一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法，包括：将多种膏体充填原材料按一定比例混合后搅拌至浆体稠度均匀，倒入改性槽内在外加功率超声作用下构成超声改性试验系统，通过改变超声改性试验系统的超声频率、超声功率和作用时间等因素构成五组3因素5水平正交试验，待膏体充填材料改性后，放入标准养护箱内分别养护1、3、7、14、28天，其中，养护温度模拟煤矿井下工作面温度，分别测试和计算试件的强度和变形特性，分析不同超声频率、超声功率和作用时间等因素对膏体充填材料早期力学特性的影响规律，为膏体充填材料改性的工程应用提供理论和技术支持。改性的工程应用提供理论和技术支持。改性的工程应用提供理论和技术支持。

【技术实现步骤摘要】
一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法


[0001]本专利技术涉及煤矿绿色开采
，更具体的涉及一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法。

技术介绍

[0002]充填采煤技术作为煤炭绿色开采中的重要组成部分，是我国未来实现煤炭资源科学开采的必由之路，同时也是解决因采煤导致的多种地质灾害问题和推行西部生态脆弱矿区生态环境低损害开采的良好途径。其中，膏体充填开采技术因其具有料浆流动性好、充填体密实度高和大规模利用固体废弃物等优势愈来愈受到关注。但是，膏体充填材料在其早期具有强度低、变形量大等缺陷，直接影响到地表沉陷的控制效果。膏体充填材料的早期物理力学特性对于限制顶板垮落、控制上覆岩层移动以及减小地表沉陷至关重要。膏体充填材料在其早期强度低的原因是水化反应速率低、变形量大的原因是界面粘结强度低、泌水率严重的原因是浆体粘聚力低。因此，改变充填材料结构的形成过程及提高水化速率是改善膏体充填材料性能的有效方法。
[0003]目前，对膏体充填材料进行改性的方法有碱激发、高温煅烧、高压蒸养等。化学激发剂在常温常压下的激发效果仍有待改善；高温煅烧、高压蒸养等改性方法，是在极端条件下进行的，失去了充填开采的可行性。
[0004]因此，如何开发出一种低成本、绿色环保的膏体充填材料改性方法，以解决其早期强度低、变形量大的缺陷，成为亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术实施例提供一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法，包括：
[0006]将多种膏体充填原材料按一定比例混合后搅拌至浆体稠度均匀；
[0007]将搅拌均匀的膏体充填材料倒入改性槽内，在外加功率超声作用下构成超声改性试验系统；
[0008]通过改变超声改性试验系统的超声频率、超声功率和作用时间因素构成五组3因素5水平正交试验；
[0009]待膏体充填材料变性后，放入标准养护箱内分别养护1、3、7、14、28天，其中，养护温度模拟煤矿井下工作面温度；
[0010]通过线性切割机将膏体充填材料加工成抗压、抗拉、抗剪标准试件，按照普通混凝土力学试验方法标准与煤和岩石物理力学性质测定方法分别测试和计算试件1、3、7、14、28天的强度与变形特性；
[0011]通过对比未改性与不同改性条件下膏体充填材料的强度与膏体充填材料的变形特性试验结果，分析不同超声频率、超声功率和作用时间因素对膏体充填材料早期力学特性的影响规律。
[0012]进一步，多种膏体充填原材料主要有粉煤灰、煤矸石、风积沙、水泥、水、碱性激发剂和减水剂。
[0013]进一步，将多种膏体充填原材料按照一定比例混合，包括：
[0014]由粉煤灰、煤矸石、水泥为主要材料构成的膏体充填材料中，选用水泥：粉煤灰：煤矸石为1：3：5，质量浓度为78％
‑
80％的配比；
[0015]由粉煤灰、风积沙、水泥为主要材料构成的膏体充填材料中，配比设计时选取不同质量浓度、粉煤灰掺量、风积沙掺量、水泥掺量、减水剂掺量影响因素构成5因素4水平L16(45)正交试验，根据试验结果确定优势配比。
[0016]进一步，超声改性试验系统包括：超声波发生器、换能器和介质盛放槽，其中，超声波发生器的三个驱动电源的频率均包括20KHZ，额定功率均包括3000W，四个振动头的频率均包括20KHZ，额定功率均包括3000W，标准工具头的类型有三节鞭和五节菱形。
[0017]进一步，超声改性试验系统的超声频率范围包括：20
‑
60KHZ；
[0018]超声功率范围包括：600W
‑
3000W；
[0019]作用时间范围包括：1
‑
30min。
[0020]进一步，抗压、抗拉、抗剪标准试件的规格，包括：
[0021]抗压试件：100mm
×
100mm
×
100mm的正方体试件；
[0022]抗拉试件：φ50mm
×
25mm的圆柱体试件；
[0023]抗剪试件：φ50mm
×
50mm的圆柱体试件。
[0024]进一步，膏体充填材料的强度包括：单轴抗压强度、抗拉强度、抗剪强度；
[0025]单轴抗压强度由单轴压缩试验设备测试，单轴抗压强度计算公式，包括：
[0026]σ
c
＝P/A
[0027]式中，σ
c
为单轴抗压强度，P为达到破坏时的最大轴向压力，A为试件的横截面积；
[0028]抗拉强度采用劈裂试验法，由劈裂试验求得试件抗拉强度的公式，包括：
[0029]σ
t
＝2P/(πdt)
[0030]式中，σ
t
为抗拉强度，；P为试件劈裂破坏发生时的最大压力值，d为圆柱体试件的直径，t为圆柱体试件的厚度；
[0031]抗剪强度采用角模压剪试验测试试件，抗剪强度的计算公式，包括：
[0032][0033]式中：T为剪切应力，C为σ
‑
T曲线在轴上的截距，即岩石的内聚力，为曲线的倾角，即岩石的内摩擦角。
[0034]进一步，膏体充填材料的变形特性，包括弹性模量、变形模量和泊松比；
[0035]弹性模量计算公式，包括：
[0036]E＝σ/ε
[0037]式中，E为弹性模量，σ为应力，ε为对应于σ的应变。
[0038]变形模量计算公式，包括：：
[0039]E0＝σ/(ε
e
+ε
r
+ε
p
)
[0040]式中，E0为变形模量，σ为应力，ε
e
、ε
r
和ε
p
分别为试件的瞬时弹性变形，后效弹性变形和塑性变形。
[0041]泊松比计算公式，包括：
[0042]μ＝ε
x
/ε
y
[0043]式中，μ为泊松比，ε
x
为横向应变，ε
y
为轴向应变。
[0044]本专利技术实施例提供一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
[0045]功率超声技术之所以能强化膏体充填材料早期的力学特性，在于超波声在液态媒质中传播时引发的超声振动效应和超声空化效应，这两个效应又会引发一系列附加效应，主要有：搅拌效应、温度效应、界面效应、活化效应和化学效应等。这些效应能加快反应速率、提高反应产率、提高粉煤灰活性等，能有效提高膏体充填材料早期的力学特性。
附图说明
[0046]图1附图为本专利技术的实验流程图；
[0047]图2附图为功率超声系统结构示意图；
具体实施方式
[0048]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法，其特征在于，包括：将多种膏体充填原材料混合后搅拌至浆体稠度均匀；将搅拌均匀的膏体充填材料倒入改性槽内，在外加功率超声作用下构成超声改性试验系统；通过改变超声改性试验系统的超声频率、超声功率和作用时间因素，构成五组3因素5水平正交试验；待膏体充填材料改性后，放入标准养护箱内分别养护1、3、7、14、28天，其中，养护温度模拟煤矿井下工作面温度；通过线性切割机将膏体充填材料加工成抗压、抗拉、抗剪标准试件，按照普通混凝土力学试验方法标准与煤和岩石物理力学性质测定方法分别测试和计算试件1、3、7、14、28天的强度与变形特性；通过对比未改性与不同改性条件下膏体充填材料的强度与膏体充填材料的变形特性试验结果，分析不同超声频率、超声功率和作用时间因素对膏体充填材料早期力学特性的影响规律。2.如权利要求1所述的一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法，其特征在于，所述多种膏体充填原材料包括：粉煤灰、煤矸石、风积沙、水泥、水、碱性激发剂和减水剂。3.如权利要求1所述的一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法，其特征在于，将多种膏体充填原材料按照一定比例混合，包括：包含粉煤灰、煤矸石、水泥的膏体充填材料中，选用水泥：粉煤灰：煤矸石为1：3：5，质量浓度为78％
‑
80％的配比；包含粉煤灰、风积沙、水泥的膏体充填材料中，配比设计时选取不同质量浓度、粉煤灰掺量、风积沙掺量、水泥掺量、减水剂掺量影响因素构成5因素4水平L16正交试验，根据试验结果确定优势配比。4.如权利要求1所述的一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法，其特征在于，所述超声改性试验系统包括：超声波发生器、换能器和介质盛放槽，其中，超声波发生器的三个驱动电源的频率均包括20KHZ，额定功率均包括3000W，四个振动头的频率均包括20KHZ，额定功率均包括3000W，标准工具头的类型有三节鞭和五节菱形。5.如权利要求1所述的一种基于功率超声强化膏体充填材料早期力学特性的方法，其特征在于，所述超声改性试验系统的超声频率范围包括：20
‑
60KHZ、超声功率范围包括：600W
‑
3000W、作用时间范围包括：1min
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：尹博，贾晓磊，薛昊天，李新影，
申请(专利权)人：内蒙古工业大学，
类型：发明
国别省市：