早期受载对矸石胶结充填体力学特性及损伤破坏的影响

为研究早期受载对矸石胶结充填体后期力学特性的影响,将养护7 d的试样进行4种应力水平加载,并持载28 d后,卸载进行单轴压缩试验,监测持载过程中充填体中超声波波速变化及单轴压缩过程中声发射响应特征,采用扫描电镜观测试样微观形貌。结果表明:早期受载对充填体力学特性影响显著,当早期承受应力水平小于80%时,荷载对矸石胶结充填体抗压强度和弹性模量均具有明显的强化效应,随着早期应力水平的增大,横向应变及泊松比整体呈指数型增长趋势,试样破坏形式由剪切破坏逐渐转变为劈裂破坏。持载过程中超声波波速呈明显的阶段性特征,早期承受高应力水平的充填体在单轴压缩过程中声发射活跃程度下降。早期荷载作用促进水泥水化反应,有助于充填体强度的提高。根据试验结果建立早期受载矸石胶结充填体在单轴压缩过程中的损伤演化模型,可以为充填体在结构充填中的设计提供依据。     

纤维增强超细尾砂充填体微观破坏机制

纤维增强充填体(FRB)在采空区充填中具有明显的优势,为研究FRB微观破坏机制,以不同配比的玻璃纤维增强超细尾砂充填体为研究对象,利用电子万能试验机、扫描电镜、核磁共振仪和声发射监测仪开展系列试验,从微观层面系统分析FRB的裂隙扩展及损伤演化过程。研究表明：玻璃纤维的掺入能够显著优化充填体材料的初始结构,减少初始缺陷,其中以灰砂配比为1∶12试件的优化效果最为明显;FRB试件和无纤维充填体(CPB)试件的破坏模式存在显著的区别：CPB试件破坏以主裂隙贯穿试件为主,局部位置存在剥落现象,而FRB试件破坏则以较多的小尺度次生裂隙为主,这是由于纤维对充填体材料的阻裂作用所致。因纤维的阻裂作用也使得FRB和CPB的声发射(AE)特性呈现明显的差异：CPB试件在屈服点σ_cd(约在85%应力峰值)之后,振铃计数出现“AE下降区”,而FRB试件在屈服点σ_cd之后,振铃计数则表现出明显的“AE上升区”。研究结果不仅能够为推广玻璃纤维充填体的应用提供理论指导,且可为玻璃纤维增强充填体达到其峰值强度预测提供声发射判据。     

胶结充填体早期损伤对后期力学性能影响机制研究

为探究胶结充填体早期损伤对后期力学性能影响机制，将龄期3,7,14,21 d的充填体施加4种不同程度的静载损伤，养护28 d后开展单轴压缩试验、超声波测试、电镜微观结构扫描，从宏–细–微三个尺度探讨充填体早期损伤对后期力学性能影响机制。结果表明：损伤对龄期3和7 d充填体后期抗压强度影响较小，在一定压损条件下充填体后期抗压强度上升，对龄期14和21 d充填体后期抗压强度均产生弱化作用，对各个龄期充填体后期弹性变形能力起到强化作用；基于波速变化建立损伤程度与充填体力学特性之间的定量关系，发现损伤龄期3和7 d充填体存在损伤阈值和修复阈值；随着损伤程度的增大，充填体内部结构由数量较多的细小裂隙逐渐扩大为单一裂隙，裂隙断面处的连接物质主要为水化产物C-S-H网状凝胶；龄期3和7 d充填体内部存在大量未完全水化的水泥颗粒，养护后期产生的凝胶产物足以填充大部分损伤裂隙，故损伤对其后期抗压强度影响较小，而龄期14和21 d充填体未完全水化的水泥颗粒减少，后期产生的凝胶产物不足以填充损伤裂隙，内部结构颗粒之间联系较差，故损伤对其后期抗压强度弱化作用显著。研究结果可为矿山充填体工作提供指导意义。     

粉煤灰混凝土力学性能及其结构实体强度时变模型研究

本文通过采用泵送粉煤灰混凝土浇筑成型大型结构实体模拟模型与标准立方体试件,研究龄期14~360d粉煤灰混凝土的立方体抗压强度与从墙体、楼板混凝土中钻取的芯样抗压强度以及芯样抗压强度与立方体抗压强度之比等力学性能指标及其区别与联系。试验结果表明:(1)粉煤灰混凝土立方体试件及实体结构芯样抗压强度均随龄期呈自然对数增长规律;(2)立方体试件与标准芯样试件抗压强度存在尺寸效应现象,研建了基于28d立方体强度的以芯样强度表征结构实体抗压强度的推定公式;(3)同龄期、同混凝土强度等级的墙体与楼板混凝土中钻取的芯样抗压强度存在差异,经统计给出其相关的数学换算模型。研究结果可供施工期工程结构混凝土强度质量检测与控制参考。     

含气量对大掺量粉煤灰混凝土强度的影响

为了研究含气量对大掺量粉煤灰混凝土强度的影响,制备了掺量为30％、40％、50％及水胶比为0.41、0.36、0.34、0.28的粉煤灰引气混凝土标准试件,进行了3、7、28 d抗压强度试验.结果显示,随着含气量增加,混凝土抗压强度下降1.07％～7.49％,不同掺量及水胶比的混凝土在不同龄期强度下的降低幅度存在差异.     

预制孔岩石破坏过程中的声发射时空演化特征研究

选取粗粒花岗岩和细粒砂岩,通过预制方孔和圆孔,开展单轴加载条件下岩石破坏声发射试验。采用单纯形定位算法,对岩石破裂过程中的声发射时空演化规律进行研究,并对声发射活动特征、能量释放率和空间相关长度进行分析。研究结果表明：对于预制孔间距与预制孔尺寸相同的试件,声发射事件主要在岩石中部群集,试件以中部剪切破坏为主,声发射三维定位事件直观反映裂纹初始、扩展直至贯通的动态演化过程;在整个加载过程中,颗粒较粗且大小不均的花岗岩试件声发射活动性较强,颗粒较细且均匀的砂岩试件声发射活动性在加载后期才开始增强;岩石破坏前,小尺度裂纹合并贯通形成大尺度裂纹,声发射率下降,能量释放率增强,出现声发射信号“平静”而能量释放“不平静”的现象;岩石在受载过程中,应力场通过迁移和重新分布逐步建立起长程相关性;岩石破坏前,空间相关长度显著增加,且在岩石破坏时达到最大值。     

碱化稻草纤维对尾砂充填体力学性能的影响

将经过浓度为4%的Na OH溶液碱化处理过的稻草纤维作为加筋材料用于尾砂充填体试件的制备,研究了灰砂比、碱化稻草纤维的长度和掺量对尾砂充填体试件抗压强度的影响,并借助扫描电镜（SEM）从微观角度分析了碱化稻草纤维的作用机理。结果表明：随着碱化稻草纤维掺量的增加,试件的抗压强度下降;随着碱化稻草纤维长度的增加,试件的抗压强度先增大后减小;未碱化稻草纤维对试件抗压强度的降低程度显著大于碱化稻草纤维;随着灰砂比的减小,试件的抗压强度降低。     

磷石膏废石胶结充填体强度特性正交试验研究

基于正交试验法设计了磷石膏废石胶结充填体强度测试方案,对9组不同配比、不同浓度、不同组合方式的废石胶结充填体进行了28 d龄期的单轴抗压试验。通过对试验结果的直观分析和方差分析,发现黄磷渣对磷石膏废石胶结充填体抗压强度起决定性作用,料浆浓度是影响抗压强度的显著因素,废石质量比例和废石与料浆的排列方式是影响抗压强度的非显著性因素,废石与料浆的排列方式会一定程度的影响充填体的破坏模式。废石胶结充填体强度试验结果进一步验证了矿山采用磷石膏废石胶结充填方案的合理性和可行性。     

不同应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性

 对大理岩试样进行常规三轴和卸围压破坏过程的声发射参数测试,研究加荷和卸荷两种应力路径下大理岩破坏过程的声发射特性差异。结果表明,常规三轴试验中,声发射幅值随着围压的增加逐渐增大,岩样破坏前的声发射累计释放能量呈线性增加,最大振铃计数率和能量计数率不是出现在峰值,而是出现在峰后应力跌落阶段,峰值应力前的屈服阶段和残余强度前各存在一个平静期,振铃计数率的每个突增都与应力降相对应。卸围压试验中,岩样破坏后声发射幅值明显增大,卸荷开始后振铃计数率和能量计数率出现突增,声发射累计释放能量呈非线性迅速增加,根据声发射累计释放能量增速可以将岩样破坏过程分为3个阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段,在大规模声发射出现前期会出现平静期,两者会交替发生。与常规三轴试验相比,卸荷声发射振铃计数率更大,累计释放能量更高,说明大理岩卸荷破坏更加剧烈。     

充填体与岩体三维能量耗损规律及合理匹配

 根据灰砂配比为1∶4,1∶8,1∶10和1∶12的4种胶结充填体力学试验结果,揭示不同配比充填体三维损伤耗能规律。针对矿床开采岩体应力转移并释放能量特征,探索矿床开采过程中岩体三维能量释放规律。研究结果表明,矿体埋藏越深,开挖岩体释放能量越高;岩体弹性模量越高或泊松比越低,岩体释放能量越小。根据充填体与岩体耦合作用的三维能量耗损特征,探讨充填体与岩体的合理匹配,并用该匹配模型验证安庆铜矿采用最低充填配比1∶12开采矿石是可行的。研究发现,充填体与岩体的匹配系数K和三维原岩应力、岩体及充填体力学参数相关,不同开采技术条件必须设计合适的充填体抗压强度才能实现与岩体匹配。     

胶结充填体损伤演化尺寸效应研究

尺寸效应是影响胶结充填体抗压强度、变形破坏及损伤演化的一个重要因素。基于此,采用WAW–300微机电液伺服万能试验机、声发射和超声波监测系统,选取尺寸为50,70和100 mm的方形试样进行单轴压缩试验,通过分析声发射参数与超声波波速变化规律,探讨不同尺寸胶结充填体损伤演化规律。研究结果表明:(1)随着尺寸的增加,胶结充填体抗压强度表现出先增后减趋势,破坏形式由劈裂破坏为主向剪切破坏为主转化;(2)声发射参数与超声波波速变化规律表现出明显的阶段性与波动性特征:随尺寸的增加,声发射振铃累计计数曲线在平静期内趋于平缓,但在活跃期内上升幅度更高,超声波波速在平静期与活跃期内下降幅度均增加;(3)胶结充填体损伤演化过程中的耗散能量是影响其抗压强度的内在因素,峰后破坏过程中的损伤程度是影响其破坏形式的主要原因。研究成果可为不同尺寸胶结充填体破裂预测提供指导。     

矿渣及粉煤灰混凝土力学性能试验研究

将矿渣和粉煤灰分别等掺量替代水泥,制备了矿渣混凝土和粉煤灰混凝土立方体试件,检测了不同龄期的混凝土抗压强度,探讨了其力学性能变化规律,试验结果表明:在等量替代水泥的情况下,矿渣混凝土比粉煤灰混凝土的抗压强度大;粉煤灰混凝土的后期强度比普通混凝土大;矿渣、粉煤灰混凝土随着掺量的增大,其强度均不断降低。     

电石渣-火山灰质胶凝材料固化盐渍土试验研究

以电石渣、粉煤灰和碱激发剂作为原材料制备一种盐渍土固化剂,采用正交试验方法研究各因素对固化盐渍土击实性能和抗压强度的影响,并探索电石渣-火山灰质胶凝体系固化盐渍土的固化机理和水化产物。结果表明:各因素对固化盐渍土抗压强度的影响顺序为:碱激发剂>胶凝材料掺量>m(电石渣)∶m(粉煤灰);固化盐渍土养护7 d抗压强度和水稳定性满足实际工程中对固化盐渍土强度的需求;在电石渣和碱激发剂双重激发下粉煤灰发生火山灰反应,反应产物以水化硅酸钙凝胶、钙矾石和二水石膏为主。当养护龄期为360 d时,试件内未发现明显的Ca(OH)2存留,说明固化土试件养护360 d时,火山灰反应基本完成。     

贯通充填裂隙类岩石渗流特性试验研究

利用3D打印技术制作平行、合并、T型、斜交以及正交裂隙,通过模具浇筑成贯通充填裂隙类岩石试样,应用低渗透岩石惰性气体渗透测试系统测试不同围压加卸载条件下贯通充填裂隙类岩石渗流特性,研究具有不同渗透结构面试样在不同围压作用下气体渗透率的变化规律。通过试验研究发现:充填物相同情况下,开度相同,形式不同的渗透结构面试样渗透率不同,但数量级上不存在差异,以围压加载25 MPa为例,平行裂隙试样渗透率最大,合并裂隙试样渗透率最小;试样渗透率随围压变化曲线在围压加载阶段高于卸载阶段,不同渗透结构面试样渗透率随围压变化波动幅度不同;围压加载阶段贯通充填裂隙类岩石渗透率与围压关系符合多项式函数;不同试样渗透率对应力敏感系数随围压变化曲线在围压加载阶段变化趋势不尽相同,在围压卸载阶段各曲线变化趋于接近,呈"W"型,贯通充填裂隙类岩石渗透率对应力敏感性受渗透结构面影响。     

粉煤灰充填材料早龄期物理力学特性及其水化过程分析

 针对粉煤灰充填材料早期强度低、变形量大、流动性差、泌水严重等缺陷,基于电阻率法和力学特性测试法研究3种配比粉煤灰充填材料早龄期的体积电阻率、孔隙溶液电阻率、单轴抗压强度和弹性模量随时间的变化规律;结合充填材料初始孔隙度和1 d孔隙度的测试结果,对孔隙度随时间的变化规律作进一步分析。结果表明：(1) 材料的体积电阻率随时间呈升高、降低、再升高的变化规律,孔隙溶液的电阻率随时间呈先急剧下降后趋于稳定的变化规律,但材料的电阻率变化在时间上和数值上受粉煤灰掺量的影响;(2) 材料的单轴抗压强度和弹性模量随水化时间的延长而增大,随粉煤灰掺量的增加而降低;(3) 材料的孔隙度随水化时间的延长呈负指数规律降低,随粉煤灰掺量的增加先降低后增加;(4) 在水化后期,材料的单轴抗压强度和弹性模量与其体积电阻率呈对数相关;(5) 材料早龄期的水化过程可分为吸附期、溶解期、凝结期和硬化期4个阶段。研究结果为进一步了解、改善粉煤灰充填材料早龄期的物理力学特性和实现材料特性的无损检测提供了一定的理论与应用参考。     

低温条件下水泥-粉煤灰复合胶凝体系早期强度的研究

在固定水胶比的条件下研究了不同温度,不同粉煤灰掺量及亚硝酸钠的掺入对低温条件下水泥-粉煤灰复合胶凝体系早期强度的影响规律。研究结果表明:在5～-10℃范围内,随着温度的降低,胶凝材料的水化加速期出现不同程度的滞后,胶砂试件养护龄期为14 d时,0℃及0℃以下条件下养护的不同配合比的复合胶凝材料体系的抗压、抗折强度已基本接近,但仍低于5℃养护条件下同龄期同配合比的胶砂试件强度;在-5℃和-10℃两个养护温度下,随着粉煤灰掺量的增多,其胶砂试件的抗折、抗压强度均呈现不同程度的降低,但是粉煤灰掺量小于10%时,胶砂试件的抗折、抗压强度受温度影响较小,大于10%时,胶砂试件的抗折、抗压强度受温度影响较大;5℃养护条件下,亚硝酸钠的加入增加了同一配合比下胶砂试件的抗折强度,却降低了同一配合比下胶砂试件的抗压强度。     

掺粉煤灰再生混凝土声发射检测试验研究

为了研究再生混凝土内部损伤随应力变化的演变规律,基于声发射技术对龄期为14 d、28 d、60 d的不同再生粗骨料替代率和不同粉煤灰掺量的混凝土进行了动态检测,获得了表征掺粉煤灰再生混凝土损伤演化过程的典型能量-应力图、撞击累计数-应力曲线以及声发射损伤定位图,探究了再生粗骨料替代率、粉煤灰掺量和龄期对声发射参数的影响,揭示了各应力阶段与内部损伤情况的关系。结果表明:再生粗骨料替代率越高,压密阶段占整个应力上升阶段的时间越长,由1/5上升到1/2,且各阶段的划分不突出,应力破坏阶段相应提前;掺加适量的粉煤灰可以密实再生混凝土内部的初始缺陷,但是,当粉煤灰掺量为30%时,试块在塑性阶段的撞击累计数开始出现剧增现象,使得捕捉材料破坏的预兆信息提前;不同龄期对再生混凝土的内部初始缺陷有一定影响,尤其体现在压密阶段和破坏阶段的撞击累计数上。     

尾砂胶结充填体裂纹演化多尺度特征

为了研究尾砂胶结充填体在单轴压缩作用下的裂纹演化特征,利用电子万能试验机、声发射、扫描电镜和DIC技术开展单轴受载胶结充填体损伤试验,探究胶结充填体从微裂纹的萌生、扩展、贯通,直至宏观裂纹产生的多尺度演化过程。研究表明：(1)试样单轴压缩过程中破坏模式属于延性破坏,裂纹贯通形式为剪切贯通。(2)胶结充填体内部微裂隙、孔洞呈弥散、随机分布,内部形态多以块状、团状、片网状存在,内部结构较致密,整体性较好。(3)加载初期试样裂纹扩展为张拉裂纹,后期裂纹扩展为剪切裂纹,二者共同作用产生了宏观主裂纹与次裂纹,裂纹间的贯通最终导致试样破坏。(4)同一时刻不同监测点的应变变化与其所处的试样空间位置有关,越靠近试样下端面,应变越大,应变变化幅度也越大;试样存在临界破坏区域,使得弹性与塑性应变、应变增幅之间存在明显的差异性。     

矸石充填开采顶板裂隙分布及演化特征分析

为了分析矸石充填条件下采空区顶板的破裂特征和运动过程,针对唐山矿矸石充填工作面条件,采用倾斜钻孔探测方法,对采空区顶板进行长期多次定点探测,通过裂隙密度定量描述顶板采动裂隙的分布规律,并采用相似模型试验的方法进行辅助分析,揭示矸石充填开采顶板裂隙发育过程。研究表明：矸石充填开采条件下,顶板中的离层和错动等结构裂隙通常出现在岩层分界处,裂隙形式与所处层位相关;随工作面开采,煤层顶板活动具有裂隙孕育、裂隙超前发育、裂隙密集发育、裂隙稳态扩展、顶板稳定5个阶段特征;离层是顶板下沉的主要组成部分,占总下沉量的一半以上。研究结果可为充填开采支护设计、工作面支架选型等提供理论依据。     

含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取

不同含水状态对煤岩样损伤演化过程有重要的影响,为了研究不同含水状态煤岩样单轴压缩全过程煤岩样损伤演化过程能量释放规律,并基于能量贡献率与振铃计数贡献率共同准则拾取关键孕灾声发射信号,以指导声发射技术在岩体工程监测和灾害预警中的应用。利用岩石力学试验系统和全信息声发射信息分析仪,开展不同含水状态煤岩样的单轴压缩试验,主要对不同含水状态下煤岩样的力学特性、能量释放规律、破坏模式以及关键部位孕灾声发射信号进行拾取。试验结果表明,不同含水状态煤岩样力学性质各不相同,含水率的增大能有效弱化煤岩样强度。不同含水状态煤岩样能量释放规律各不相同,水在软化煤岩基质的同时,也对弹性应变能进行大量吸收,进一步导致含水煤岩受载屈服阶段弹性应变能占比增大,耗散应变能迅速降低,对应蓄能期(声发射平静期),待其孔隙水压力增大到对裂隙进行了扩展与贯通,即试样马上进入破坏阶段。不同含水状态下煤岩样单轴压缩破坏模式均为剪切形式,且含水率增大,剪切裂纹趋于复杂。同时验证了基于能量贡献率和振铃计数贡献率计算准则的声发射信号拾取方法可行,并与其他常规声发射参数形成对应关系,可为具体分析前兆特征分析和灾变预警提供参考。