超声波在充填料浆和硬化充填体中的传播速度

超声波在充填料浆和硬化充填体中的传播速度

作为石膏填充技术的重要组成部分，石膏填充材料的性能在很大程度上决定了填充效果。1超声试验中填充料浆的过程1.1煤石的骨料细度煤矸石骨料由汾西矿业(集团)有限责任公司新阳矿煤矸石经颚式破碎机破碎后筛分制得，粒径小于5mm的煤矸石作为细骨料，粒径5～10mm和10～15mm的煤矸石按质量比1∶1掺用作为粗骨料。其中煤矸石细骨料的细度模数为3.02，煤矸石粗骨料的相对密度为2.68。粉煤灰选用汾西矿业(集团)有限责任公司发电厂的Ⅱ级粉煤灰，水泥选用太原狮头水泥厂生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥，减水剂选用化工部二院华申建材外加剂厂生产的NF型萘系高效减水剂1.2材料的配合比由前期静态离析柱试验结果得知1.3试模和试模制备试验时将充填料浆浇筑到特制的超声波试模中[如图1(a)所示]，用康科瑞NM-4B非金属超声波检测仪测量超声波在试模不同高度位置A,B,C,D处料浆中的传播速度：首先连接非金属超声波检测仪，选择超声波测试模块、设置测试参数，同时在水平位置安装好超声波试模、润湿试模内表面，接着在2min内将充填料浆连续装填到试模中，直至料浆填充至试模顶部，用抹子刮平试模顶部料浆，然后用保鲜膜密封试模顶部，让料浆在试模中静停1h。从浇筑完成开始，每隔10min用超声波检测仪测量超声波在试模不同高度位置A,B,C,D处料浆中的传播速度，测试完成后保存数据。注意在浇筑过程中不得对试模中料浆进行振捣密实处理，在整个试验过程中保证试模不受到扰动。上述超声波试模可成型200mm×200mm×800mm的棱柱体试件，试模尺寸见图1(a)。底板和侧板由5mm厚的有机玻璃板制作而成，使用木龙骨、蝶形螺母和螺杆将底板和侧板连接在一起。步骤1中设置参数时，将用作测试面的两块侧板直接耦合测量得到的声时作为零声时。充填料浆的超声波试验完成后，将充填体试件养护7d拆模，然后放入养护室中继续养护至28d，最后测量超声波在充填体试件不同高度位置处的传播速度。在养护过程中，监测了12试验结果与讨论2.1超声在填充料浆中的传播特征2.1.1超声波传播速度测量超声波在充填料浆中的传播速度随测试时间的变化规律如图2所示，1在此后的测量中，位置A,B,C,D处超声波的传播速度上下波动，但无明显增加或减小的趋势，因为此时料浆中的粗骨料沉降已经完成，但是由于料浆中水泥的水化反应和粉煤灰的火山灰反应一直在进行，所以超声波的传播速度一直在上下波动。2.1.2静态离析性能评价超声波在试模高度方向不同位置处充填料浆中的传播速度不同，反映了充填料浆在静止过程中经历的静态离析，引入静态离析率来表征矸石膏体的静态抗离析性能。由于在试验测试后期料浆中的粗骨料沉降已经完成，位置B,C,D处超声波的传播速度基本保持一致，因此选用位置A,D处超声波的传播速度的差异来表征充填材料的静态抗离析性能。由于位置A,D处超声波的传播速度在稳定阶段依然上下波动，因此采用位置A,D处一段时间内超声波传播速度的平均值的差，来表征矸石膏体充填材料的静态抗离析性能：式中：SR(SegregationRate)为静态离析率，m/s;t利用式(1)计算得到试验组矸石膏体的静态离析率，如表2所示。由表2可知，与传统的视觉稳定性指数法和柱状法试验结果相比，充填料浆超声波试验测得的静态离析率呈现出相似的变化规律。绘制静态离析率与静态离析指数的散点图，如图3所示，试验组的数据基本分布在一条直线上，表明两种测试方法得到的试验数据相关性良好，进一步拟合方程得到两者之间的函数关系为：拟合精度高达0.995，所以充填料浆的超声波试验可以用来评价矸石膏体充填材料的静态抗离析性能当静态离析指数小于15时，矸石膏体充填材料的静态抗离析性能较优，由方程(2)计算得此时SR=0.33，所以当静态离析率小于0.33时，矸石膏体充填材料的静态抗离析性能较优。2.2超声在填充中的传播特征2.2.1充填体养护期的变化如图4所示，由于矸石膏体在浇筑到模板后的静置过程中发生了静态离析，因此从第一次测试开始，充填体不同高度位置处超声波的传播速度便存在显著差异。随着养护龄期增长，充填体中超声波的传播速度逐渐增加，这是由于水泥水化产物的胶结作用，充填体内部形成更加致密的结构。充填料浆为固液气三相体系，液相占比较大，超声波经过液相和气相时传播速度减慢，随着养护龄期增加，充填体中气相和液相的体积分数逐渐减小，形成较均匀的单一结构体系。因此，充填体中超声波的传播速度逐渐增大。又沿充填体高度方向，粗骨料和细矸浆分布不均匀，造成充填体沿高度方向的内部结构不均匀，不同高度位置处超声波的传播速度存在差异2.2.228天的周期是充满超声的传播特征的由图5可知，配合比不同的矸石膏体，28d龄期充填体中超声波的传播速度差异显著。质量分数为81%的12.2.3硬化静态离析率试验由上述试验结果可知，28d龄期充填体不同高度位置处超声波的传播速度不同，可以反映充填材料在浇筑到模板后的静置过程中发生的静态离析。引入统计学中的标准差来描述充填体不同高度位置处超声波的传播速度的变化，计算结果称为硬化静态离析率，硬化充填体静态离析越严重，超声波在充填体不同位置处的传播速度差异越大，硬化静态离析率越大。硬化静态离析率的计算公式为：式中：HSR为硬化静态离析率，%；V依据公式(3)计算得到试验中5组充填材料的硬化静态离析率，如表3所示。由表3可知，与充填料浆超声波试验、视觉稳定性指数法和柱状法试验结果相比，硬化静态离析率呈现出类似的变化规律。为了检验硬化静态离析率与静态离析指数和静态离析率之间的相关性，分别绘制了硬化静态离析率与静态离析指数和静态离析率的散点图，如图6,7所示。在图6中，试验组的数据基本分布在一条直线上，表明用两种试验方法测得的试验数据相关性良好，进一步拟合方程得到两者之间的函数关系为：方程的拟合精度为0.941。在图7中，试验组的数据基本分布在一条直线上，表明用2种试验方法测得的试验数据相关性良好，进一步拟合方程得到两者之间的函数关系为：方程的拟合精度为0.955。由上述分析可知，硬化静态离析率可以用来表征矸石膏体的静态抗离析性能，硬化充填体试验可以用来评价矸石膏体充填材料的静态抗离析性能，可以用于井下充填现场，快速有效地对矸石膏体充填材料的静态抗离析性能作出评价。当静态离析指数小于15时，矸石膏体充填材料的静态抗离析性能较优，由方程(5)计算得此时HSR=0.018，所以当硬化静态离析率小于0.018时，矸石膏体充填材料的静态抗离析性能较优。3静态离析率测试1)充填料浆超声波试验中，静置10min中后充填料浆中超声波的传播速度趋于稳定，表明充填料浆中粗骨料的沉降运动已经完成，此时，试模顶部料浆中超声波的传播速度显著小于试模中部和底部料浆中超声波的传播速度。2)依据试模顶部和底部料浆中超声波传播速度计算得到静态离析率，与静态离析指数的相关系数为0.995，所以静态离析率可以用来表征矸石膏体充填材料的静态抗离析性能。3)随着养护龄期的增加，