刘娟红等：富水充填材料蠕变及其硬化体内水分损失特征 ·607 4.5m 变不会对富水充填材料中的结合水含量造成影响.当 4.0 外界荷载作用达到临界值时，材料结构内部并没有发 35 生结合水的流失.试块在破坏过程中渗出的水应当为 1-=0.0437x 非结合水迁移所致 R=0.9828 . (4)非结合水含量损失相对值与所受荷载水平呈 2 线性正相关关系.非结合水的迁移损失导致结构疏 1.5 松，内部出现更多的空隙，在外界荷载作用下，会迅速 一水固质量比2.0 被压密，产生较大变形，导致充填体的局部失稳，进而 一线性（水固质量比20 0.5 影响采空区充填体的整体稳定. 0■ 10 2030405060708090100 应力水平% 参考文献 图8应力水平与非结合水质量损失相对值关系 Fig.8 Relationship between the relative loss value of unbound water [1]Sun HH,Huang Y C,Yang B G.The Contemporary Technology content and the stress level of Cemented Backfilling.Beijing:Metallurgical Industry Press, 2002 分割成各种尺寸形状的液滴，由于毛细管力和吸附效 (孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵.当代胶结充填技术.北京：治金 应的作用，这些液滴在固相之间有一定的联结和填充 工业出版社，2002) 作用，在三向受压状态下有良好的不可压缩性，在一定 2] Feng G M.Research on the Superhigh-ater Packing Material and Filling Mining Technology and Their application.Xuzhou:China 程度上保证了充填体的稳定.但当受到外界荷载扰动 University of Mining and Technology,2009 后，采空区与富水充填材料之间的平衡被破坏，充填材 (冯光明.超高水充填材料及其充填开采技术研究与应用.徐 料中固相结构与非结合水的平衡条件发生改变，从而 州：中国矿业大学，2009) 造成非结合水的迁移，充填体内的非结合水将会泌出、 B] Feng G M,Ding Y,Zhu H J,et al.Experimental research on a 渗透和流失.当荷载水平较低时，充填材料内部的钙 superhigh-water packing material for mining and its micromorphol- 矾石晶体被挤压，空隙减少，非结合水被挤出，但内部 ogy.J China Unir Min Technol,2010.39(6):813 (冯光明，丁玉，朱红菊，等.矿用超高水充填材料及其结构 空隙是非连通的，非结合水的迁移只是在内部小空隙 的实验研究.中国矿业大学学报，2010,39(6)：813) 中进行：随着荷载水平的增大，充填材料内部的钙矾石 4 Feng G M,Sun C D,Wang C Z,et al.Research on goaf filling 晶体发生断裂，试块开始产生大量裂缝，这些裂缝在荷 methods with super high-water material.J China Coal Soc,2010, 载作用下逐渐扩展并形成部分贯通缝，非结合水会在 35(12):1963 这些贯通缝中流动、渗透至富水充填材料表面：当荷载 (冯光明，孙春东，王成真，等超高水材料采空区充填方法 水平达到一定值时，充填材料内部结构完全破坏，迅速 研究.煤炭学报，2010,35(12)：1963) 5] 出现更大的贯通缝，同时非结合水的迁移损失又导致 Ding Y,Feng G M,Wang C Z.Experimental research on basic 结构疏松，内部出现更多的空隙和通道，在外界荷载作 properties of superhigh-water packing material.China Coal Soc, 2011,36(7):1087 用下会迅速被压密，产生较大变形，充填体逐渐失去承 (丁玉，冯光明，王成真.超高水充填材料基本性能实验研 载能力，导致充填体的局部失稳和破坏，进而影响采空 究.煤炭学报，2011,36(7)：1087) 区充填体的整体稳定 [6]Yang N R,Zhong B Q,Dong P,et al.Ettringite formation and conditions for its stability.JChin Ceram Soc,1984,12(2):155 3结论 (杨南如，钟白茜，董攀，等.钙矾石的形成和稳定条件.硅 (1)水固质量比为2.0的富水充填材料在应力水 酸盐学报，1984,12(2)：155) ] Chen X T,Zou R Z,Chen X R.Study on mechanism of carbona- 平为0.5、l.0和1.5MPa时，蠕变曲线有衰减阶段和 tion on the surface of ettringite.J Chin Ceram Soc,1994,22 稳定阶段两个阶段：当应力水平为1.96MPa时，蠕变 (5):470 曲线表现出三个阶段，即衰减阶段、稳定阶段和加速阶 (陈贤拓，邹瑞珍，陈霄榕.钙矾石表面碳化反应机理研究. 段.水固质量比为2.0的富水充填材料失稳破坏的临 硅酸盐学报，1994,22(5)：470) 界应力为1.96MPa,为其单轴抗压强度的90%. 8] Song C Y,Cheng X L,Wang Z L.Weathering mechanism of (2)富水充填材料内部主要为钙矾石以及少量铝 ettringite.JUniv Sci Technol Beijing,1999,22(5):459 (宋存义，程相利，汪增乐.钙矾石材料硬化体风化机理.北 胶.钙矾石以针簇状、细棒状等形态相互交叉、搭接， 京科技大学学报，1999,22(5)：459) 填充在空隙中，形成网状结构.网状结构内部存在大 ]You B K,Xi YZ.Physical and chemical properties of ettringite 量空隙，可以填充大量非结合水. and durability of conerete.China Build Mater Sci Technol,2002 (3)在蠕变过程中钙矾石并不会脱去结合水，蠕 (3):13刘娟红等: 富水充填材料蠕变及其硬化体内水分损失特征 图 8 应力水平与非结合水质量损失相对值关系 Fig． 8 Ｒelationship between the relative loss value of unbound water content and the stress level 分割成各种尺寸形状的液滴，由于毛细管力和吸附效 应的作用，这些液滴在固相之间有一定的联结和填充 作用，在三向受压状态下有良好的不可压缩性，在一定 程度上保证了充填体的稳定． 但当受到外界荷载扰动 后，采空区与富水充填材料之间的平衡被破坏，充填材 料中固相结构与非结合水的平衡条件发生改变，从而 造成非结合水的迁移，充填体内的非结合水将会泌出、 渗透和流失． 当荷载水平较低时，充填材料内部的钙 矾石晶体被挤压，空隙减少，非结合水被挤出，但内部 空隙是非连通的，非结合水的迁移只是在内部小空隙 中进行; 随着荷载水平的增大，充填材料内部的钙矾石 晶体发生断裂，试块开始产生大量裂缝，这些裂缝在荷 载作用下逐渐扩展并形成部分贯通缝，非结合水会在 这些贯通缝中流动、渗透至富水充填材料表面; 当荷载 水平达到一定值时，充填材料内部结构完全破坏，迅速 出现更大的贯通缝，同时非结合水的迁移损失又导致 结构疏松，内部出现更多的空隙和通道，在外界荷载作 用下会迅速被压密，产生较大变形，充填体逐渐失去承 载能力，导致充填体的局部失稳和破坏，进而影响采空 区充填体的整体稳定． 3 结论 ( 1) 水固质量比为 2. 0 的富水充填材料在应力水 平为 0. 5、1. 0 和 1. 5 MPa 时，蠕变曲线有衰减阶段和 稳定阶段两个阶段; 当应力水平为 1. 96 MPa 时，蠕变 曲线表现出三个阶段，即衰减阶段、稳定阶段和加速阶 段． 水固质量比为 2. 0 的富水充填材料失稳破坏的临 界应力为 1. 96 MPa，为其单轴抗压强度的 90% ． ( 2) 富水充填材料内部主要为钙矾石以及少量铝 胶． 钙矾石以针簇状、细棒状等形态相互交叉、搭接， 填充在空隙中，形成网状结构． 网状结构内部存在大 量空隙，可以填充大量非结合水． ( 3) 在蠕变过程中钙矾石并不会脱去结合水，蠕 变不会对富水充填材料中的结合水含量造成影响． 当 外界荷载作用达到临界值时，材料结构内部并没有发 生结合水的流失． 试块在破坏过程中渗出的水应当为 非结合水迁移所致． ( 4) 非结合水含量损失相对值与所受荷载水平呈 线性正相关关系． 非结合水的迁移损失导致结构疏 松，内部出现更多的空隙，在外界荷载作用下，会迅速 被压密，产生较大变形，导致充填体的局部失稳，进而 影响采空区充填体的整体稳定． 参 考 文 献 ［1］ Sun H H，Huang Y C，Yang B G． The Contemporary Technology of Cemented Backfilling． Beijing: Metallurgical Industry Press， 2002 ( 孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵． 当代胶结充填技术． 北京: 冶金 工业出版社，2002) ［2］ Feng G M． Ｒesearch on the Superhigh-water Packing Material and Filling Mining Technology and Their application． Xuzhou: China University of Mining and Technology，2009 ( 冯光明． 超高水充填材料及其充填开采技术研究与应用． 徐 州: 中国矿业大学，2009) ［3］ Feng G M，Ding Y，Zhu H J，et al． Experimental research on a superhigh-water packing material for mining and its micromorphol￾ogy． J China Univ Min Technol，2010，39( 6) : 813 ( 冯光明，丁玉，朱红菊，等． 矿用超高水充填材料及其结构 的实验研究． 中国矿业大学学报，2010，39( 6) : 813) ［4］ Feng G M，Sun C D，Wang C Z，et al． Ｒesearch on goaf filling methods with super high-water material． J China Coal Soc，2010， 35( 12) : 1963 ( 冯光明，孙春东，王成真，等． 超高水材料采空区充填方法 研究． 煤炭学报，2010，35( 12) : 1963) ［5］ Ding Y，Feng G M，Wang C Z． Experimental research on basic properties of superhigh-water packing material． J China Coal Soc， 2011，36( 7) : 1087 ( 丁玉，冯光明，王成真． 超高水充填材料基本性能实验研 究． 煤炭学报，2011，36( 7) : 1087) ［6］ Yang N Ｒ，Zhong B Q，Dong P，et al． Ettringite formation and conditions for its stability． J Chin Ceram Soc，1984，12( 2) : 155 ( 杨南如，钟白茜，董攀，等． 钙矾石的形成和稳定条件． 硅 酸盐学报，1984，12( 2) : 155) ［7］ Chen X T，Zou Ｒ Z，Chen X Ｒ． Study on mechanism of carbona￾tion on the surface of ettringite． J Chin Ceram Soc，1994，22 ( 5) : 470 ( 陈贤拓，邹瑞珍，陈霄榕． 钙矾石表面碳化反应机理研究． 硅酸盐学报，1994，22( 5) : 470) ［8］ Song C Y，Cheng X L，Wang Z L． Weathering mechanism of ettringite． J Univ Sci Technol Beijing，1999，22( 5) : 459 ( 宋存义，程相利，汪增乐． 钙矾石材料硬化体风化机理． 北 京科技大学学报，1999，22( 5) : 459) ［9］ You B K，Xi Y Z． Physical and chemical properties of ettringite and durability of concrete． China Build Mater Sci Technol，2002 ( 3) : 13 · 706 ·