一种胶结充填体材料初始损伤测试方法
技术领域
本发明属于矿山充填开采
技术领域
，具体涉及一种胶结充填体材料初始损伤测试方法。背景技术
在矿山充填工程实际中，胶结充填体材料先通过搅拌机令其充分混合，然后再利用管道运输到地下采空区，胶结充填体通常用于临时或永久支撑采空区，其力学性能与混凝土类似，如胶结充填体的制备工艺和硬化过程的渗水、干缩、水泥的水化热等易造成充填体材料内部有气泡、孔洞、微裂纹、微孔隙等初始缺陷，这些初始缺陷控制着脆性材料的破坏机制，决定着脆性材料的结构强度。因此，对胶结充填体材料进行初始缺陷测试，对地下矿山采空区的稳定性具有重要的理论和实践意义。
现有技术中，针对岩石、混凝土等脆性材料进行研究时，一般将它们视为内部不存在初始缺陷来处理。根据连续损伤力学理论可知，初始损伤变量的直接测量非常困难，至今没有人对脆性材料的初始缺陷的分布进行过详细的定量测量，有学者从混凝土的外部表现推求缺陷率、损伤变量等单一参数。而对于充填体材料初始缺陷损伤量的测定，却未有学者进行研究。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种胶结充填体材料初始损伤测试方法，其方法步骤简单，设计合理，实现方便，能够有效应用在胶结充填体试样材料的力学性能分析中，能够为矿山企业更有效地利用尾砂胶结充填体维护采空区围岩稳定、保障安全生产提供科学参考依据，效果显著，便于推广。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种胶结充填体材料初始损伤测试方法，包括以下步骤：
步骤一、制作多组胶结充填体试样材料，并在浇筑过程中掺入不同百分比含量的引气剂；
步骤二、对胶结充填体试样材料进行单轴压缩试验；
步骤三、通过试验数据计算胶结充填体试样材料在初始损伤状态下的有效割线弹性模量；
步骤四、计算胶结充填体试样材料的初始损伤；
步骤五、采用扫描电子显微镜观测不同引气剂含量的胶结充填体试样材料的形貌和结构性能，进行分析验证。
上述的一种胶结充填体材料初始损伤测试方法，步骤一中所述胶结充填体试样材料的浓度为68％，灰砂比为1:8，尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm。
上述的一种胶结充填体材料初始损伤测试方法，步骤一中所述不同百分比含量的引气剂为：引气剂掺量分别占水泥用量的0％、0.05％、0.1％、0.2％和0.4％。
上述的一种胶结充填体材料初始损伤测试方法，步骤三中所述通过试验数据计算胶结充填体试样材料在初始损伤状态下的有效割线弹性模量的具体过程包括：
根据公式计算胶结充填体试样材料在给定初始损伤状态下的有效割线弹性模量其中，σ(D)为给定初始损伤状态D下的应力，ε(D)为给定初始损伤状态D下的应变。
上述的一种胶结充填体材料初始损伤测试方法，步骤四中所述计算胶结充填体试样材料的初始损伤的具体过程包括：
根据公式计算胶结充填体试样材料的初始损伤Dini，其中，Eini为初始损伤状态下的弹性模量，即在初始损伤Dini状态下的有效割线弹性模量；E0为无损状态下的弹性模量。
上述的一种胶结充填体材料初始损伤测试方法，所述无损状态下的弹性模量E0通过对实验数据中弹性模量与引气剂的关系进行拟合确定。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明方法步骤简单，设计合理，实现方便。
2、本发明在胶结充填体试样材料的浇筑过程中掺入不同百分比含量的引气剂，反映胶结充填体试样材料初始损伤的影响，通过引气剂的不同掺入量反映胶结充填体试样材料的不同初始损伤程度，从而通过试验及计算得到不同初始损伤下胶结充填体试样材料的初始弹性模量。
3、本发明根据试样数据对胶结充填体试样材料的初始损伤进行了量化计算，计算公式简单，能够快速准确得到胶结充填体试样材料的弹性模量及初始损伤值。
4、本发明能够有效应用在胶结充填体试样材料的力学性能分析中，能够为矿山企业更有效地利用尾砂胶结充填体维护采空区围岩稳定、保障安全生产提供科学参考依据，效果显著，便于推广。
综上所述，本发明方法步骤简单，设计合理，实现方便，能够有效应用在胶结充填体试样材料的力学性能分析中，能够为矿山企业更有效地利用尾砂胶结充填体维护采空区围岩稳定、保障安全生产提供科学参考依据，效果显著，便于推广。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为本发明弹性模量与引气剂关系图；
图3为本发明不同引气剂含量的胶结充填体试样材料的微观结构图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的胶结充填体材料初始损伤测试方法，包括以下步骤：
步骤一、制作多组胶结充填体试样材料，并在浇筑过程中掺入不同百分比含量的引气剂；
本实施例中，胶结充填体试样材料的浓度为68％，灰砂比为1:8，尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm。胶结充填体试样材料分5组，每组在浇筑过程中引气剂掺量分别占水泥用量的0％、0.05％、0.1％、0.2％、0.4％。具体实施时，为了反映胶结充填体试样材料初始损伤的影响，掺入引气剂，通过引气剂的不同掺入量反映胶结充填体试样材料的不同初始损伤程度，从而通过后续试验及计算得到不同初始损伤下胶结充填体试样材料的初始弹性模量。
步骤二、对胶结充填体试样材料进行单轴压缩试验；
具体实施时，采用MTS微机控制电子万能试验机对胶结充填体试样材料进行单轴压缩试验，MTS最大出力为50kN，试验加载采用位移控制模式，为了消除在加载过程中胶结充填体试样材料与加载台的端部效应，在接触位置涂抹凡士林。
步骤三、通过试验数据计算胶结充填体试样材料在初始损伤状态下的有效割线弹性模量；
根据公式计算胶结充填体试样材料在给定初始损伤状态下的有效割线弹性模量其中，σ(D)为给定初始损伤状态D下的应力，ε(D)为给定初始损伤状态D下的应变。
步骤四、计算胶结充填体试样材料的初始损伤；
根据公式计算胶结充填体试样材料的初始损伤Dini，其中，Eini为初始损伤状态下的弹性模量，即在初始损伤Dini状态下的有效割线弹性模量；E0为无损状态下的弹性模量。
具体实施时，对引气剂掺入量分别为0、0.05％、0.1％、0.2％和0.4％的胶结充填体试样材料进行弹性模量计算，并取平均值，其结果如表1所示。
表1不同引气剂含量的充填体力学性能参数
从表1中数据能够看出，胶结充填体试样材料力学性能参数由于引气剂的掺入都有一个先劣化后强化再劣化的过程，掺入引气剂的胶结充填体试样材料，其抗压强度、压缩弹性模量与不掺入引气剂的胶结充填体试样材料相比都先减小后增大再减小，说明加入适量引气剂可以改善胶结充填体试样材料内部孔隙结构，优化孔隙特征，从而提高胶结充填体试样材料的强度。
本实施例中，所述无损状态下的弹性模量E0通过对实验数据中弹性模量与引气剂的关系进行拟合确定。
具体实施时，弹性模量与引气剂关系如图2所示，无损状态下的弹性模量E0通过图中x＝0时(即引气剂量为零)的值来确定，即E0＝187.007MPa，不同引气剂含量的胶结充填体试样材料的初始损伤值的计算结果如表2所示。
表2不同引气剂掺入量的胶结充填体试样材料初始损伤值
步骤五、采用扫描电子显微镜观测不同引气剂含量的胶结充填体试样材料的形貌和结构性能，进行分析验证。
具体实施时，采用MLA650F型场发射扫描电子显微镜观察不同引气剂含量的胶结充填体试样材料的形貌和结构性能，使用的模型和参数如下:ZeissSEM，分辨率为30nm，最大加速电压为20kV。
胶结充填体试样材料的宏观强度与其微观结构紧密相连，胶结充填体试样材料的宏观强度取决于尾砂颗粒强度、水化产物强度、颗粒之间的结合强度。水化作用的产物主要由2个部分组成：一部分是水化物相，它是由水泥和尾砂发生水化反应后生成的新物相；另一部分是残留物相，是未参与反应或未反应完毕的物相；以及其他的孔隙、微裂隙等组成。其中起主导作用的是水化物相，又称胶结相，其种类、数量、相对大小和空间分布等特点决定了胶结充填体试样材料的强度特性，这些水化产物可以填充颗粒之间的空隙，形成网状结构，从而提高胶结充填体试样材料的致密性。
在扫描电子显微镜观察下，胶结充填体试样材料内部出现了微孔裂缝和孔洞等不完整的结构，大多是分散的、孤立的分布。但胶结充填体试样材料的内部结构比较致密，其内部完整性较好，如图3所示。从图3可以看出，水化产生的胶凝产物多以丝状线结合，具有丝网状结构，胶结充填体试样材料内部的微观形态比较疏松。放大到高倍镜时，胶凝产物大多结合成絮状片状，一些孔隙分布在絮状片周围，排列基本无序，如图3(d)所示。在胶凝和凝固过程中形成的微孔和引气剂产生的孔分布在胶凝产物周围，在胶结充填体试样材料内部形成了复杂的微观结构。这影响了胶结充填体试样材料的力学性能，表明胶结充填体试样材料是一个非均质的、非线性的复杂体。
从图3中能够很容易地观察到，加入引气剂后，胶结充填体试样材料中含有的孔隙逐渐增加。孔隙大小随着引气剂含量的增加而增大，所以引气剂含量越高，胶结充填体试样材料的孔隙率就越高。由于胶结充填体试样材料的体积保持不变，更多的孔隙被连接，导致胶结充填体试样材料的强度降低。此外，引气剂对内部水化反应有抑制作用，可以认为水化产物的含量随着引气剂含量的增加而减少。因为水化产物可以填充颗粒之间的空隙，水化产物含量的减少会影响胶结充填体试样材料的孔隙大小和强度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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