含復(fù)合相變材料的充填體力學(xué)特性

金愛兵，巨有，孫浩，李海，張舟

(1.北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100083；2.北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院，北京，100083)

相變材料(phase change material，PCM)是指溫度不變情況下，改變物質(zhì)狀態(tài)并提供潛熱的物質(zhì)，目前主要集中在建筑領(lǐng)域、太陽能熱利用、余熱廢熱回收及熱管理系統(tǒng)等領(lǐng)域[1?2]。相變材料亦可應(yīng)用于礦山充填體中，利用其良好儲(chǔ)熱能力改善深井高地溫工作環(huán)境[3]。在相變材料應(yīng)用過程中需對(duì)其封裝以達(dá)到容納、保護(hù)、傳熱和操作等目的[4?6]。目前采用較多的2種封裝方式，包括封裝法和浸漬法[7?9]。浸漬法是利用硅藻土、膨潤(rùn)土、高嶺土、膨脹石墨、膨脹珍珠巖和多孔陶粒等[9?12]多孔吸附材料為載體，通過毛細(xì)作用力吸附液態(tài)相變材料制備復(fù)合相變材料。該法工藝簡(jiǎn)單，可防止液體泄漏，同時(shí)分散相變材料提高導(dǎo)熱效率，且相比微膠囊結(jié)構(gòu)制備工藝簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化[13]。浸漬法制備的相變材料在加入充填體過程中，復(fù)合相變材料添加量、強(qiáng)度以及粒徑都可能會(huì)對(duì)充填體強(qiáng)度造成影響，而充填體強(qiáng)度對(duì)充填采場(chǎng)穩(wěn)定性起決定性作用，因此，有必要探究相變材料在充填體應(yīng)用中的強(qiáng)度影響因素。

很多學(xué)者研究了相變材料應(yīng)用，包括材料配置、熱傳導(dǎo)效率和復(fù)合相變材料對(duì)強(qiáng)度特性影響等。FELDMAN等[14]通過直接將硬脂酸丁酯摻入到傳統(tǒng)石膏板中，制得相變儲(chǔ)能石膏板，其蓄熱能力是傳統(tǒng)石膏板蓄熱能力的9倍；SARI等[15?18]進(jìn)行了多種混合相變材料制備研究，首先，利用膨脹珍珠巖吸附癸酸和月桂酸混合相變材料，實(shí)現(xiàn)了顆粒狀儲(chǔ)能相變材料制備，在此基礎(chǔ)上，又以脂肪酸的二元復(fù)合物和脂肪酸酯作為相變材料，與水泥、石膏、蛭石、硅藻土和珍珠巖等多孔材料復(fù)合，制備了一系列的多孔基體相變復(fù)合材料；劉馨等[19]提出一種新型的太陽能空氣集熱器，運(yùn)用差示掃描量熱儀(DSC)測(cè)試不同比例的癸酸和月桂酸混合物的相變溫度和相變焓，得出了室內(nèi)舒適溫度范圍內(nèi)具有高潛熱和合適相變溫度的混合比例。

在強(qiáng)度特性研究方面，CUI等[20]使用真空浸漬法制備了月桂酸和膨脹黏土材料復(fù)合相變材料，表面分別涂有環(huán)氧樹脂和改性水泥，并將其與對(duì)照混凝土進(jìn)行對(duì)比，平均抗壓強(qiáng)度損失分別約為15.4%和9.1%；KASTIUKAS 等[21]探究了添加浸漬石蠟的膨脹黏土對(duì)硅酸鹽和廢玻璃組成的聚合物強(qiáng)度影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)聚合物中加20%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PCM 樣品，其抗壓強(qiáng)度降低43%，膨脹黏土與周圍聚合物之間的孔隙導(dǎo)致強(qiáng)度降低；MIN等[22]使用替代法和添加劑法分別將浸入正丁烷的石墨碳基材料加入混凝土中，當(dāng)PCM 質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度和彈性模量降低，替代法抗壓強(qiáng)度降低幅度小于添加法抗壓強(qiáng)度降低幅度；MA等[23]將硬脂酸丁酯浸漬到膨脹珍珠巖中并用石灰石粉包裹后加入混凝土中，PCM 體積比為0，10%，20% 和30% 的混凝土抗壓強(qiáng)度分別為56.39，54.33，45.08和39.24 MPa。

目前對(duì)相變材料的研究主要集中在2 個(gè)方面：1)封裝方式和材料類型對(duì)相變材料傳熱效率和吸放熱情況的影響；2)相變材料添加方式和添加量對(duì)混凝土等材料的強(qiáng)度影響。人們對(duì)相變材料在充填體中應(yīng)用研究較少，同時(shí)對(duì)復(fù)合相變材料粒徑和其本身(吸附材料)強(qiáng)度對(duì)充填體的強(qiáng)度影響研究較少。由于浸漬法成本較低，可防止液體泄漏，提高導(dǎo)熱效率，更適合應(yīng)用于充填體，且將PCM應(yīng)用于充填體其相變溫度應(yīng)符合井下溫度條件。因此，選擇硬脂酸丁酯(n?Butyl stearate，BS)為相變材料，利用膨脹珍珠巖(expanded perlite，EP)孔隙率高、吸附性較強(qiáng)的特征，將硬脂酸丁酯滲透到膨脹珍珠巖孔隙中，制備BS/EP復(fù)合相變材料加入充填體(下簡(jiǎn)稱BS/EP充填體)中。利用DSC和充填體試件熱學(xué)試驗(yàn)研究復(fù)合相變材料熱學(xué)性能，并在BS/EP 充填體試件單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用PFC3D 軟件進(jìn)行BS/EP 充填體試件的三軸壓縮數(shù)值模擬，分別研究BS/EP添加量、BS/EP粒徑以及復(fù)合相變材料強(qiáng)度對(duì)BS/EP充填體強(qiáng)度特性影響。

1 熱學(xué)性能測(cè)試及壓縮試驗(yàn)

1.1 BS/EP充填體制備及測(cè)試

1.1.1 BS/EP復(fù)合相變材料制備

制備BS/EP復(fù)合相變材料所需材料包括硬脂酸丁酯(十八酸正丁酯，99%純度)、膨脹珍珠巖和白乳膠。所需設(shè)備包括真空干燥箱、真空抽濾機(jī)和恒溫水浴鍋。

BS/EP復(fù)合相變材料制備過程：

1)將膨脹珍珠巖置于干燥箱中高溫烘烤24 h，去除水分；

2)40 ℃恒溫水浴將膨脹珍珠巖浸入過量液態(tài)硬脂酸丁酯中，同時(shí)采用真空抽濾機(jī)抽真空，使硬脂酸丁酯充分被膨脹珍珠巖吸收，30 min后將吸附硬脂酸丁酯的膨脹珍珠巖取出；

3)用白乳膠均勻涂抹膨脹珍珠巖表面，靜置6 h，待白乳膠干燥固實(shí)后即制備完成BS/EP 復(fù)合相變材料。

制備完成的BS/EP復(fù)合相變材料為乳白色顆粒狀，如圖1所示，通過對(duì)吸附硬脂酸丁酯的膨脹珍珠巖稱質(zhì)量，平均每克膨脹珍珠巖可吸附2.3 g 硬脂酸丁酯。

圖1 BS/EP復(fù)合相變材料Fig.1 BS/EP composite phase change material

1.1.2 差示掃描量熱法（DSC）測(cè)試

為得到硬脂酸丁酯材料的熱學(xué)特征，測(cè)試硬脂酸丁酯(BS)以及BS/EP復(fù)合相變材料相變溫度和相變焓。選用儀器為差示掃描量熱儀，升溫速率為5 ℃/min，測(cè)試溫度由0 ℃升至40 ℃。

1.1.3 BS/EP充填體熱學(xué)性能測(cè)試

為探究BS/EP對(duì)充填體熱學(xué)性能改善效果，采用熱電偶和巡檢儀研究添加BS/EP前后充填體溫度隨時(shí)間變化情況。使用設(shè)備包括XMZA?J838K 溫度巡檢儀(485 通訊)、K 型熱電偶(?30～1 300 ℃，檢測(cè)精度為0.1 ℃)和恒溫養(yǎng)護(hù)箱。

按照灰砂比(質(zhì)量比)為1∶4、料漿添加量70%分別制備無添加充填體試件和BS/EP充填體試件各3 個(gè)，其中BS/EP 復(fù)合相變材料充填體添加量為10%(體積分?jǐn)?shù))，膨脹珍珠巖粒徑為5.0～5.5 mm。為保證熱電偶測(cè)試誤差受模型影響較小，所選模具為邊長(zhǎng)為70.7 mm 的立方體模具。將BS/EP 復(fù)合相變材料與水泥、尾砂共同攪拌，攪拌均勻后裝入模具，并將熱電偶預(yù)埋入立方體模具中心位置，脫模后放入恒溫養(yǎng)護(hù)箱中10 ℃條件下養(yǎng)護(hù)28 d，制成BS/EP充填體。制備的2種方形充填體試件如圖2所示。

圖2 方形充填體試件Fig.2 Square filling specimen

1.1.4 BS/EP充填體壓縮試驗(yàn)

數(shù)值模擬參數(shù)由實(shí)驗(yàn)室制備充填體試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)獲得，根據(jù)礦山現(xiàn)用充填材料(水泥+尾砂)配比設(shè)計(jì)充填配比試驗(yàn)。

按照灰砂比為1∶4、料漿添加量70%分別制備充填體標(biāo)準(zhǔn)試件和BS/EP充填體各3個(gè)，所選模具為直徑×高度為50 mm×100 mm 的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)模具。試塊澆筑、養(yǎng)護(hù)并脫模后置于恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為10 ℃，濕度為97%，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d[24]，制備圓柱試件如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)充填體試件和BS/EP充填體試件Fig.3 Standard backfill specimen and BS/EP backfill specimen

試件養(yǎng)護(hù)完成后分別對(duì)2組試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，單軸壓縮試驗(yàn)采用北京科技大學(xué)金屬礦山高效開采與安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的YAW?600型巖石壓力試驗(yàn)機(jī)。采用位移加載控制方式，加載速率為0.001 mm/s。

1.2 熱學(xué)及力學(xué)性能表現(xiàn)

1.2.1 BS/EP復(fù)合相變材料DSC結(jié)果

BS/EP 復(fù)合相變材料DSC 測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖4可見：硬脂酸丁酯(BS)的相變起始溫度為15.7 ℃，峰值溫度為19.8 ℃，相變焓為98.88 J/g；BS/EP 復(fù)合相變材料的相變起始溫度為14.6 ℃，峰值溫度為18.0 ℃，相變焓為53.64 J/g。其中，相變起始溫度之前材料有小幅度吸熱，即在主體材料相變之前有部分于低溫發(fā)生相變，此相變吸熱特性由其自身物化特性所決定[25]。采用膨脹珍珠巖吸附及白乳膠封裝后BS/EP復(fù)合相變材料相比硬脂酸丁酯(BS)相變起始溫度由15.7 ℃降至14.6 ℃，相變焓由98.88 J/g減小了45.24 J/g，相變焓受封裝材料影響下降較多。

圖4 硬脂酸丁酯及BS/EP復(fù)合相變材料DSC測(cè)試結(jié)果Fig.4 DSC results of butyl stearate and BS/EP composite phase change material

1.2.2 BS/EP充填體熱學(xué)性能

試件養(yǎng)護(hù)完成后通過恒溫養(yǎng)護(hù)箱創(chuàng)造36 ℃恒溫環(huán)境，試件從10 ℃升到36 ℃過程中由溫度巡檢儀連接至電腦軟件得到溫度變化曲線。2種充填體試件溫度變化曲線如圖5所示。由圖5可見：加入BS/EP后充填體上升至相同溫度時(shí)間明顯增加，說明相變材料有效減緩了充填體升溫速度，明顯改善了充填體熱學(xué)性能，將復(fù)合相變材料充填體加入礦山后可有效吸收井下熱量，改善深井高地溫環(huán)境。

圖5 充填體溫度變化曲線Fig.5 Temperature curve of backfill

1.2.3 BS/EP充填體力學(xué)性能

標(biāo)準(zhǔn)圓柱充填體試件和BS/EP充填體試件單軸壓縮試驗(yàn)所得應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系如圖6(a)所示，試件物理力學(xué)參數(shù)見表1。由圖6(a)可見：加入體積分?jǐn)?shù)10%的BS/EP 后，充填體強(qiáng)度相比標(biāo)準(zhǔn)充填體降低13.74%，彈性模量降低13.81%，泊松比變化較小，僅減小4.17%。

圖6 充填體試件和數(shù)值模型應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系Fig.6 Stress?strain relationship between backfill specimen and numerical model

表1 試件宏觀力學(xué)參數(shù)Table 1 Macroscopic mechanical parameters of specimen

2 數(shù)值模擬

2.1 BS/EP充填體試件模型構(gòu)建

為分析加入相變材料后充填體內(nèi)部結(jié)構(gòu)與BS/EP復(fù)合相變材料分布情況，對(duì)BS/EP充填體進(jìn)行CT 掃描，為數(shù)值模型內(nèi)BS/EP 復(fù)合相變材料位置分布提供依據(jù)。

PFC模型與單軸壓縮試驗(yàn)式樣尺寸一致，均為直徑為50 mm，高度為100 mm 的圓柱體，如圖7所示。由圖7可見，數(shù)值模型與CT 掃描圖中復(fù)合相變材料分布情況近似一致(如圖中黑色橢圓所示)，整體模型中復(fù)合相變材料分布匹配情況較好。充填體試件中接觸模型全部選用平行黏結(jié)模型，但由于復(fù)合相變材料與水泥的黏結(jié)性相比尾砂較差，故將2組黏結(jié)屬性進(jìn)行區(qū)別。

圖7 BS/EP充填體試件Fig.7 BS/EP backfill specimen

2.2 細(xì)觀參數(shù)確定

為確定細(xì)觀參數(shù)需賦予模型參數(shù)，并對(duì)比模擬結(jié)果與真實(shí)試件結(jié)果，通過宏細(xì)觀參數(shù)匹配研究，最終確定1組合理的細(xì)觀參數(shù)，使數(shù)值模擬中充填體模型試樣單軸壓縮得到的基本宏觀力學(xué)參數(shù)(單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量)與室內(nèi)試驗(yàn)所得結(jié)果基本一致[26?29]。

為實(shí)現(xiàn)數(shù)值模型對(duì)BS/EP充填體試件模擬，參數(shù)匹配過程分為2個(gè)部分。

1)模型組成顆粒為全部基礎(chǔ)顆粒，表示原充填體試件，加載速率為0.001 mm/s 條件下對(duì)充填體試件準(zhǔn)靜態(tài)加載，模擬結(jié)果與真實(shí)試件單軸壓縮試驗(yàn)得到的宏觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行配比，灰砂比為1∶4時(shí)3個(gè)試件單軸壓縮試驗(yàn)與數(shù)值模擬所得應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系對(duì)比如圖6(b)所示。由圖6(b)可見：數(shù)值模擬和真實(shí)試驗(yàn)所得泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)較接近，可以用于后續(xù)研究，其匹配結(jié)果見表2。

表2 充填體力學(xué)參數(shù)匹配結(jié)果Table 2 Matching results of filling physical parameters

2)原充填體模型微觀力學(xué)參數(shù)匹配完成后，固定圍壓為0.1 MPa，得到充填體試件三軸壓縮模擬結(jié)果。在生成模型時(shí)，采用90%基礎(chǔ)顆粒和10%粒徑為5.0～5.5 mm 大顆粒，代表加入BS/EP后的充填體試件，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)充填體試件與BS/EP充填體單軸試驗(yàn)所得結(jié)果，改變代表膨脹珍珠巖的大顆粒周圍接觸參數(shù)，最終得到使原充填體試件三軸壓縮強(qiáng)度降低14%時(shí)的大顆粒接觸參數(shù)，數(shù)值模擬試件微觀力學(xué)參數(shù)見表3。

表3 數(shù)值模擬試件微觀力學(xué)參數(shù)Table 3 Numerical simulation of micromechanical parameters of specimens

2.3 模擬計(jì)算內(nèi)容

相變材料添加量增多會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低[30?31]，但相變材料添加量對(duì)充填體強(qiáng)度影響尚不明確。為探究BS/EP復(fù)合相變材料對(duì)充填體強(qiáng)度的影響，采用PFC3D 實(shí)現(xiàn)BS/EP 復(fù)合相變材料添加量、粒徑和強(qiáng)度對(duì)充填體強(qiáng)度的影響模擬。

以BS/EP充填體數(shù)值模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行以下3個(gè)方面模擬研究(圍壓固定為0.1 MPa)：

1)不同BS/EP添加量(體積分?jǐn)?shù))數(shù)值模擬。固定BS/EP粒徑為5.0～5.5 mm，復(fù)合相變材料強(qiáng)度為100%，改變BS/EP 添加比例分別為充填體試件體積的10%，20%和30%。

2)不同BS/EP粒徑數(shù)值模擬。固定BS/EP添加量為充填體體積10%，復(fù)合相變材料強(qiáng)度為100%，改變BS/EP 粒徑分別為3.0～3.5，5.0～5.5 和8.0～8.5 mm。

3)不同復(fù)合相變材料強(qiáng)度數(shù)值模擬。固定BS/EP 添加量為充填體體積10%，粒徑為5.0～5.5 mm，改變復(fù)合相變材料強(qiáng)度，即大顆粒接觸強(qiáng)度分別為原匹配參數(shù)的80%，100%和120%。

3 BS/EP充填體強(qiáng)度影響因素

3 種不同條件下的充填體試件所得應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系如圖8所示，下面對(duì)3種不同條件下的充填體試件峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變以及彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)分別進(jìn)行處理。

3.1 BS/EP添加量

4種不同添加量條件下充填體試件峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變變化趨勢(shì)見圖8(a)。由圖8(a)可見：隨BS/EP 添加量(體積分?jǐn)?shù))增加，峰值強(qiáng)度隨之遞減；當(dāng)BS/EP 添加量分別為10%，20%和30%時(shí)，對(duì)應(yīng)峰值強(qiáng)度由3.17 MPa分別降低為2.72，2.21和1.87 MPa，即隨BS/EP添加量增加，充填體試件強(qiáng)度明顯降低。在一定范圍內(nèi)，充填體強(qiáng)度與BS/EP添加量之間呈線性關(guān)系，其回歸方程為

圖8 不同條件充填體試件應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系Fig.8 Stress?strain relationship of backfill specimen under different conditions

式中：P為試件峰值強(qiáng)度，MPa；a為復(fù)合相變材料添加量，%。

圖9所示為不同添加量充填體試件峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及變形參數(shù)。由圖9(a)可見，隨BS/EP添加量由0增加至30%，充填體峰值應(yīng)變從0.44%增加到了0.48%，基本無變化。因此，BS/EP 添加量對(duì)充填體峰值應(yīng)變的影響不大。

由圖9還可見：隨BS/EP添加量增加，充填體試件彈性模量逐漸減小；當(dāng)BS/EP 添加量為30%時(shí)，彈性模量減小為0.491 GPa，與原充填體0.909 GPa 相比降低45.98%，泊松比隨BS/EP 添加量增加，從0.220增加到了0.229，因此，BS/EP添加量對(duì)橫向應(yīng)變影響很小。結(jié)合彈性模量與峰值強(qiáng)度變化，隨BS/EP添加量增加，充填體彈性模量大幅減小由其所受應(yīng)力大幅下降引起，其應(yīng)變基本不變，即BS/EP添加量對(duì)充填體變形影響較小。

圖9 不同添加量充填體試件峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及變形參數(shù)Fig.9 Peak strength,peak strain and deformation parameters of backfill specimen with different dosage

3.2 BS/EP粒徑

由圖8(b)可知：在相同圍壓和BS/EP添加量條件下，改變BS/EP粒徑對(duì)充填體試件峰值強(qiáng)度及變形參數(shù)有一定影響，但影響較小。峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變變化趨勢(shì)見圖10(a)，與3.0～3.5 mm 粒徑相比，BS/EP 粒徑為5.0～5.5 mm 和8.0～8.5 mm 充填體試件峰值強(qiáng)度從2.71 MPa增加到2.72和2.77 MPa，增加幅度較小。隨BS/EP 粒徑增大到5.0～5.5 mm和8.0～8.5 mm，峰值應(yīng)變從0.49%分別減小到0.48%和0.46%。因此，BS/EP 粒徑對(duì)峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變基本沒有影響。

圖10 不同BS/EP粒徑充填體試件峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變及變形參數(shù)Fig.10 Peak strength,peak strain and deformation parameters of backfill specimen with different BS/EP particle sizes

彈性模量和泊松比變化趨勢(shì)見圖10(b)，隨BS/EP 粒徑從3.0～3.5 mm 增大到5.5 mm 和8.0～8.5 mm，充填體彈性模量增大幅度分別為4.1%和6.8%。泊松比從BS/EP 粒徑為3.0～3.5 mm 時(shí)的0.224 增大到BS/EP 粒徑為8.0～8.5 mm 時(shí)的0.228。因此，加入BS/EP 會(huì)使充填體變形大幅增大，但BS/EP粒徑改變僅會(huì)小幅影響充填體變形參數(shù)。

3.3 復(fù)合相變材料強(qiáng)度

復(fù)合相變材料強(qiáng)度主要受吸附材料影響，因此，改變多孔吸附材料強(qiáng)度探究其對(duì)充填體力學(xué)性質(zhì)影響。在復(fù)合相變材料應(yīng)用到充填體過程中，由于密度和制造工藝等不同，多孔吸附材料強(qiáng)度也會(huì)有所不同。為研究復(fù)合相變材料對(duì)充填體強(qiáng)度及變形參數(shù)影響，在模擬過程中改變代表復(fù)合相變材料的大顆粒參數(shù)，分別使大顆粒強(qiáng)度為原強(qiáng)度80%和120%，得到充填體試件應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系如圖8(c)所示。不同復(fù)合相變材料強(qiáng)度充填體試件峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變以及彈性模量和泊松比如表4所示。

表4 不同復(fù)合相變材料強(qiáng)度充填體力學(xué)參數(shù)Table 4 Physical parameters of fillback with different strength of PCM

由表4可見：復(fù)合相變材料強(qiáng)度由原強(qiáng)度的80%變化到100%和120%的過程中，充填體試件峰值強(qiáng)度變化幅度較?。环逯祽?yīng)變變化幅度同樣很小。因此，總體上說，復(fù)合相變材料強(qiáng)度對(duì)充填體試樣峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變影響均很小。

隨復(fù)合相變材料強(qiáng)度增大，充填體試件彈性模量和泊松比均隨之有所增加。當(dāng)大顆粒強(qiáng)度分別為匹配參數(shù)的80%和120%時(shí)，充填體試件彈性模量變化幅度均僅有1.3%；充填體試件泊松比基本無變化。因此，復(fù)合相變材料強(qiáng)度對(duì)充填體試件變形參數(shù)基本無影響。復(fù)合相變材料強(qiáng)度對(duì)BS/EP 充填體試件強(qiáng)度和變形參數(shù)影響很小，在應(yīng)用過程中可不考慮復(fù)合相變材料本身強(qiáng)度的影響。

4 影響因素之間的敏感性

對(duì)BS/EP復(fù)合相變材料添加量、粒徑和材料強(qiáng)度3個(gè)因素對(duì)峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、彈性模量和泊松比的影響進(jìn)行多元回歸分析。分析結(jié)果如表5所示(其中，b為回歸系數(shù)，可作為影響程度評(píng)價(jià)指標(biāo)；|r|為相關(guān)性指標(biāo)，其越接近1，代表相關(guān)性越強(qiáng))。

表5 各因素對(duì)充填體影響回歸分析結(jié)果Table 5 Regression analysis results of influence of various factors on backfill

由表5可知：BS/EP添加量對(duì)峰值強(qiáng)度影響最大，且高度相關(guān)，另外2個(gè)因素高度相關(guān)但影響較??；3種因素對(duì)峰值應(yīng)變相關(guān)性顯著，但影響均較?。籅S/EP添加量對(duì)泊松比影響顯著，且相關(guān)性極高，其他2個(gè)因素對(duì)泊松比影響較小。

由敏感性分析總結(jié)3種因素對(duì)充填體力學(xué)特性的影響，BS/EP添加量對(duì)充填體強(qiáng)度影響顯著，而BS/EP粒徑和復(fù)合材料強(qiáng)度對(duì)其強(qiáng)度影響較小，即充填體強(qiáng)度的降低主要由BS/EP復(fù)合相變材料的添加量增多引起。分析其原因可知，復(fù)合相變材料制備過程中由白乳膠封裝包裹，基本無泄漏，且尾砂和水泥并不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致物質(zhì)成分變化，同時(shí)，BS/EP復(fù)合相變材料粒徑和強(qiáng)度改變并不會(huì)導(dǎo)致充填體強(qiáng)度劣化。推斷引起其強(qiáng)度劣化原因主要為：膨脹珍珠巖作為多孔材料，其內(nèi)孔隙率較大，而其對(duì)硬脂酸丁酯存在最大吸附值，吸附硬脂酸丁酯后仍存在大量孔隙；隨復(fù)合相變材料添加量增加，膨脹珍珠巖體積隨之增大，導(dǎo)致充填體內(nèi)孔隙率大幅增加，在壓縮過程中進(jìn)一步導(dǎo)致了充填體強(qiáng)度的嚴(yán)重降低。

5 結(jié)論

1)充填體強(qiáng)度會(huì)隨BS/EP 添加量增加呈近似線性減小，當(dāng)BS/EP 添加量為10%，20%和30%時(shí)，其峰值強(qiáng)度分別降低14.05%，30.37% 和41.10%，其應(yīng)變隨復(fù)合相變材料添加量增加無明顯改變。

2)隨BS/EP 粒徑從3.0～3.5 mm 增大到8.0～8.5 mm，充填體峰值強(qiáng)度增大2.3%，彈性模量增大6.8%；復(fù)合相變材料強(qiáng)度由原強(qiáng)度的80%增加至120%時(shí)，峰值強(qiáng)度增加3.4%，峰值應(yīng)變先增大3.7%(100%時(shí))，后減小1.5%。

3)加入BS/EP 復(fù)合相變材料會(huì)對(duì)充填體強(qiáng)度產(chǎn)生影響，但影響不大，當(dāng)BS/EP復(fù)合相變材料添加量在10%以內(nèi)時(shí)強(qiáng)度降低幅度最大，為14%。加入BS/EP復(fù)合相變材料后，充填體升溫速度得到了有效減緩，其儲(chǔ)熱性能有明顯改善，可有效吸收井下熱量。相變材料可少量應(yīng)用于礦山充填改善深井高溫環(huán)境，其添加量是充填體強(qiáng)度降低的主要影響因素。