冯波等：粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析 ·1191· 某一值后基本保持不变.该阶段内材料表面裂纹急 围内，能满足充填体的强度要求，且此时残余强度达 剧发展，贯穿整个试件，出水情况严重.在此阶段应 到最大值，充分发挥了高水材料的残余承载能力，对 力值下降到D点后保持不变，说明高水材料不是完 采空区的安全稳定是有利的， 全脆性材料，具有一定的残余强度，不会造成充填体 2.2.3模量 一旦破坏就完全失去承载能力，这对充填材料来说 由图5中高水材料的变形破坏过程可知，高水 是至关重要的. 材料是一种典型的弹塑性材料.弹塑性材料的变形 2.2.2抗压强度 性质用弹性模量和变形模量来描述.弹性模量E和 抗压强度是保证高水材料充填能力的重要因 变形模量E。定义如式(4)和(5)[山所示： 素，直接决定了充填体上覆岩层的稳定性.其中峰 E=01 (4) 值强度和残余强度是影响高水材料充填能力的关键 E2-E1 性指标，不同粉煤灰参量的高水材料强度值如图6 所示. 6246 (5) 1500 600 式中：σ和σ2分别为弹性阶段起点和终点的应力 1400 值，MPa;s,和s2分别为弹性阶段起点和终点的应变 日峰值强度 500 亡残余强度 40 值，如图5所示：6为弹性变形；6，为塑性变形，其力 512001 6 学模型如图7所示，图7为高水材料的一次加卸载 300 1100 曲线，且加载峰值为0.5σ。，图中PQ对应的纵坐标 200 为第一次加载的峰值强度0.5σ。，PM对应的横坐标 为第一次加载峰值强度所对应的应变，N对应的横 900 100 800 坐标为卸载后的残余应变ε。 0 10152025 粉煤灰糁量，a/% 图6高水材料峰值强度和残余强度与粉煤灰橡量的关系 Fig.6 Relationship of peak and residual strength of high-water-con- tent materials with varying fly ash content 从图6可知，相对于普通水泥来说，高水材料的 9 最终强度不算高，但是考虑到它最终形成的硬化体 含水率（质量分数）高达70%以上，且硬化体仍保持 一定的强度，这是一般材料所达不到的.从图中还 可以看出，随着粉煤灰摻量的增加，高水材料的峰值 强度逐渐降低，且降低的类型为台阶式下降，即粉煤 灰参量a为5%~15%时，峰值强度的降幅几乎保 应力，E 持不变，均约为25%，强度值约为1.2MPa;当掺量 图7高水材料的一次加卸载图 为20%~30%时，其峰值强度急剧下降，均约降低 Fig.7 Progress of loading and unloading of high-water-content mate- rials 了约60%，此时高水材料的峰值强度仅有0.4MPa 左右，已达不到充填体的强度要求，且通过进一步试 根据式(4)、(5)以及图7计算不同粉煤灰掺量 验验证，当粉煤灰掺量大于30%时，其强度下降更 下高水材料的弹性模量和变形模量，其结果如图8 为显著，无法满足充填体的强度要求.粉煤灰摻量 所示.从图中可知，弹性模量随粉煤灰掺量的变化 较小时，高水材料的残余强度随着粉煤灰掺量的增 规律与峰值强度随粉煤灰掺量的变化规律类似，随 加有所提高，掺量为15%时残余强度达到峰值，达 着粉煤灰摻量的增加，其值逐渐降低，但降低幅度不 到0.5MPa以上，与未掺杂高水材料相比，其残余强 大，当粉煤灰摻量为15%时，相对于无掺杂高水材 度提高了约50%：当粉煤灰掺量超过15%后，其残 料其弹性模量仅降低了约8.6%.变形模量的变化 余强度又急剧降低.综合考虑峰值强度和残余强度 较为复杂，摻杂粉煤灰后，其变形模量值均有所减 与粉煤灰掺量的关系，当粉煤灰掺量为15%时，对 小，但15%仍然是掺杂粉煤灰后变形模量的峰值， 强度来说是最优掺量，此时峰值强度相对与纯高水 且该值相对于纯高水材料降低了不到10%，满足充 材料来说降低幅度不大，其强度值仍然在合理的范 填工艺要求，因此15%相对于模量来说也是较为理冯 波等: 粉煤灰改性高水材料力学性能试验研究及机理分析 某一值后基本保持不变. 该阶段内材料表面裂纹急 剧发展,贯穿整个试件,出水情况严重. 在此阶段应 力值下降到 D 点后保持不变,说明高水材料不是完 全脆性材料,具有一定的残余强度,不会造成充填体 一旦破坏就完全失去承载能力,这对充填材料来说 是至关重要的. 2郾 2郾 2 抗压强度 抗压强度是保证高水材料充填能力的重要因 素,直接决定了充填体上覆岩层的稳定性. 其中峰 值强度和残余强度是影响高水材料充填能力的关键 性指标,不同粉煤灰掺量的高水材料强度值如图 6 所示. 图 6 高水材料峰值强度和残余强度与粉煤灰掺量的关系 Fig. 6 Relationship of peak and residual strength of high鄄water鄄con鄄 tent materials with varying fly ash content 从图 6 可知,相对于普通水泥来说,高水材料的 最终强度不算高,但是考虑到它最终形成的硬化体 含水率(质量分数)高达 70% 以上,且硬化体仍保持 一定的强度,这是一般材料所达不到的. 从图中还 可以看出,随着粉煤灰掺量的增加,高水材料的峰值 强度逐渐降低,且降低的类型为台阶式下降,即粉煤 灰掺量 a 为 5% ~ 15% 时,峰值强度的降幅几乎保 持不变,均约为 25% ,强度值约为 1郾 2 MPa;当掺量 为 20% ~ 30% 时,其峰值强度急剧下降,均约降低 了约 60% ,此时高水材料的峰值强度仅有 0郾 4 MPa 左右,已达不到充填体的强度要求,且通过进一步试 验验证,当粉煤灰掺量大于 30% 时,其强度下降更 为显著,无法满足充填体的强度要求. 粉煤灰掺量 较小时,高水材料的残余强度随着粉煤灰掺量的增 加有所提高,掺量为 15% 时残余强度达到峰值,达 到 0郾 5 MPa 以上,与未掺杂高水材料相比,其残余强 度提高了约 50% ;当粉煤灰掺量超过 15% 后,其残 余强度又急剧降低. 综合考虑峰值强度和残余强度 与粉煤灰掺量的关系,当粉煤灰掺量为 15% 时,对 强度来说是最优掺量,此时峰值强度相对与纯高水 材料来说降低幅度不大,其强度值仍然在合理的范 围内,能满足充填体的强度要求,且此时残余强度达 到最大值,充分发挥了高水材料的残余承载能力,对 采空区的安全稳定是有利的. 2郾 2郾 3 模量 由图 5 中高水材料的变形破坏过程可知,高水 材料是一种典型的弹塑性材料. 弹塑性材料的变形 性质用弹性模量和变形模量来描述. 弹性模量 E 和 变形模量 E0定义如式(4)和(5) [11]所示: E = 滓2 - 滓1 着2 - 着1 (4) E0 = 滓 着e + 着p (5) 式中:滓1和 滓2 分别为弹性阶段起点和终点的应力 值,MPa;着1和 着2分别为弹性阶段起点和终点的应变 值,如图 5 所示;着e为弹性变形;着p为塑性变形,其力 学模型如图 7 所示,图 7 为高水材料的一次加卸载 曲线,且加载峰值为 0郾 5滓c,图中 PQ 对应的纵坐标 为第一次加载的峰值强度 0郾 5滓c,PM 对应的横坐标 为第一次加载峰值强度所对应的应变,N 对应的横 坐标为卸载后的残余应变 着p . 图 7 高水材料的一次加卸载图 Fig. 7 Progress of loading and unloading of high鄄water鄄content mate鄄 rials 根据式(4)、(5)以及图 7 计算不同粉煤灰掺量 下高水材料的弹性模量和变形模量,其结果如图 8 所示. 从图中可知,弹性模量随粉煤灰掺量的变化 规律与峰值强度随粉煤灰掺量的变化规律类似,随 着粉煤灰掺量的增加,其值逐渐降低,但降低幅度不 大,当粉煤灰掺量为 15% 时,相对于无掺杂高水材 料其弹性模量仅降低了约 8郾 6% . 变形模量的变化 较为复杂,掺杂粉煤灰后,其变形模量值均有所减 小,但 15% 仍然是掺杂粉煤灰后变形模量的峰值, 且该值相对于纯高水材料降低了不到 10% ,满足充 填工艺要求,因此 15% 相对于模量来说也是较为理 ·1191·