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 machineno  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 ·