超聲波在充填料漿和硬化充填體中的傳播速度

作為石膏填充技術(shù)的重要組成部分，石膏填充材料的性能在很大程度上決定了填充效果。1超聲試驗中填充料漿的過程1.1煤石的骨料細(xì)度煤矸石骨料由汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司新陽礦煤矸石經(jīng)顎式破碎機(jī)破碎后篩分制得，粒徑小于5mm的煤矸石作為細(xì)骨料，粒徑5～10mm和10～15mm的煤矸石按質(zhì)量比1∶1摻用作為粗骨料。其中煤矸石細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為3.02，煤矸石粗骨料的相對密度為2.68。粉煤灰選用汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司發(fā)電廠的Ⅱ級粉煤灰，水泥選用太原獅頭水泥廠生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥，減水劑選用化工部二院華申建材外加劑廠生產(chǎn)的NF型萘系高效減水劑1.2材料的配合比由前期靜態(tài)離析柱試驗結(jié)果得知1.3試模和試模制備試驗時將充填料漿澆筑到特制的超聲波試模中[如圖1(a)所示]，用康科瑞NM-4B非金屬超聲波檢測儀測量超聲波在試模不同高度位置A,B,C,D處料漿中的傳播速度：首先連接非金屬超聲波檢測儀，選擇超聲波測試模塊、設(shè)置測試參數(shù)，同時在水平位置安裝好超聲波試模、潤濕試模內(nèi)表面，接著在2min內(nèi)將充填料漿連續(xù)裝填到試模中，直至料漿填充至試模頂部，用抹子刮平試模頂部料漿，然后用保鮮膜密封試模頂部，讓料漿在試模中靜停1h。從澆筑完成開始，每隔10min用超聲波檢測儀測量超聲波在試模不同高度位置A,B,C,D處料漿中的傳播速度，測試完成后保存數(shù)據(jù)。注意在澆筑過程中不得對試模中料漿進(jìn)行振搗密實(shí)處理，在整個試驗過程中保證試模不受到擾動。上述超聲波試?？沙尚?00mm×200mm×800mm的棱柱體試件，試模尺寸見圖1(a)。底板和側(cè)板由5mm厚的有機(jī)玻璃板制作而成，使用木龍骨、蝶形螺母和螺桿將底板和側(cè)板連接在一起。步驟1中設(shè)置參數(shù)時，將用作測試面的兩塊側(cè)板直接耦合測量得到的聲時作為零聲時。充填料漿的超聲波試驗完成后，將充填體試件養(yǎng)護(hù)7d拆模，然后放入養(yǎng)護(hù)室中繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28d，最后測量超聲波在充填體試件不同高度位置處的傳播速度。在養(yǎng)護(hù)過程中，監(jiān)測了12試驗結(jié)果與討論2.1超聲在填充料漿中的傳播特征2.1.1超聲波傳播速度測量超聲波在充填料漿中的傳播速度隨測試時間的變化規(guī)律如圖2所示，1在此后的測量中，位置A,B,C,D處超聲波的傳播速度上下波動，但無明顯增加或減小的趨勢，因為此時料漿中的粗骨料沉降已經(jīng)完成，但是由于料漿中水泥的水化反應(yīng)和粉煤灰的火山灰反應(yīng)一直在進(jìn)行，所以超聲波的傳播速度一直在上下波動。2.1.2靜態(tài)離析性能評價超聲波在試模高度方向不同位置處充填料漿中的傳播速度不同，反映了充填料漿在靜止過程中經(jīng)歷的靜態(tài)離析，引入靜態(tài)離析率來表征矸石膏體的靜態(tài)抗離析性能。由于在試驗測試后期料漿中的粗骨料沉降已經(jīng)完成，位置B,C,D處超聲波的傳播速度基本保持一致，因此選用位置A,D處超聲波的傳播速度的差異來表征充填材料的靜態(tài)抗離析性能。由于位置A,D處超聲波的傳播速度在穩(wěn)定階段依然上下波動，因此采用位置A,D處一段時間內(nèi)超聲波傳播速度的平均值的差，來表征矸石膏體充填材料的靜態(tài)抗離析性能：式中：SR(SegregationRate)為靜態(tài)離析率，m/s;t利用式(1)計算得到試驗組矸石膏體的靜態(tài)離析率，如表2所示。由表2可知，與傳統(tǒng)的視覺穩(wěn)定性指數(shù)法和柱狀法試驗結(jié)果相比，充填料漿超聲波試驗測得的靜態(tài)離析率呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。繪制靜態(tài)離析率與靜態(tài)離析指數(shù)的散點(diǎn)圖，如圖3所示，試驗組的數(shù)據(jù)基本分布在一條直線上，表明兩種測試方法得到的試驗數(shù)據(jù)相關(guān)性良好，進(jìn)一步擬合方程得到兩者之間的函數(shù)關(guān)系為：擬合精度高達(dá)0.995，所以充填料漿的超聲波試驗可以用來評價矸石膏體充填材料的靜態(tài)抗離析性能當(dāng)靜態(tài)離析指數(shù)小于15時，矸石膏體充填材料的靜態(tài)抗離析性能較優(yōu)，由方程(2)計算得此時SR=0.33，所以當(dāng)靜態(tài)離析率小于0.33時，矸石膏體充填材料的靜態(tài)抗離析性能較優(yōu)。2.2超聲在填充中的傳播特征2.2.1充填體養(yǎng)護(hù)期的變化如圖4所示，由于矸石膏體在澆筑到模板后的靜置過程中發(fā)生了靜態(tài)離析，因此從第一次測試開始，充填體不同高度位置處超聲波的傳播速度便存在顯著差異。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長，充填體中超聲波的傳播速度逐漸增加，這是由于水泥水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用，充填體內(nèi)部形成更加致密的結(jié)構(gòu)。充填料漿為固液氣三相體系，液相占比較大，超聲波經(jīng)過液相和氣相時傳播速度減慢，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，充填體中氣相和液相的體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，形成較均勻的單一結(jié)構(gòu)體系。因此，充填體中超聲波的傳播速度逐漸增大。又沿充填體高度方向，粗骨料和細(xì)矸漿分布不均勻，造成充填體沿高度方向的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻，不同高度位置處超聲波的傳播速度存在差異2.2.228天的周期是充滿超聲的傳播特征的由圖5可知，配合比不同的矸石膏體，28d齡期充填體中超聲波的傳播速度差異顯著。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為81%的12.2.3硬化靜態(tài)離析率試驗由上述試驗結(jié)果可知，28d齡期充填體不同高度位置處超聲波的傳播速度不同，可以反映充填材料在澆筑到模板后的靜置過程中發(fā)生的靜態(tài)離析。引入統(tǒng)計學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)差來描述充填體不同高度位置處超聲波的傳播速度的變化，計算結(jié)果稱為硬化靜態(tài)離析率，硬化充填體靜態(tài)離析越嚴(yán)重，超聲波在充填體不同位置處的傳播速度差異越大，硬化靜態(tài)離析率越大。硬化靜態(tài)離析率的計算公式為：式中：HSR為硬化靜態(tài)離析率，%；V依據(jù)公式(3)計算得到試驗中5組充填材料的硬化靜態(tài)離析率，如表3所示。由表3可知，與充填料漿超聲波試驗、視覺穩(wěn)定性指數(shù)法和柱狀法試驗結(jié)果相比，硬化靜態(tài)離析率呈現(xiàn)出類似的變化規(guī)律。為了檢驗硬化靜態(tài)離析率與靜態(tài)離析指數(shù)和靜態(tài)離析率之間的相關(guān)性，分別繪制了硬化靜態(tài)離析率與靜態(tài)離析指數(shù)和靜態(tài)離析率的散點(diǎn)圖，如圖6,7所示。在圖6中，試驗組的數(shù)據(jù)基本分布在一條直線上，表明用兩種試驗方法測得的試驗數(shù)據(jù)相關(guān)性良好，進(jìn)一步擬合方程得到兩者之間的函數(shù)關(guān)系為：方程的擬合精度為0.941。在圖7中，試驗組的數(shù)據(jù)基本分布在一條直線上，表明用2種試驗方法測得的試驗數(shù)據(jù)相關(guān)性良好，進(jìn)一步擬合方程得到兩者之間的函數(shù)關(guān)系為：方程的擬合精度為0.955。由上述分析可知，硬化靜態(tài)離析率可以用來表征矸石膏體的靜態(tài)抗離析性能，硬化充填體試驗可以用來評價矸石膏體充填材料的靜態(tài)抗離析性能，可以用于井下充填現(xiàn)場，快速有效地對矸石膏體充填材料的靜態(tài)抗離析性能作出評價。當(dāng)靜態(tài)離析指數(shù)小于15時，矸石膏體充填材料的靜態(tài)抗離析性能較優(yōu)，由方程(5)計算得此時HSR=0.018，所以當(dāng)硬化靜態(tài)離析率小于0.018時，矸石膏體充填材料的靜態(tài)抗離析性能較優(yōu)。3靜態(tài)離析率測試1)充填料漿超聲波試驗中，靜置10min中后充填料漿中超聲波的傳播速度趨于穩(wěn)定，表明充填料漿中粗骨料的沉降運(yùn)動已經(jīng)完成，此時，試模頂部料漿中超聲波的傳播速度顯著小于試模中部和底部料漿中超聲波的傳播速度。2)依據(jù)試模頂部和底部料漿中超聲波傳播速度計算得到靜態(tài)離析率，與靜態(tài)離析指數(shù)的相關(guān)系數(shù)為0.995，所以靜態(tài)離析率可以用來表征矸石膏體充填材料的靜態(tài)抗離析性能。3)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，