件時(shí)將稱量好的A料(硫鋁酸鹽水泥))與A-A料(緩凝劑等))混合(甲料)，加入已調(diào)好溫度的水?dāng)嚢瑁煌瑫r(shí)將B料(石灰和石膏的混合物)與B-B料(速凝劑等)混合(乙料)，加入同溫度的水并攪拌。最后將兩種漿液混合并快速攪拌均勻，再將混合漿液倒入標(biāo)準(zhǔn)試件模具(Ф50 mm × H100 mm，圖1)，脫模后將試件置于常溫(20±2) ℃水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(圖2)，養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)。

圖1 試件澆筑

圖2 試樣養(yǎng)護(hù)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中設(shè)置不同的水灰比3∶1、5∶1和7∶1作為對(duì)照，用水溫度分別為25 ℃、30 ℃、35 ℃和40 ℃。甲漿液和乙漿液混合攪拌均勻后測定漿液的初凝時(shí)間，試驗(yàn)時(shí)將攪拌好的漿液倒入250 mL 的燒杯中，每隔30 s 將燒杯傾斜45°，當(dāng)漿液完全失去流動(dòng)性時(shí)為初凝時(shí)間[14]。養(yǎng)護(hù)7 d后采用ETM力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。然后分析試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征以及峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度變化規(guī)律；分析試樣破壞形式；分析溫度對(duì)高水材料力學(xué)性能影響機(jī)理。整個(gè)試驗(yàn)過程保持環(huán)境溫度為恒常溫，同一批試件應(yīng)盡快完成相應(yīng)的試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 初凝時(shí)間

高水材料的初凝時(shí)間是指甲、乙漿液混合均勻至完全失去流動(dòng)性時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，在煤礦井下充填時(shí)，初凝時(shí)間太短容易造成漿液堵管不利于輸送，時(shí)間太長則達(dá)不到及時(shí)的充填效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同水溫條件下高水材料初凝時(shí)間

從圖3可以看出，水的溫度能明顯影響高水材料的初凝時(shí)間。在相同的水灰比條件下，高水材料的初凝時(shí)間均隨著用水溫度的升高而減小，水溫每升高5℃不同的水灰比初凝時(shí)間減小率不同，3∶1、5∶1、7∶1平均分別減小40.8%、31.3%、24.8%，可見水灰比越小，水溫對(duì)高水材料漿液的初凝時(shí)間影響越大。而相同用水溫度下高水材料的初凝時(shí)間隨著水灰比的增大而增加。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

煤礦巷旁充填時(shí)，高水材料的峰值強(qiáng)度決定了其對(duì)頂板的支撐能力，而殘余強(qiáng)度則在一定程度上反映了高水材料的充填壽命。因此，本文研究了高水材料在不同的用水溫低和不同的水灰比條件下的抗壓強(qiáng)度，得到了一系列的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖4所示。曲線可大致劃分為四個(gè)階段：孔隙壓密階段、彈性變形階段、屈服階段和破壞階段。

圖4 高水材料在不同用水溫度條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

孔隙壓密階段：高水材料在凝結(jié)成型的過程中，其內(nèi)部不可避免地產(chǎn)生一些微小的孔隙，因此，在加載初期，這些孔隙逐漸被壓實(shí)；同時(shí)，在外部載荷作用下，高水材料內(nèi)部所產(chǎn)生的固體顆粒逐漸進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，使得縱向排列更加緊密。從曲線可以看出：在相同的水灰比條件下，隨著用水溫度的升高，孔隙壓密階段部分逐漸減小，這是由于較高的水溫使得材料內(nèi)部的反應(yīng)更加充分，減小了孔隙等的生成；水灰比越大，孔隙壓密階段越明顯。

彈性變形階段：該階段的曲線呈現(xiàn)應(yīng)力顯著增加而應(yīng)變?cè)黾虞^小的特征，而且曲線近似為一條直線，斜率幾乎不變且服從胡克定律。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)材料表面有水析出，并有微小裂紋生成，主要是因?yàn)椴牧蟽?nèi)部的游離水在較大的荷載作用下被擠壓而出，此時(shí)游離水帶有一定的壓力，在荷載以及游離水壓的作用下，試件表面開始產(chǎn)生裂紋。從曲線可以看出：用水溫度越高，曲線彈性變形階段越明顯，而且斜率也越大。

屈服階段：曲線逐漸由直線變彎，斜率也逐漸減小，并呈下凹狀，應(yīng)力出現(xiàn)峰值并維持一段時(shí)間。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該階段試件周圍有大量水生成，而且有較大的裂紋出現(xiàn)，主要是因?yàn)殡S著荷載增加，彈性變形階段所產(chǎn)生的微小裂紋開始延伸、擴(kuò)展并貫通，在形成大裂紋的同時(shí)也為游離水的流出提供了通道。

破壞階段：曲線從峰值開始逐漸下降，應(yīng)力逐漸減小而變形急劇增加，最后應(yīng)力逐漸穩(wěn)定在某一數(shù)值不再變化。該階段內(nèi)試樣發(fā)生顯著破壞，較大的裂紋轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的裂縫，宏觀斷裂面出現(xiàn)，部分塊體從試樣脫落，整個(gè)試樣產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形。從曲線可以看出：用水溫度越高且水灰比越大，曲線的破壞階段越明顯，范圍也越大。

2.3 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是反映高水材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，實(shí)際施工過程中常用其作為最優(yōu)充填設(shè)計(jì)的重要參數(shù)[15]。充填前期主要是材料峰值強(qiáng)度的作用，而后期則主要依靠材料的殘余強(qiáng)度，因此對(duì)不同用水溫度的高水材料峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.3.1 峰值強(qiáng)度

對(duì)不同水灰比的高水材料在不同的用水溫度下的峰值強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。從圖5可知，在相同的水灰比條件下，隨著用水溫度的增加，峰值強(qiáng)度基本呈增大的趨勢，在水灰比為3∶1的條件下尤為明顯，因此以水灰比為3∶1為例進(jìn)行分析。

圖5 峰值強(qiáng)度

水溫從25 ℃增加到30 ℃時(shí)，峰值強(qiáng)度從1.35 MPa增加到1.43 MPa，增加了5.9%；從30 ℃增加到35 ℃時(shí)，峰值強(qiáng)度從1.43 MPa增加到1.62 MPa，增加了13.3%；從35 ℃增加到40 ℃時(shí)，峰值強(qiáng)度從1.62 MPa增加到1.83 MPa，增加了13.0%。可以看出：在水溫從25 ℃到30 ℃時(shí)，峰值強(qiáng)度的增加量較小為5.9%，而從30 ℃增加到40 ℃時(shí)，平均每增加5 ℃，峰值強(qiáng)度增加約13%。其他水灰比條件下，用水溫度每升高5 ℃的峰值強(qiáng)度增長率見表2。因此，用水溫度的增加能夠明顯提高高水材料的峰值強(qiáng)度，提高其抗壓性能，這對(duì)于高水材料的充填支撐作用是極其重要的。

表2 峰值強(qiáng)度增長率

2.3.2 殘余強(qiáng)度

對(duì)不同水灰比的高水材料在不同的用水溫度下的殘余強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。從圖6可知，在相同的水灰比條件下，隨著用水溫度的增加，殘余強(qiáng)度也基本呈增大的趨勢，同樣的，以水灰比為3∶1為例進(jìn)行分析。

圖6 殘余強(qiáng)度

水溫從25 ℃增加到30 ℃時(shí)，殘余強(qiáng)度從0.32 MPa增加到0.36 MPa，增加了12.5%；從30 ℃增加到35 ℃時(shí)，殘余強(qiáng)度從0.36 MPa增加到0.46 MPa，增加了27.8%；從35 ℃增加到40 ℃時(shí)，殘余強(qiáng)度從0.46 MPa增加到0.56 MPa，增加了21.7%。可以看出：水溫每提高5 ℃，殘余強(qiáng)度平均分別增加12.5%、27.8%、21.7%。其他水灰比條件下，用水溫度每升高5 ℃的殘余強(qiáng)度增長率見表3。表明用水溫度的增加不僅提高高水材料的峰值強(qiáng)度，也提高了其殘余強(qiáng)度。

表3 殘余強(qiáng)度增長率

從表2和表3中可以發(fā)現(xiàn)，高水材料水灰比為3∶1時(shí)強(qiáng)度增長率穩(wěn)定性較好，水灰比越大強(qiáng)度增長也變得較為離散。這是因?yàn)楦咚牧想m然是一種理想的均質(zhì)膠凝材料，但是在試驗(yàn)過程中不可避免存在一定的誤差，這就導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)誤差。尤其是水灰比較大時(shí)，不能保證高水材料依然具備較好的均質(zhì)性。

2.4 破壞形式

試驗(yàn)過程中，對(duì)每一組試樣的破壞形式進(jìn)行了觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)幾乎所有的試樣破壞形式均為劈裂破壞，表明用水溫度對(duì)高水材料的破壞形式幾乎沒有影響。

圖7 3∶1水灰比的試件破壞形式

以水灰比3∶1為例，圖7為不同用水溫度下試件的破壞形式，由圖可以看出試件的破壞形式均為劈裂破壞，并且最破碎的位置均靠近端部，一方面是由于試件在制備、脫模等過程中不能完全保證上下端部較好的光滑平整性；另一方面高水材料的硬度相對(duì)較低，而加載裝置的硬度很高，因此很容易在試件與加載裝置的接觸面處發(fā)生破壞。

3 機(jī)理分析

3.1 高水材料硬化機(jī)理

劉丹丹[5]等對(duì)高水材料的水化硬化原理進(jìn)行了一定的研究分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高水材料的甲料和乙料均勻混合，且乙料中的B料(石膏和石灰)含量充足時(shí)，高水材料的反應(yīng)式為式(1)和式(2)所示：

3CaO·3Al2O3·CaSO4+2(CaSO4·H2O)+

38H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+

2(Al2O3·3H2O)

(1)

Al2O3·3H2O+3Ca(OH)2+3(CaSO4·2H2O)+

20H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O

(2)

從式(1)和式(2)可見，高水材料的甲料和乙料混合后反應(yīng)的主要產(chǎn)物是鈣礬石晶體(CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)，正是大量的鈣礬石晶體使得高水材料具有一定的強(qiáng)度，從而起到支撐作用。

3.2 用水溫度對(duì)高水材料性能影響機(jī)理

用水溫度主要是通過影響高水材料的化學(xué)反應(yīng)速率和鈣礬石晶體的形狀大小從而影響其力學(xué)性能。

高水材料的水化反應(yīng)過程為放熱反應(yīng)[15]，但是對(duì)于任何一個(gè)化學(xué)反應(yīng)來講，包括式(1)和式(2)，在一定的溫度范圍內(nèi)，無論是放熱反應(yīng)還是吸熱反應(yīng)，隨著溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率都會(huì)得到一定程度的提高。因此，在相同的水灰比條件下，隨著用水溫度的升高，材料內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度也加快，表現(xiàn)為材料的初凝時(shí)間減少，而且在相同的短時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的鈣礬石也越多，表現(xiàn)為材料的抗壓強(qiáng)度增大。對(duì)于不同的水灰比來說，水灰比越小，則相同的體積范圍內(nèi)反應(yīng)物越多，同一時(shí)間內(nèi)生成的鈣礬石也越多，則初凝時(shí)間越少，強(qiáng)度越大。

結(jié)合文獻(xiàn)[16]，當(dāng)反應(yīng)溶液溫度較低時(shí)，鈣礬石晶體結(jié)晶比較粗大，形貌為粗棒狀；而反應(yīng)溶液的溫度較高時(shí)，晶體生長較為細(xì)小，如圖8所示。因此，當(dāng)高水材料甲料和乙料漿液的混合后，鈣礬石晶體迅速生長，晶體之間不斷連接形成晶核，晶核由小到大直到充滿整個(gè)模具。而隨著用水溫度的升高，高水材料混合漿液的溫度也升高，生成的鈣礬石晶體也越細(xì)小，細(xì)小的晶體之間連接就更加致密，這樣形成的晶核空隙、孔隙等就越少，從而使得材料的強(qiáng)度也隨之增大，其力學(xué)性能得以提高。

圖8 不同形狀大小的鈣礬石晶體[16]

4 結(jié) 論

(1)在相同的水灰比下，高水材料的初凝時(shí)間隨著用水溫度的增大而減少；水灰比不同時(shí)，高水材料的初凝時(shí)間隨著水灰比的增大而增大。

(2)用水溫度對(duì)高水材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征和強(qiáng)度均有一定的影響，水溫越高，材料的峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度越大，從25 ℃到30 ℃，強(qiáng)度增長率不高，從30 ℃到40 ℃，強(qiáng)度增長率較大。

(3)用水溫度對(duì)高水材料的破壞形式影響較小，均表現(xiàn)為劈裂破壞。

(4)用水溫度能大大影響高水材料的力學(xué)性能。因此，實(shí)際施工過程中應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場情況選用合適的用水溫度，充分發(fā)揮高水材料的相關(guān)性能，以取得較好的使用效果。