改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 张钊刘长武王一冰郭兵兵 Characteristics and comparative analysis of compressive and shear strengths of modified high-water materials ZHANG Zhao,LIU Chang-wu,WANG Yi-bing.GUO Bing-bing 引用本文： 张钊，刘长武，王一冰，郭兵兵.改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析.工程科学学报，2021,43(4)：552-560.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2020.01.21.001 ZHANG Zhao,LIU Chang-wu,WANG Yi-bing,GUO Bing-bing.Characteristics and comparative analysis of compressive and shear strengths of modified high-water materials[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(4):552-560.doi:10.13374/j.issn2095- 9389.2020.01.21.001 在线阅读View online:https::/oi.org10.13374.issn2095-9389.2020.01.21.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析 Association analysis of expansion crack development characteristics and uniaxial compressive strength property of sulphide- containing backfill 工程科学学报.2018.401)：9 https:/doi.org10.13374j.issn2095-9389.2018.01.002 粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析 Experimental study and analysis of the mechanical properties of high-water-content materials modified with fly ash 工程科学学报.2018.40(10)：1187 https:/1doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.10.005 干湿循环作用对水泥基复合充填材料的影响 Effects of dry-wet circulation on cement-based composite filling materials 工程科学学报.2019,41(12：1609 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.03.05.001 不同粗骨料对膏体凝结性能的影响及配比优化 Optimization of the effect and formulation of different coarse aggregates on performance of the paste backfill condensation 工程科学学报.2020,42(7)：829htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.14.005 透辉石粉的火山灰反应特性 Ash reactivity characteristics of diopside powder 工程科学学报.2018,40(6)：658 https:/1doi.org/10.13374.issn2095-93892018.06.002 聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 Strength and deformation properties of polypropylene fiber-reinforced cemented tailings backfill 工程科学学报.2019,41(12：1618htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.12.14.002

改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 张钊 刘长武 王一冰 郭兵兵 Characteristics and comparative analysis of compressive and shear strengths of modified high-water materials ZHANG Zhao, LIU Chang-wu, WANG Yi-bing, GUO Bing-bing 引用本文: 张钊, 刘长武, 王一冰, 郭兵兵. 改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析[J]. 工程科学学报, 2021, 43(4): 552-560. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.21.001 ZHANG Zhao, LIU Chang-wu, WANG Yi-bing, GUO Bing-bing. Characteristics and comparative analysis of compressive and shear strengths of modified high-water materials[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(4): 552-560. doi: 10.13374/j.issn2095- 9389.2020.01.21.001 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.21.001 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 含硫充填体膨胀裂隙发育特性与单轴抗压强度的关联分析 Association analysis of expansion crack development characteristics and uniaxial compressive strength property of sulphide￾containing backfill 工程科学学报. 2018, 40(1): 9 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.01.002 粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析 Experimental study and analysis of the mechanical properties of high-water-content materials modified with fly ash 工程科学学报. 2018, 40(10): 1187 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.005 干湿循环作用对水泥基复合充填材料的影响 Effects of dry-wet circulation on cement-based composite filling materials 工程科学学报. 2019, 41(12): 1609 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.05.001 不同粗骨料对膏体凝结性能的影响及配比优化 Optimization of the effect and formulation of different coarse aggregates on performance of the paste backfill condensation 工程科学学报. 2020, 42(7): 829 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.14.005 透辉石粉的火山灰反应特性 Ash reactivity characteristics of diopside powder 工程科学学报. 2018, 40(6): 658 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.002 聚丙烯纤维加筋固化尾砂强度及变形特性 Strength and deformation properties of polypropylene fiber-reinforced cemented tailings backfill 工程科学学报. 2019, 41(12): 1618 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.14.002

工程科学学报.第43卷.第4期：552-560.2021年4月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.4:552-560,April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.21.001;http://cje.ustb.edu.cn 改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 张钊2，刘长武2)区，王一冰1,2)，郭兵兵) 1)四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都6100652)四川大学水利水电学院，成都6100653)河南工程学院安全工 程学院.郑州451191 ☒通信作者.E-mail:liuchangwu@scu.edu.cn 摘要以高水充填材料为载体，用聚乙烯塑料(PE)对其进行改性，研究了改性高水材料的抗压、抗剪强度特征，并对结果进 行了对比分析.结果表明：随PE粉掺量的增加，改性高水材料的抗压、抗剪强度均呈现降低的趋势，改性高水材料各应力应 变曲线与纯高水材料有明显区别.纯高水材料的残余强度更高，改性高水材料的残余强度普遍较低，而剪切位移曲线变化不 明显：PE粉的加入明显改变了材料的生成物形貌以及微观结构，随掺量的增加逐渐由纤维网状结构向絮凝块状结构变化，而 且生成物之间更容易形成尺寸较大的贯穿孔洞：改性高水材料的抗剪强度明显低于抗压强度.，表明改性类高水充填材料不宜 用于倾角较大的煤层 关键词废弃塑料：高水材料：抗压强度：抗剪强度：微观形貌 分类号TU599 Characteristics and comparative analysis of compressive and shear strengths of modified high-water materials ZHANG Zhao 2.LIU Chang-wu2,WANG Yi-bing2,GUO Bing-bing 1)State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering,Sichuan University,Chengdu 610065,China 2)College of Water Resource Hydropower,Sichuan University,Chengdu 610065,China 3)College of Safety Engineering,Henan University of Engineering,Zhengzhou 451191,China Corresponding author,E-mail:liuchangwu@scu.edu.cn ABSTRACT Pollution from waste plastics has become one of today's most serious environmental problems,and the recycling of waste plastics is a research hotspot.High-water materials are widely used in mine-filling operations,leak prevention,flame-retardant fire extinguishers,and other related applications due to their advantages of not blocking pipes,ease of pumping,high early strength,and environmental friendliness.These materials are also commonly referred to as high-water quick-setting materials and high-water filling materials.Despite their advantages,high-water materials also have some shortcomings in practical applications such as the need for a large volume of materials and their high engineering costs.Currently,research on waste-doped modified high-water materials has become an important focus in the development of high-water materials.Using this approach,waste can be treated effectively at a reduced cost by the appropriate replacement of materials.The high-water filling material modified with polyethylene plastic(PE)was used as a carrier.The compressive and shear strengths of the modified materials were determined,and the results were compared and analyzed. The results reveal that with increases in the PE powder content,the compressive and shear strengths of the modified high-water material exhibit a decreasing trend.The stress-strain curves of the modified high-water material obviously differ from those of unmodified high- water material.The residual strength of the unmodified material is higher,that of the modified high-water material is generally low,and 收稿日期：2020-01-21 基金项目：河南省科技攻关资助项目(192102310198)

改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 张    钊1,2)，刘长武1,2) 苣，王一冰1,2)，郭兵兵3) 1) 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065    2) 四川大学水利水电学院，成都 610065    3) 河南工程学院安全工 程学院，郑州 451191 苣通信作者，E-mail: liuchangwu@scu.edu.cn 摘    要    以高水充填材料为载体，用聚乙烯塑料（PE）对其进行改性，研究了改性高水材料的抗压、抗剪强度特征，并对结果进 行了对比分析. 结果表明：随 PE 粉掺量的增加，改性高水材料的抗压、抗剪强度均呈现降低的趋势，改性高水材料各应力应 变曲线与纯高水材料有明显区别，纯高水材料的残余强度更高，改性高水材料的残余强度普遍较低，而剪切位移曲线变化不 明显；PE 粉的加入明显改变了材料的生成物形貌以及微观结构，随掺量的增加逐渐由纤维网状结构向絮凝块状结构变化，而 且生成物之间更容易形成尺寸较大的贯穿孔洞；改性高水材料的抗剪强度明显低于抗压强度，表明改性类高水充填材料不宜 用于倾角较大的煤层. 关键词    废弃塑料；高水材料；抗压强度；抗剪强度；微观形貌 分类号    TU599 Characteristics  and  comparative  analysis  of  compressive  and  shear  strengths  of modified high-water materials ZHANG Zhao1,2) ，LIU Chang-wu1,2) 苣 ，WANG Yi-bing1,2) ，GUO Bing-bing3) 1) State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China 2) College of Water Resource & Hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, China 3) College of Safety Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China 苣 Corresponding author, E-mail: liuchangwu@scu.edu.cn ABSTRACT    Pollution from waste plastics has become one of today’s most serious environmental problems, and the recycling of waste plastics  is  a  research  hotspot.  High-water  materials  are  widely  used  in  mine-filling  operations,  leak  prevention,  flame-retardant  fire extinguishers, and other related applications due to their advantages of not blocking pipes, ease of pumping, high early strength, and environmental friendliness. These materials are also commonly referred to as high-water quick-setting materials and high-water filling materials. Despite their advantages, high-water materials also have some shortcomings in practical applications such as the need for a large  volume  of  materials  and  their  high  engineering  costs.  Currently,  research  on  waste-doped  modified  high-water  materials  has become an important focus in the development of high-water materials. Using this approach, waste can be treated effectively at a reduced cost by the appropriate replacement of materials. The high-water filling material modified with polyethylene plastic (PE) was used as a carrier. The compressive and shear strengths of the modified materials were determined, and the results were compared and analyzed. The results reveal that with increases in the PE powder content, the compressive and shear strengths of the modified high-water material exhibit a decreasing trend. The stress–strain curves of the modified high-water material obviously differ from those of unmodified high￾water material. The residual strength of the unmodified material is higher, that of the modified high-water material is generally low, and 收稿日期: 2020−01−21 基金项目: 河南省科技攻关资助项目（192102310198） 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期：552−560，2021 年 4 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 4: 552−560, April 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.21.001; http://cje.ustb.edu.cn

张钊等：改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 553· no shear displacement curve is evident.The addition of PE powder obviously changes the morphology and microstructure of the material.With increasing PE content,the material gradually changes from having a fiber network structure to a flocculated block structure,in which the formation of larger through holes easily occurs between the products.The shear strength of the modified high- water material is significantly lower than the compressive strength,which indicates that the modified high-water filling is not suitable for coal seams with a large inclination. KEY WORDS waste plastic;high-water material;compressive strength;shear strength;micromorphology 高水材料是20世纪80年代发明的一种新型 Φ50mm)用于单轴压缩试验：另外一种为20mm× 无机胶凝材料，也被称为高水速凝材料山.因其具 61.8mm的不锈钢环刀模具，用于直接剪切试 有不堵管、易泵送、早期强度高以及绿色环保等 验.试样脱模后置于(20吐2)℃的水环境中进行 优点，已经广泛应用于矿井充填、堵漏和阻燃灭火 养护 等相关工程-，因此也被广泛称之为高水充填材 料.考虑到高水材料在实际应用中用量大、成本 表1材料配比表 高的特点，目前有关废弃物掺杂改性高水材料的 Table 1 Material proportions 研究已成为高水材料发展的重要方向-11 Type of Quality Quality of Quality of of Quality of Quality Quality “白色污染”问题已经成为当今世界最严重的 specemen material material material material B-B of PE of water A A-A B 环境问题之一，Geyer等l4-1研究发现1950年全 120 12 120 4.8 0 770.4 球塑料产量是200万吨，而到了2015年则增加至 0 120 12 120 4.8 12.84808.92 4亿吨，这一产量超过了除水泥、钢铁外的任何一 E 120 12 120 4.8 25.68847.44 种人造材料.而在人类生产的共83亿吨塑料中， 120 12 120 4.8 38.52885.96 已有63亿吨塑料彻底成为废弃物，这些废弃的塑 G 120 12 120 4.8 51.36924.48 料制品中，只有9%被回收，另有12%被焚烧处 理，剩余79%的废弃塑料则深埋在垃圾填埋场或 1.2试验方案 在自然环境中累积.近年来人们已经认识到废弃 为了深入探究改性高水材料不同的强度特 塑料造成污染的严重性，开始思考如何正确使用 征，对养护3、7、14和28d不同龄期的掺PE粉高 塑料制品，并且对废弃塑料的再次回收利用也逐 水材料分别进行单轴压缩试验（图1）和直接剪切 步开展相应的研究61y 试验（图2）.单轴压缩试验通过位移控制加载速 因此，在已有研究的基础上，结合相关的研究 结果，针对改性高水材料的抗压、抗剪强度做了相 度，设定加载速度为3 mm:min;剪切试验选取轴 关研究，不仅揭示了改性高水材料的强度特征，也 向力为200kPa,速率选定为0.8 mm:min.然后利 对其适用性进行了探讨 用扫描电镜(SEM)对高水材料进行微观形貌分 析.最后结合抗压强度和剪切强度对比分析讨论 1试样制作与试验方案 改性高水材料在煤矿充填的适用条件 1.1试样制作 确定高水充填材料水灰比为3：1，四种固定成 分的质量比为A:A-A:B:B-B=1:0.1:1:0.04. 按原高水材料的四种固定成分以总质量百分比进 行添加PE粉，其质量分数分别为0、5%、10%、 15%、20%,获得的新型材料试件分别记为C、D、 E、F、G.材料配比如表1所示2o.制作试样时，先 将甲料混合，再将乙料混合，分别加水搅拌均匀， 最后将两种浆液再混合，并摻入称量好的塑料粉 末，搅拌均匀后将混合浆液倒入模具中，模具的规 格分两种，一种的规格按照《水利水电工程岩石试 图1ETM104B力学试验机 验规程》规定，取高径比约为2：1(100mm× Fig.1 Photograph of ETM104B mechanical testing machine

no  shear  displacement  curve  is  evident.  The  addition  of  PE  powder  obviously  changes  the  morphology  and  microstructure  of  the material.  With  increasing  PE  content,  the  material  gradually  changes  from  having  a  fiber  network  structure  to  a  flocculated  block structure, in which the formation of larger through holes easily occurs between the products. The shear strength of the modified high￾water material is significantly lower than the compressive strength, which indicates that the modified high-water filling is not suitable for coal seams with a large inclination. KEY WORDS    waste plastic；high-water material；compressive strength；shear strength；micromorphology 高水材料是 20 世纪 80 年代发明的一种新型 无机胶凝材料，也被称为高水速凝材料[1] . 因其具 有不堵管、易泵送、早期强度高以及绿色环保等 优点，已经广泛应用于矿井充填、堵漏和阻燃灭火 等相关工程[2−6] ，因此也被广泛称之为高水充填材 料. 考虑到高水材料在实际应用中用量大、成本 高的特点，目前有关废弃物掺杂改性高水材料的 研究已成为高水材料发展的重要方向[7−13] . “白色污染”问题已经成为当今世界最严重的 环境问题之一，Geyer 等[14−15] 研究发现 1950 年全 球塑料产量是 200 万吨，而到了 2015 年则增加至 4 亿吨，这一产量超过了除水泥、钢铁外的任何一 种人造材料. 而在人类生产的共 83 亿吨塑料中， 已有 63 亿吨塑料彻底成为废弃物，这些废弃的塑 料制品中，只有 9% 被回收，另有 12% 被焚烧处 理，剩余 79% 的废弃塑料则深埋在垃圾填埋场或 在自然环境中累积. 近年来人们已经认识到废弃 塑料造成污染的严重性，开始思考如何正确使用 塑料制品，并且对废弃塑料的再次回收利用也逐 步开展相应的研究[16−19] . 因此，在已有研究的基础上，结合相关的研究 结果，针对改性高水材料的抗压、抗剪强度做了相 关研究，不仅揭示了改性高水材料的强度特征，也 对其适用性进行了探讨. 1    试样制作与试验方案 1.1    试样制作 确定高水充填材料水灰比为 3∶1，四种固定成 分的质量比为 A∶A–A∶B∶B–B=1∶0.1∶1∶0.04. 按原高水材料的四种固定成分以总质量百分比进 行 添 加 PE 粉 ，其质量分数分别 为 0、 5%、 10%、 15%、20%，获得的新型材料试件分别记为 C、D、 E、F、G. 材料配比如表 1 所示[20] . 制作试样时，先 将甲料混合，再将乙料混合，分别加水搅拌均匀， 最后将两种浆液再混合，并掺入称量好的塑料粉 末，搅拌均匀后将混合浆液倒入模具中，模具的规 格分两种，一种的规格按照《水利水电工程岩石试 验规程 》 [21] 规定 ，取高径比约 为 2∶1 (100 mm× ϕ50 mm) 用于单轴压缩试验；另外一种为 20 mm× ϕ61.8 mm 的不锈钢环刀模具 ，用于直接剪切试 验. 试样脱模后置于 (20±2) ℃ 的水环境中进行 养护. 1.2    试验方案 为了深入探究改性高水材料不同的强度特 征，对养护 3、7、14 和 28 d 不同龄期的掺 PE 粉高 水材料分别进行单轴压缩试验（图 1）和直接剪切 试验（图 2）. 单轴压缩试验通过位移控制加载速 度，设定加载速度为 3 mm·min−1；剪切试验选取轴 向力为 200 kPa，速率选定为 0.8 mm·min−1 . 然后利 用扫描电镜（SEM）对高水材料进行微观形貌分 析. 最后结合抗压强度和剪切强度对比分析讨论 改性高水材料在煤矿充填的适用条件. 表 1    材料配比表 Table 1    Material proportions g Type of specemen Quality of material A Quality of material A–A Quality of material B Quality of material B–B Quality of PE Quality of water C 120 12 120 4.8 0 770.4 D 120 12 120 4.8 12.84 808.92 E 120 12 120 4.8 25.68 847.44 F 120 12 120 4.8 38.52 885.96 G 120 12 120 4.8 51.36 924.48 图 1    ETM104B 力学试验机 Fig.1    Photograph of ETM104B mechanical testing machine 张    钊等： 改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 · 553 ·

554 工程科学学报，第43卷，第4期 每一个试件的应力-应变曲线，不同PE粉掺量以 及不同龄期试件的应力-应变曲线如图3所示 从图3可以看出PE粉的掺入明显改变了高水 材料的应力-应变曲线特征.曲线均包含孔隙压 密、弹性变形、屈服和破坏四个阶段，但与纯高水 材料相比，改性高水材料在这四个阶段表现出不 同的特征 孔隙压密阶段：纯高水材料孔隙压密阶段较 为明显，且不随养护龄期的改变而改变，表明纯高 水材料内部的孔隙结构一直存在，只是在不同时 期孔隙大小和数量不同：而改性高水材料在养护 龄期为3d和7d时，孔隙压密阶段不明显，养护 14d以后以及28d时，该阶段较为明显，这是由于 图2DSJ-3型等应变直剪仪 养护前期PE粉的摻人适当地填充了原纯高水材 Fig.2 Photograph of DSJ-3isostrain direct shear instrument 料之间的孔隙，使得孔隙的数量以及空间得到减 2试验结果与分析 小.而随着养护时间的增长，PE粉吸水软化从而 导致充填效果降低，大量的孔隙空间增长表现为 2.1单轴压缩试验结果 试件加载过程中孔隙压密阶段的呈现 高水材料用于煤矿井下充填时，常受到煤层 弹性变形阶段：纯高水材料以及PE粉掺量较 顶、底板之间的挤压作用，因此使得充填体的受力 少时，该阶段的曲线较明显而且范围较长：PE粉 情况为单轴荷载，沿空留巷的充填体更是如此.因 掺量较多时，该阶段的曲线特征不明显且范围较 此对于高水充填材料或者摻杂改性的高水充填材 短，改性材料试件E尤为明显 料的单轴压缩试验尤为重要 屈服阶段：该阶段的试件出现了明显的破裂 2.1.1应力-应变曲线 面，且破裂不断发展，PE粉的摻量较大时，试件的 实验过程中，可由ETM力学试验机直接获得 破坏发生迅速，表现为该阶段的曲线峰值点低、抗 1.4 1.6 (a) C (b) 1.2 1.4 C --D -D 1.0 E 12 E 0.8 一F -G 0.6 0.4 影o6 .4 0.2 0 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.05 0.10 0.15 0.20 Strain Strain 2.0 2.8 1.8 (c) (d) -C 1.6 2.4 ■"■D 14 20 -E C 一F 0 1.6 ■j 0.8 ■ E 1.2 0.6 2 0.8 0.4 ■j 0.2 0.4 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0 0.05 0.10 0.15 Strain Strain 图3 不同养护龄期的掺PE粉高水材料单轴压缩应力-应变曲线.(a)3d:(b)7d:(c)14d:(d)28d Fig.3 Uniaxial compressive stress-strain curves of PE-powder-doped high-water materials with different curing ages:(a)3 d;(b)7 d;(c)14 d;(d)28 d

2    试验结果与分析 2.1    单轴压缩试验结果 高水材料用于煤矿井下充填时，常受到煤层 顶、底板之间的挤压作用，因此使得充填体的受力 情况为单轴荷载，沿空留巷的充填体更是如此. 因 此对于高水充填材料或者掺杂改性的高水充填材 料的单轴压缩试验尤为重要. 2.1.1    应力–应变曲线 实验过程中，可由 ETM 力学试验机直接获得 每一个试件的应力–应变曲线，不同 PE 粉掺量以 及不同龄期试件的应力–应变曲线如图 3 所示. 从图 3 可以看出 PE 粉的掺入明显改变了高水 材料的应力–应变曲线特征. 曲线均包含孔隙压 密、弹性变形、屈服和破坏四个阶段，但与纯高水 材料相比，改性高水材料在这四个阶段表现出不 同的特征. 孔隙压密阶段：纯高水材料孔隙压密阶段较 为明显，且不随养护龄期的改变而改变，表明纯高 水材料内部的孔隙结构一直存在，只是在不同时 期孔隙大小和数量不同；而改性高水材料在养护 龄期为 3 d 和 7 d 时，孔隙压密阶段不明显，养护 14 d 以后以及 28 d 时，该阶段较为明显，这是由于 养护前期 PE 粉的掺入适当地填充了原纯高水材 料之间的孔隙，使得孔隙的数量以及空间得到减 小. 而随着养护时间的增长，PE 粉吸水软化从而 导致充填效果降低，大量的孔隙空间增长表现为 试件加载过程中孔隙压密阶段的呈现. 弹性变形阶段：纯高水材料以及 PE 粉掺量较 少时，该阶段的曲线较明显而且范围较长；PE 粉 掺量较多时，该阶段的曲线特征不明显且范围较 短，改性材料试件 E 尤为明显. 屈服阶段：该阶段的试件出现了明显的破裂 面，且破裂不断发展，PE 粉的掺量较大时，试件的 破坏发生迅速，表现为该阶段的曲线峰值点低、抗 图 2    DSJ–3 型等应变直剪仪 Fig.2    Photograph of DSJ–3 isostrain direct shear instrument 0 0.05 0.10 0.15 C (a) D E F G 0.20 0 1.4 C D E F G C D E F G C D E F G Stress/MPa Strain 1.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.05 0.10 0.15 (b) 0.20 0 1.6 1.4 Stress/MPa Strain 1.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.05 0.10 0.15 (c) 0.20 0 2.0 1.4 1.6 1.8 Stress/MPa Strain 1.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 0.05 0.10 (d) 0.15 0 2.8 2.4 Stress/MPa Strain 2.0 0.4 0.8 1.2 1.6 图 3    不同养护龄期的掺 PE 粉高水材料单轴压缩应力–应变曲线. （a）3 d；（b）7 d；（c）14 d；（d）28 d Fig.3    Uniaxial compressive stress–strain curves of PE-powder-doped high-water materials with different curing ages: (a) 3 d; (b) 7 d; (c) 14 d; (d) 28 d · 554 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期

张钊等：改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 555 压强度小：纯高水材料以及PE粉掺量较少的试件 大；PE粉掺量较多时，部分填充了孔隙，部分分散 曲线的峰值点较高、抗压强度大，在养护3d和7d 于材料内部形成了弱结构以及新的孔隙，导致材 时，改性材料试件B试件峰值点最大，而养护14d 料强度降低，随着养护时间的增长，生成物的再生 以后以及28d时，纯高水材料的峰值点最高.这是 成导致材料的强度有所提高 由于少量的PE粉填充了原纯高水材料的内部空 2.8 隙，养护时间较短时PE粉的性质改变不明显；养 ◆3d ◆-7d 护时间较长时，PE粉吸水软化导致其性质改变， +-14d 28d 表现为初期强度高于纯高水材料试件，而后期低 于纯高水材料试件 三1.6 破坏阶段：纯高水材料和掺PE粉的高水材料 1.2 在该阶段表现为显著不同的特征，纯高水材料曲 线下降较为缓慢，在应变最大时仍有较高的应力， 即存在较高的残余强度，且随着养护时间的增长 G 而更加明显；改性高水材料曲线下降较为迅速，达 Type of specimen 到最大应变时的应力明显低于纯高水材料试件， 图4不同养护龄期的掺PE粉高水材料抗压强度 且随着PE粉穆量的增加而降低 Fig.4 Compressive strengths of PE-powder-doped high-water materials 2.1.2抗压强度 with different curing ages 试件的抗压强度一般取应力-应变曲线的峰 2.1.3破坏形式 值点应力值，可以根据式(1)进行计算 PE粉的掺入对试件的破坏形式有所改变，图5 P=FA (1) 为养护7d的试件加载破坏形式图.纯高水材料试 其中，p为抗压强度，MPa;F为轴向加载载荷，kN; 件破坏后块体数量较少，块体较大，使得其残余强 A为试样横截面积，mm2. 度较高.掺PE粉的试件破坏后块体数量较多，块 不同龄期的改性高水材料抗压强度如图4所 体较小，表现为残余强度较低.试验过程中发现纯 示.从图4可以看出，随着PE粉参量的增加.试件 高水材料加载过程中有较多的水析出，而掺PE粉 的抗压强度呈降低的趋势：试件的抗压强度整体 的试件几乎没有水析出，这主要是由于纯高水材 上呈现随养护龄期的增加而增长的趋势.较为明 料试件中存在大量的自由水，而掺PE粉的试件由 显的是材料B试件抗压强度随养护龄期的变化不 于PE粉的吸水性导致材料内部的自由水较少 大，而其他摻量的试件均随龄期有明显变化.这主 2.2直剪试验结果 要是因为，较少的PE粉能恰当地充填材料内部的 剪切位移量和剪应力是直剪试验最重要的两 孔隙，使得材料初期的强度较高，但是孔隙的填充 个参数，可由式(2)和式(3)得到 使得材料的生成物在后续时期没有足够的空间， 剪切位移量的计算公式如下： 因此限制了生成物的再生成，表现为强度变化不 i=m-N-R (2) (a) (b) (c) (d) e 图5不同穆量PE粉高水材料单轴抗压破坏形式.(a)C:(b)D:(c)E:(d)F:(d)G Fig.5 Photographs of uniaxial compressive failure modes of high-water materials with different amounts of PE powder:(a)C;(b)D:(c)E,(d)F:(d)G

压强度小；纯高水材料以及 PE 粉掺量较少的试件 曲线的峰值点较高、抗压强度大，在养护 3 d 和 7 d 时，改性材料试件 B 试件峰值点最大，而养护 14 d 以后以及 28 d 时，纯高水材料的峰值点最高. 这是 由于少量的 PE 粉填充了原纯高水材料的内部空 隙，养护时间较短时 PE 粉的性质改变不明显；养 护时间较长时，PE 粉吸水软化导致其性质改变， 表现为初期强度高于纯高水材料试件，而后期低 于纯高水材料试件. 破坏阶段：纯高水材料和掺 PE 粉的高水材料 在该阶段表现为显著不同的特征，纯高水材料曲 线下降较为缓慢，在应变最大时仍有较高的应力， 即存在较高的残余强度，且随着养护时间的增长 而更加明显；改性高水材料曲线下降较为迅速，达 到最大应变时的应力明显低于纯高水材料试件， 且随着 PE 粉掺量的增加而降低. 2.1.2    抗压强度 试件的抗压强度一般取应力–应变曲线的峰 值点应力值，可以根据式（1）进行计算. p = F/A （1） 其中，p 为抗压强度，MPa；F 为轴向加载载荷，kN； A 为试样横截面积，mm2 . 不同龄期的改性高水材料抗压强度如图 4 所 示. 从图 4 可以看出，随着 PE 粉掺量的增加，试件 的抗压强度呈降低的趋势；试件的抗压强度整体 上呈现随养护龄期的增加而增长的趋势. 较为明 显的是材料 B 试件抗压强度随养护龄期的变化不 大，而其他掺量的试件均随龄期有明显变化. 这主 要是因为，较少的 PE 粉能恰当地充填材料内部的 孔隙，使得材料初期的强度较高，但是孔隙的填充 使得材料的生成物在后续时期没有足够的空间， 因此限制了生成物的再生成，表现为强度变化不 大；PE 粉掺量较多时，部分填充了孔隙，部分分散 于材料内部形成了弱结构以及新的孔隙，导致材 料强度降低，随着养护时间的增长，生成物的再生 成导致材料的强度有所提高. 2.1.3    破坏形式 PE 粉的掺入对试件的破坏形式有所改变，图 5 为养护 7 d 的试件加载破坏形式图. 纯高水材料试 件破坏后块体数量较少，块体较大，使得其残余强 度较高. 掺 PE 粉的试件破坏后块体数量较多，块 体较小，表现为残余强度较低. 试验过程中发现纯 高水材料加载过程中有较多的水析出，而掺 PE 粉 的试件几乎没有水析出，这主要是由于纯高水材 料试件中存在大量的自由水，而掺 PE 粉的试件由 于 PE 粉的吸水性导致材料内部的自由水较少. 2.2    直剪试验结果 剪切位移量和剪应力是直剪试验最重要的两 个参数，可由式（2）和式（3）得到. 剪切位移量的计算公式如下： i = m·N −R （2） C E F G D 0 2.8 2.4 Average compressive strength/MPa Type of specimen 3 d 7 d 14 d 28 d 2.0 0.4 0.8 1.2 1.6 图 4    不同养护龄期的掺 PE 粉高水材料抗压强度 Fig.4    Compressive strengths of PE-powder-doped high-water materials with different curing ages (a) (b) (c) (d) (e) 图 5    不同掺量 PE 粉高水材料单轴抗压破坏形式. （a）C；（b）D；（c）E；（d）F；（d）G Fig.5    Photographs of uniaxial compressive failure modes of high-water materials with different amounts of PE powder: (a)C; (b)D; (c)E; (d)F; (d)G 张    钊等： 改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 · 555 ·

556 工程科学学报，第43卷，第4期 其中，i为剪切位移，mm:N为手轮转数；R为百分 示.从图7可以看出，高水材料的抗剪强度整体较 表读数，mm;m为量纲一系数，取20 小，最大不超过460kPa,PE粉明显改变了材料的 剪应力的计算公式如下： 抗剪强度，考虑到试件制作时材料混合不均匀的 Ta=R.C/Ao (3) 影响，整体来看材料的抗剪强度随PE粉掺参量的增 其中，ta为剪切应力，kPa;R为百分表读数，mm;C为 加呈减小的趋势.而在PE粉的质量分数为10% 量力环系数，取1.869：Ao为试样横截面积，mm2 时，其改性高水材料试件的剪切强度却出现了异 2.2.1应力-位移曲线 常高值，这主要是因为与抗压破坏不同的是，剪切 由式(2)和式(3)可分别得到试件的剪切位移 破坏更倾向于材料内部成分之间的接合作用， 量和剪应力，整理可得试件的剪切应力-位移曲 PE粉掺量过高或者过低都会降低各成分之间的接 线，曲线如图6所示 合程度，从而降低材料的剪切强度，在PE粉掺量 从图6可以看出，改性高水材料试件在刚开始 合适的条件即E类改性材料试件成分之间的接合 受剪时位移增加不大，但是应力迅速增加，然后剪 效果达到最好，从而表现为较大的抗剪强度 应力增长趋势变缓，曲线逐渐达到平缓至峰值点， 2.2.3破坏形式 该过程呈现明显的剪切硬化现象；剪应力达到峰 图8是直剪试验结束后的试件，图9是养护 值点后，剪切位移增加较为明显，而剪应力却呈现 7d不同掺量PE粉高水材料剪切破坏面示意图 减小的趋势，即剪切软化现象，养护时间越长的试 从图9可以看出：高水材料的剪切破坏面并不是 件剪切软化现象越明显 光滑平整的，而是呈现凹凸不平的特征，这说明试 2.2.2剪切强度 件在剪切过程中，不同的部位受到的剪切力大小 根据《土工试验规程》四规定：对没有峰值点 是不相同的，表明高水材料内部并非完全均质，存 的曲线，取剪切位移为4mm时对应的剪应力作为 在一些容易产生应力集中的部位，导致应力分布 抗剪强度；而对于有峰值点的曲线，取峰值点的剪 不均而破坏面凹凸不平，掺PE粉的试件可以在破 应力作为抗剪强度.抗剪强度变化规律如图7所 坏面上看到明显的白色颗粒，说明PE粉的确与原 400 400 (a) (b) 350 ◆ 350 300 300 ,* ed/ssan 250 250 200 200 150 150 D 100 100 -E 一F 50 ◆-G % ◆-G 0 3 Shear displacement/mm Shear displacement/mm 500 450 (d) 400 400 350 300 300 “◆ 250 200 每200 150 -C 一D 100 D 100 50 ◆-G ◆-G 2 0 2 4 5 6 Shear displacement/mm Shear displacement/mm 图6 不同养护龄期的PE粉高水材料剪切应力-位移曲线.(a)3d:(b)7d:(c)14d:(d)28d Fig.6 Shear stress-displacement curves of PE-powder-doped high-water materials with different curing ages:(a)3 d;(b)7 d;(c)14 d;(d)28 d

其中，i 为剪切位移，mm；N 为手轮转数；R 为百分 表读数，mm；m 为量纲一系数，取 20. 剪应力的计算公式如下： τα = R·C/A0 （3） 其中，τα 为剪切应力，kPa；R 为百分表读数，mm；C 为 量力环系数，取 1.869；A0 为试样横截面积，mm2 . 2.2.1    应力–位移曲线 由式（2）和式（3）可分别得到试件的剪切位移 量和剪应力，整理可得试件的剪切应力–位移曲 线，曲线如图 6 所示. 从图 6 可以看出，改性高水材料试件在刚开始 受剪时位移增加不大，但是应力迅速增加，然后剪 应力增长趋势变缓，曲线逐渐达到平缓至峰值点， 该过程呈现明显的剪切硬化现象；剪应力达到峰 值点后，剪切位移增加较为明显，而剪应力却呈现 减小的趋势，即剪切软化现象，养护时间越长的试 件剪切软化现象越明显. 2.2.2    剪切强度 根据《土工试验规程》[22] 规定：对没有峰值点 的曲线，取剪切位移为 4 mm 时对应的剪应力作为 抗剪强度；而对于有峰值点的曲线，取峰值点的剪 应力作为抗剪强度. 抗剪强度变化规律如图 7 所 示. 从图 7 可以看出，高水材料的抗剪强度整体较 小，最大不超过 460 kPa，PE 粉明显改变了材料的 抗剪强度，考虑到试件制作时材料混合不均匀的 影响，整体来看材料的抗剪强度随 PE 粉掺量的增 加呈减小的趋势. 而在 PE 粉的质量分数为 10% 时，其改性高水材料试件的剪切强度却出现了异 常高值，这主要是因为与抗压破坏不同的是，剪切 破坏更倾向于材料内部成分之间的接合作用 ， PE 粉掺量过高或者过低都会降低各成分之间的接 合程度，从而降低材料的剪切强度，在 PE 粉掺量 合适的条件即 E 类改性材料试件成分之间的接合 效果达到最好，从而表现为较大的抗剪强度. 2.2.3    破坏形式 图 8 是直剪试验结束后的试件，图 9 是养护 7 d 不同掺量 PE 粉高水材料剪切破坏面示意图. 从图 9 可以看出：高水材料的剪切破坏面并不是 光滑平整的，而是呈现凹凸不平的特征，这说明试 件在剪切过程中，不同的部位受到的剪切力大小 是不相同的，表明高水材料内部并非完全均质，存 在一些容易产生应力集中的部位，导致应力分布 不均而破坏面凹凸不平. 掺 PE 粉的试件可以在破 坏面上看到明显的白色颗粒，说明 PE 粉的确与原 D C (a) 0 1 2 3 4 5 6 E F G 0 D C E F G D C E F G D C E F G Shear stress/kPa Shear displacement/mm 400 350 300 250 200 150 100 50 (b) 0 1 2 3 4 5 6 0 Shear stress/kPa Shear displacement/mm 400 350 300 250 200 150 100 50 (c) 0 1 2 3 4 5 6 0 Shear stress/kPa Shear displacement/mm 500 400 300 200 100 (d) 0 1 2 3 4 5 6 0 Shear stress/kPa Shear displacement/mm 450 400 350 300 250 200 150 100 50 图 6    不同养护龄期的掺 PE 粉高水材料剪切应力–位移曲线. （a）3 d；（b）7 d；（c）14 d；（d）28 d Fig.6    Shear stress−displacement curves of PE-powder-doped high-water materials with different curing ages: (a) 3 d; (b) 7 d; (c) 14 d; (d) 28 d · 556 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期

张钊等：改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 557 460 440 。-3d 5000倍放大图，图10(c)和图10(d)是G类试件材 ◆-7d 420 -14d 料的3000倍和5000倍放大图.从图10可以看出 400 ·-28d PE粉掺量较少时，生成物呈细小长条状，内部结 380 构呈纤维网状特征，纤维状的物质相互穿插交错 3 搭接，结合较为紧密，但是也有较小的孔洞存在： 当材料中PE粉的质量分数达到20%时，生成物呈 300 短小棱柱状，内部呈现明显的絮凝块状而非纤维 280 网状结构，而且较多粗短的物质排列散乱，有明显 260 E G 的大孔洞存在.而且从图10中可以看出两种不同 Type of specimen 的PE粉掺量材料的均有孔隙存在，纤维网状的结 图7不同养护龄期的掺PE粉高水材料剪切强度 构不易形成较大的贯穿孔洞，结构较为密集；而絮 Fig.7 Shear strengths of PE-doped high-water materials with different 凝块状的结构则容易产生较大的孔洞，且容易贯 curing ages 穿，结构较为疏松.这反映在试件的力学性质方面 即为纤维网状结构的材料试件强度大于絮凝块状 结构试件强度 4讨论 对高水材料进行抗压以及剪切试验，结果发 现材料的抗压强度远大于抗剪强度，这说明高水 材料在用于煤矿充填时，不宜充填于有较大的剪 切荷载即煤层倾角较大的情况.不同倾角的高水 2345678910 材料充填体受力形式如图11所示(A为采空区， 1 B为高水材料充填体，C为巷道) 水平煤层的高水材料充填体所受载荷为采空 图8高水材料试件直剪 Fig Photograph of high-water material specimen with straight shear 区上部覆岩的重力，即竖向的载荷P.而对于有倾 角的煤层，高水充填体所受的载荷亦为采空区上 材料较好地混合，但试验中发现有部分PE粉未能 部覆岩的重力，但形成了两种作用效果，垂直煤层 完全混合，因此后续研究中可以考虑选用较为密 倾向的载荷一轴向力P0和沿煤层倾向的载荷一 实的塑料颗粒，以便材料完全混合 剪切力p1,其中剪切力p1随着煤层倾角0的增加 3微观形貌分析 而变大，这对于抗剪强度较小的高水材料来说是 不利于发挥其充填作用的，很可能会导致充填体 图10是改性高水材料的微观形貌SEM图 发生剪切破坏从而失去充填效果.有关高水材料 图10(a)和图10(b)是D类试件材料的3000倍和 的研究与运用3-2都表明：高水材料用于沿空留 (a) (b) (c) (d) (e) 因9不同掺量PE粉高水材料剪切破坏形式.(a)C:(b)D:(c)E:(d)F:(d)G Fig.9 Photographs of the shear failures of high-water materials with different amounts of PE powder:(a)C;(b)D:(c)E;(d)F;(d)G

材料较好地混合，但试验中发现有部分 PE 粉未能 完全混合，因此后续研究中可以考虑选用较为密 实的塑料颗粒，以便材料完全混合. 3    微观形貌分析 图 10 是改性高水材料的微观形貌 SEM 图. 图 10（a）和图 10（b）是 D 类试件材料的 3000 倍和 5000 倍放大图，图 10（c）和图 10（d）是 G 类试件材 料的 3000 倍和 5000 倍放大图. 从图 10 可以看出 PE 粉掺量较少时，生成物呈细小长条状，内部结 构呈纤维网状特征，纤维状的物质相互穿插交错 搭接，结合较为紧密，但是也有较小的孔洞存在； 当材料中 PE 粉的质量分数达到 20% 时，生成物呈 短小棱柱状，内部呈现明显的絮凝块状而非纤维 网状结构，而且较多粗短的物质排列散乱，有明显 的大孔洞存在. 而且从图 10 中可以看出两种不同 的 PE 粉掺量材料的均有孔隙存在，纤维网状的结 构不易形成较大的贯穿孔洞，结构较为密集；而絮 凝块状的结构则容易产生较大的孔洞，且容易贯 穿，结构较为疏松. 这反映在试件的力学性质方面 即为纤维网状结构的材料试件强度大于絮凝块状 结构试件强度. 4    讨论 对高水材料进行抗压以及剪切试验，结果发 现材料的抗压强度远大于抗剪强度，这说明高水 材料在用于煤矿充填时，不宜充填于有较大的剪 切荷载即煤层倾角较大的情况. 不同倾角的高水 材料充填体受力形式如图 11 所示（A 为采空区， B 为高水材料充填体，C 为巷道）. 水平煤层的高水材料充填体所受载荷为采空 区上部覆岩的重力，即竖向的载荷 p. 而对于有倾 角的煤层，高水充填体所受的载荷亦为采空区上 部覆岩的重力，但形成了两种作用效果，垂直煤层 倾向的载荷——轴向力 p0 和沿煤层倾向的载荷—— 剪切力 p1 . 其中剪切力 p1 随着煤层倾角 θ 的增加 而变大，这对于抗剪强度较小的高水材料来说是 不利于发挥其充填作用的，很可能会导致充填体 发生剪切破坏从而失去充填效果. 有关高水材料 的研究与运用[23−25] 都表明：高水材料用于沿空留 C E F G D 260 460 440 Shear stress/kPa Type of specimen 3 d 7 d 14 d 28 d 400 420 280 320 300 340 380 360 图 7    不同养护龄期的掺 PE 粉高水材料剪切强度 Fig.7    Shear strengths of PE-doped high-water materials with different curing ages 图 8    高水材料试件直剪 Fig.8    Photograph of high-water material specimen with straight shear (a) (b) (c) (d) (e) 图 9    不同掺量 PE 粉高水材料剪切破坏形式. （a）C；（b）D；（c）E；（d）F；（d）G Fig.9    Photographs of the shear failures of high-water materials with different amounts of PE powder: (a) C; (b) D; (c) E; (d) F; (d) G 张    钊等： 改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 · 557 ·

558 工程科学学报，第43卷，第4期 (b) 20 um 20μm 10m 图10不同放大倍数下的微观形貌图.(a).(b)D类材料试件：(c).(d)G类材料试件 Fig.10 Micromorphologies of high-water materials at different magnifications:(a),(b)type of D specimen;(c),(d)type of G specimen (a) 对改性高水材料的抗压和抗剪强度按照(4) 式和(5)式进行计算，得到的0值如表2所示.图12 为值的分布范围.可以发现，依据试验所得到的 0值85%以上≤20°，与上述结果较为吻合，但是考 虑到本文获得的剪切强度是在给定的条件（轴向 力为200kPa)下得到的，未对其他轴向力大小条件的 剪切强度进行研究，因此有待后续的进一步论证. (b) 表2计算得到的0值 Table 2 Calculated values Type of Curing for Curing for Curing for Curing for specimen 3d 7d 14d 28d 15.4 14.7 13.1 8.8 D 12.1 14 14.1 14.3 E 19 18.9 11.7 13.5 F 18.4 14.7 12.3 18.7 图11不同倾角的高水材料充填体受力形式.(a)倾角为0：(b)倾角为0 G 33.1 20.2 15.6 18.8 Fig.11 Schematic illustration of forces acting on high-water material filling bodies with different inclination angles:(a)inclination angle of 0; (b)inclination angle of 10% 5% 巷充填主要在煤层倾角小于20°的条件，这一方面 ■0e10° 是由于沿空留巷技术本身的应用条件决定，另一 ■10°<0<20° ■0320° 方面也与高水材料的强度性质有关. po pcos6 (4) 85% PI=psine (5) 其中，p为采空区上覆岩层的重力，kN:Po为垂直 煤层倾向所受的载荷，kN;P1为沿煤层倾向受到的 图120分布范围 载荷，kN;0为煤层倾角，° Fig.12 Range of 0

巷充填主要在煤层倾角小于 20°的条件，这一方面 是由于沿空留巷技术本身的应用条件决定，另一 方面也与高水材料的强度性质有关. p0 = pcosθ （4） p1 = psinθ （5） 其中，p 为采空区上覆岩层的重力，kN；p0 为垂直 煤层倾向所受的载荷，kN；p1 为沿煤层倾向受到的 载荷，kN；θ 为煤层倾角，°. 对改性高水材料的抗压和抗剪强度按照（4） 式和（5）式进行计算，得到的 θ 值如表 2 所示，图 12 为 θ 值的分布范围. 可以发现，依据试验所得到的 θ 值 85% 以上≤20°，与上述结果较为吻合. 但是考 虑到本文获得的剪切强度是在给定的条件（轴向 力为 200 kPa）下得到的，未对其他轴向力大小条件的 剪切强度进行研究，因此有待后续的进一步论证. 表 2    计算得到的 θ 值 Table 2    Calculated θ values ° Type of specimen Curing for 3 d Curing for 7 d Curing for 14 d Curing for 28 d C 15.4 14.7 13.1 8.8 D 12.1 14 14.1 14.3 E 19 18.9 11.7 13.5 F 18.4 14.7 12.3 18.7 G 33.1 20.2 15.6 18.8 (a) (b) (c) (d) 20 μm 20 μm 10 μm 10 μm 图 10    不同放大倍数下的微观形貌图. （a），（b）D 类材料试件；（c），（d）G 类材料试件 Fig.10    Micromorphologies of high-water materials at different magnifications: (a), (b) type of D specimen; (c), (d) type of G specimen (a) (b) A B C p A B C p p1 p0 p θ 图 11    不同倾角的高水材料充填体受力形式. （a）倾角为 0；（b）倾角为 θ Fig.11     Schematic  illustration  of  forces  acting  on  high-water  material filling bodies with different inclination angles: (a) inclination angle of 0; (b) inclination angle of θ 85% 10% 5% θ≤10° 10°<θ<20° θ≥20° 图 12    θ 分布范围 Fig.12    Range of θ · 558 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期

张钊等：改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 559· 5结论 (侯林涛，唐军务，蒋凯辉，等.高水材料的基本特性及其在港口 工程中的应用.水运工程，2007(5)：54) (1)改性高水材料抗压强度随着PE粉参量的 [7]Feng B.Liu C W.Xie H,et al.Experimental study and analysis of 增加而降低.养护前期，D类改性材料的试件强度 the mechanical properties of high-water-content materials 较高；养护后期，纯高水材料试件强度最高，D类 modified with fly ash.Chin J Eng,2018,40(10):1187 改性材料的试件强度变化不大，其他掺量的试件 (冯波，刘长武，谢辉，等.粉煤灰改性高水材料力学性能试验研 究及机理分析.工程科学学报，2018.40(10)：1187) 强度随养护龄期的增加呈先上升后降低的趋势. [8] Chen HL,Wang Y P.Modification of clay material for high- (2)改性高水材料抗剪强度随着PE粉摻量的 water-material based on sulphoaluminate cement.Sichan Build 增加而降低.剪应力峰值点以前，应力-位移曲线 Sci,2010,36(2):240 呈现剪切硬化的特征：峰值点以后的曲线呈现明 (陈洪令，王玉平.粘土矿物对硫铝酸盐基高水材料的改性.四 显的剪切软化现象 川建筑科学研究，2010,36(2)：240) (3)PE粉参量明显改变了高水材料的微观结 [9]Diao Z F,Liu C W,Sun W,et al.Experimental study on the 构，PE粉含量较小的改性D类材料试件内部呈纤 doping and modification of high water filling material by using river sludge.Bull Chin Ceram Soc,2018.37(7):2218 维网状结构且孔洞较少，而PE粉含量较大的改性 (刁兆丰，刘长武，孙位，等.河道污泥用于高水充填材料掺杂改 G类材料试件内部呈絮凝块状结构且孔洞较多 性的试验研究.硅酸盐通报，2018,37(7)：2218) (4)改性高水材料的抗剪强度远小于抗压强 [10]Sun W.Liu C W.Wu F,et al.Experimental study on mechanical 度，表明高水材料用于煤矿充填时不宜用于倾角 properties of polypropylene fiber high-water material.Mer Mine, 较大的煤层 2018(1):53 (孙位，刘长武，吴帆，等.聚丙烯纤维高水材料力学性能的试验 参考文献 研究.金属矿山，2018(1)：53) [11]Li P H.Research on the Composite Ash Filling Material Blending [1]Sun HH,Song C Y.High water rapid setting material and its Coal Gangue and Flue Dust with the Superhigh-Water application.Xuzhou:China University of Mining and Technology MaterialDissertation].Xuzhou:China University of Mining and Press,1994 Technology,2014 (孙恒虎，宋存义.高水速凝材料及其应用.徐州：中国矿业大学 (李沛虹.掺混煤矸石与烟道灰制超高水灰渣充填材料的研究 出版社，1994) [学位论文].徐州：中国矿业大学，2014) [2]Sun C D,Feng G M.Technology of retaining roadway along gob [12]Zhang L W,Liu C W,Diao Z F,et al.Strength characteristics and by stowing with high-water-content material.Coal Min Technol, failure form of high-water-materials modified by slag of power 2010,15(1):58 plant.Sci Technol Eng,2019,19(10):182 (孙春东，冯光明.新型高水材料巷旁充填沿空留巷技术.煤矿 (张连卫，刘长武，刁兆丰，等.电厂炉渣改性高水材料的强度特 开采，2010,15(1)：58) 征与破坏形式.科学技术与工程，2019,19(10)：182) [3]Feng J H,Feng J.Extinguishing fire in the way of sealing and [13]Lu Y H,Liu C W,Feng B,et al.Strength characteristics and blocking goaf by high water material and fly ash.Saf Coal Mines, mechanism analysis of high water content materials modified by 2004,35(4):16 silica fume.Bull Chin Ceram Soc,2019,38(9):2737 (冯建华，冯杰.高水材料与粉煤灰封堵采空区灭火.煤矿安全， (卢永虎，刘长武，冯波，等.硅灰改性高水材料的强度特征及机 2004.35(4):16) 理分析.硅酸盐通报，2019,38(9)：2737) [4]Sun X K,Wang W.Theoretical research on high water material [14]Geyer R,Jambeck J R,Law K L.Production,use,and fate of all replacement mining the strip coal pillar above confined aquifer. plastics ever made.SciAdv,2017,3(7):e1700782 China Coal Soc,2011,36(6):909 [15]Jambeck J R,Geyer R,Wilcox C,et al.Plastic waste inputs from (孙希奎，王苇.高水材料充填置换开采承压水上条带煤柱的理 land into the ocean.Science,2015,347(6223):768 论研究.煤炭学报，2011,36(6)：909) [16]Tu J.Application of recycled plastic building materials in modern [5]Gao J H.Application of grouting with high-water rapid hardening home design.China Synthetic Resin Plastics,2018,35(6):100 materials in soft rock reinforcement.Coal Min Technol,2005, (屠君.再生塑料建材在现代家居设计中的应用.合成树脂及塑 10(4):62 料，2018,35(6)：100) (高江淮.高水速凝材料注浆在软岩加固中的应用实践.煤矿开 [17]Zhao Y C.Preparation and Basic Performance Studies of 采，2005,10(4)：62) Recycled Plastic Foamed Concrete[Dissertation].Maanshan: [6]Hou L T,Tang J W,Jiang K H,et al.Basic characteristics of Anhui University of Technology,2017 superabsorbent polymers and its application in port engineering (赵育超.再生塑料泡沫混凝土的制备与基本性能研究学位论 Port Waterway Eng,2007(5上：54 文].马鞍山：安徽工业大学，2017)

5    结论 （1）改性高水材料抗压强度随着 PE 粉掺量的 增加而降低. 养护前期，D 类改性材料的试件强度 较高；养护后期，纯高水材料试件强度最高，D 类 改性材料的试件强度变化不大，其他掺量的试件 强度随养护龄期的增加呈先上升后降低的趋势. （2）改性高水材料抗剪强度随着 PE 粉掺量的 增加而降低. 剪应力峰值点以前，应力–位移曲线 呈现剪切硬化的特征；峰值点以后的曲线呈现明 显的剪切软化现象. （3）PE 粉掺量明显改变了高水材料的微观结 构，PE 粉含量较小的改性 D 类材料试件内部呈纤 维网状结构且孔洞较少，而 PE 粉含量较大的改性 G 类材料试件内部呈絮凝块状结构且孔洞较多. （4）改性高水材料的抗剪强度远小于抗压强 度，表明高水材料用于煤矿充填时不宜用于倾角 较大的煤层. 参    考    文    献 Sun  H  H,  Song  C  Y.  High  water  rapid  setting  material  and  its application. Xuzhou: China University of Mining and Technology Press, 1994 （ 孙恒虎, 宋存义. 高水速凝材料及其应用. 徐州: 中国矿业大学 出版社, 1994） [1] Sun C D, Feng G M. Technology of retaining roadway along gob by  stowing  with  high-water-content  material. Coal Min Technol, 2010, 15（1）: 58 （孙春东, 冯光明. 新型高水材料巷旁充填沿空留巷技术. 煤矿 开采, 2010, 15（1）：58） [2] Feng  J  H,  Feng  J.  Extinguishing  fire  in  the  way  of  sealing  and blocking goaf by high water material and fly ash. Saf Coal Mines, 2004, 35（4）: 16 （冯建华, 冯杰. 高水材料与粉煤灰封堵采空区灭火. 煤矿安全, 2004, 35（4）：16） [3] Sun  X  K,  Wang  W.  Theoretical  research  on  high  water  material replacement mining the strip coal pillar above confined aquifer. J China Coal Soc, 2011, 36（6）: 909 （孙希奎, 王苇. 高水材料充填置换开采承压水上条带煤柱的理 论研究. 煤炭学报, 2011, 36（6）：909） [4] Gao J H. Application of grouting with high-water rapid hardening materials  in  soft  rock  reinforcement. Coal Min Technol,  2005, 10（4）: 62 （高江淮. 高水速凝材料注浆在软岩加固中的应用实践. 煤矿开 采, 2005, 10（4）：62） [5] Hou  L  T,  Tang  J  W,  Jiang  K  H,  et  al.  Basic  characteristics  of superabsorbent  polymers  and  its  application  in  port  engineering. Port Waterway Eng, 2007（5）: 54 [6] （侯林涛, 唐军务, 蒋凯辉, 等. 高水材料的基本特性及其在港口 工程中的应用. 水运工程, 2007（5）：54） Feng B, Liu C W, Xie H, et al. Experimental study and analysis of the  mechanical  properties  of  high-water-content  materials modified with fly ash. Chin J Eng, 2018, 40（10）: 1187 （冯波, 刘长武, 谢辉, 等. 粉煤灰改性高水材料力学性能试验研 究及机理分析. 工程科学学报, 2018, 40（10）：1187） [7] Chen  H  L,  Wang  Y  P.  Modification  of  clay  material  for  high￾water-material  based  on  sulphoaluminate  cement. Sichuan Build Sci, 2010, 36（2）: 240 （陈洪令, 王玉平. 粘土矿物对硫铝酸盐基高水材料的改性. 四 川建筑科学研究, 2010, 36（2）：240） [8] Diao  Z  F,  Liu  C  W,  Sun  W,  et  al.  Experimental  study  on  the doping  and  modification  of  high  water  filling  material  by  using river sludge. Bull Chin Ceram Soc, 2018, 37（7）: 2218 （刁兆丰, 刘长武, 孙位, 等. 河道污泥用于高水充填材料掺杂改 性的试验研究. 硅酸盐通报, 2018, 37（7）：2218） [9] Sun W, Liu C W, Wu F, et al. Experimental study on mechanical properties  of  polypropylene  fiber  high-water  material. Met Mine, 2018（1）: 53 （孙位, 刘长武, 吴帆, 等. 聚丙烯纤维高水材料力学性能的试验 研究. 金属矿山, 2018（1）：53） [10] Li P H. Research on the Composite Ash Filling Material Blending Coal Gangue and Flue Dust with the Superhigh-Water Material[Dissertation].  Xuzhou:  China  University  of  Mining  and Technology, 2014 （ 李沛虹. 掺混煤矸石与烟道灰制超高水灰渣充填材料的研究 [学位论文]. 徐州: 中国矿业大学, 2014） [11] Zhang L W, Liu C W, Diao Z F, et al. Strength characteristics and failure  form  of  high-water-materials  modified  by  slag  of  power plant. Sci Technol Eng, 2019, 19（10）: 182 （张连卫, 刘长武, 刁兆丰, 等. 电厂炉渣改性高水材料的强度特 征与破坏形式. 科学技术与工程, 2019, 19（10）：182） [12] Lu  Y  H,  Liu  C  W,  Feng  B,  et  al.  Strength  characteristics  and mechanism  analysis  of  high  water  content  materials  modified  by silica fume. Bull Chin Ceram Soc, 2019, 38（9）: 2737 （卢永虎, 刘长武, 冯波, 等. 硅灰改性高水材料的强度特征及机 理分析. 硅酸盐通报, 2019, 38（9）：2737） [13] Geyer R, Jambeck J R, Law K L. Production, use, and fate of all plastics ever made. Sci Adv, 2017, 3（7）: e1700782 [14] Jambeck J R, Geyer R, Wilcox C, et al. Plastic waste inputs from land into the ocean. Science, 2015, 347（6223）: 768 [15] Tu J. Application of recycled plastic building materials in modern home design. China Synthetic Resin Plastics, 2018, 35（6）: 100 （屠君. 再生塑料建材在现代家居设计中的应用. 合成树脂及塑 料, 2018, 35（6）：100） [16] Zhao  Y  C. Preparation and Basic Performance Studies of Recycled Plastic Foamed Concrete[Dissertation].  Maanshan: Anhui University of Technology, 2017 （ 赵育超. 再生塑料泡沫混凝土的制备与基本性能研究[学位论 文]. 马鞍山: 安徽工业大学, 2017） [17] 张    钊等： 改性高水材料抗压、抗剪强度特征及对比分析 · 559 ·

560 工程科学学报，第43卷，第4期 [18]Qian Y T,Shen B Q,Zhao Z H,et al.Study on the standardization [22]Ministry of Water Resources of the People's Republic of China. of application of plastic recycling and regeneration in building SL237-1999 Specifications of Soil Test.Beijing:China Water materials.Ouality Explor,2018,15(2):76 Resources and Hydropower Press,1999 (钱雨桐，沈冰清，赵之涵，等.塑料回收与再生在建筑材料中应 (中华人民共和国水利部.SL237一1999土工试验规程.北京：中 用的标准化研究.质量探索，2018,15(2)：76) 国水利水电出版社，1999) [19]Li A J.Study on mechanical properties of waste plastic powder [23]Cao S G,Chen X Z,Yang H Y,et al.Analysis on roadside control cement concrete.Transpo World,2012(3-4):168 technology of gob-side entry retaining and applicable conditions. (李爱军.废旧塑料粉水泥混凝土力学性能研究.交通世界， Coal Sci Technol,2016,44(4):27 2012(3-4):168) (曹树刚，陈先哲，杨红运，等.沿空留巷巷旁控制技术及其适用 [20]Zhang Z,Liu C W,Ye D Y,et al.Experimental study on 条件分析.煤炭科学技术，2016,44(4)：27) modification of polyethylene plastic for high water filling [24]Gao Y G,Ma Q.Application research of high-water material gob. materials.Min Res Dev,2020,40(5):50 side entry retailing technology in Yunjialing 12303 working face. (张钊，刘长武，叶定阳，等.聚乙烯塑料用于高水充填材料改性 Coal Chem Ind,2015,38(9):42 试验研究.矿业研究与开发，2020,40(5)：50) (高永格，马强.高水材料沿空留巷技术在云驾龄12303工作面 [21]Ministry of Water Resources of the People's Republic of China. 中的应用研究.煤炭与化工，2015,38(9)：42) SL264-2001 Specifications for Rock Tests in Water Conservancy [25]Zhang H J,Ding KK.Studying and application of gob-side entry and Hydroelectric Engineering.Beijing:China Water Resources retaining high water material of rock burst mine.Coal Min and Hydropower Press,2001 Technol,.2017,22(1):77 (中华人民共和国水利部.SL264一2001水利水电工程岩石试验 (张红军，丁可可.突出矿井高水材料沿空留巷技术研究与应用. 规程.北京：中国水利水电出版社，2001) 煤矿开采，2017,22(1)：77)

Qian Y T, Shen B Q, Zhao Z H, et al. Study on the standardization of  application  of  plastic  recycling  and  regeneration  in  building materials. Quality Explor, 2018, 15（2）: 76 （钱雨桐, 沈冰清, 赵之涵, 等. 塑料回收与再生在建筑材料中应 用的标准化研究. 质量探索, 2018, 15（2）：76） [18] Li  A  J.  Study  on  mechanical  properties  of  waste  plastic  powder cement concrete. Transpo World, 2012（3-4）: 168 （李爱军. 废旧塑料粉水泥混凝土力学性能研究. 交通世界, 2012（3-4）：168） [19] Zhang  Z,  Liu  C  W,  Ye  D  Y,  et  al.  Experimental  study  on modification  of  polyethylene  plastic  for  high  water  filling materials. Min Res Dev, 2020, 40（5）: 50 （张钊, 刘长武, 叶定阳, 等. 聚乙烯塑料用于高水充填材料改性 试验研究. 矿业研究与开发, 2020, 40（5）：50） [20] Ministry  of  Water  Resources  of  the  People ’s  Republic  of  China. SL264—2001 Specifications for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroelectric Engineering.  Beijing:  China  Water  Resources and Hydropower Press, 2001 （ 中华人民共和国水利部. SL264—2001水利水电工程岩石试验 规程. 北京: 中国水利水电出版社, 2001） [21] Ministry  of  Water  Resources  of  the  People ’s  Republic  of  China. SL237 —1999 Specifications of Soil Test.  Beijing:  China  Water Resources and Hydropower Press, 1999 （ 中华人民共和国水利部. SL237—1999土工试验规程. 北京: 中 国水利水电出版社, 1999） [22] Cao S G, Chen X Z, Yang H Y, et al. Analysis on roadside control technology  of  gob-side  entry  retaining  and  applicable  conditions. Coal Sci Technol, 2016, 44（4）: 27 （曹树刚, 陈先哲, 杨红运, 等. 沿空留巷巷旁控制技术及其适用 条件分析. 煤炭科学技术, 2016, 44（4）：27） [23] Gao Y G, Ma Q. Application research of high-water material gob￾side entry retailing technology in Yunjialing 12303 working face. Coal Chem Ind, 2015, 38（9）: 42 （高永格, 马强. 高水材料沿空留巷技术在云驾岭12303工作面 中的应用研究. 煤炭与化工, 2015, 38（9）：42） [24] Zhang H J, Ding K K. Studying and application of gob-side entry retaining  high  water  material  of  rock  burst  mine. Coal Min Technol, 2017, 22（1）: 77 （张红军, 丁可可. 突出矿井高水材料沿空留巷技术研究与应用. 煤矿开采, 2017, 22（1）：77） [25] · 560 · 工程科学学报，第 43 卷，第 4 期