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 ·