沈文峰，王 亮,2，徐 穎，孫 蕾

(1.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.淮北礦業(yè)股份有限公司，安徽 淮北 235000)

0 引 言

煤炭以其經濟性、高效性，長久以來，在我國能源體系中都占據著主導地位，社會經濟需求和能源格局決定其在長時間內難以被其他能源取代[1]。隨著開采深度向千米級擴展，復雜的地質條件和應力環(huán)境使處于“三高一強”環(huán)境下的巖體易受掘進或開采擾動而失穩(wěn)[2]，導致巖體內積聚的巨大能量急速猛烈地釋放，造成煤巖體結構破壞，產生安全隱患，影響生產效益。煤礦開采過程中監(jiān)控預測難、信息傳輸不透明，開采環(huán)境因沖擊地壓、煤與瓦斯等突出問題而更加惡劣[3], 馬頭門、箕斗硐室、巷道等部位在復雜的地應力作用下存在鼓起、開裂等破壞危險。斷層的構造應力致使煤體變形和巖層積聚彈性能產生高靜載集中，開采礦壓超出直接頂和基本頂范圍，巖層破裂瞬間釋放高能量形成動載擾動，在礦井支護薄弱區(qū)易發(fā)生沖擊破壞[4-5]。為保證生命財產安全，對礦井薄弱區(qū)進行支護十分重要，噴射混凝土砂漿、錨噴及錨噴網支護技術成熟穩(wěn)定，具有可靠性和經濟性等優(yōu)點，廣泛應用于結構初期或永久支護和結構加固之中[6-7]。礦井在運營過程中，易受到巖層圍壓、高壓滲水和腐蝕侵入等作用，支護襯砌結構常會發(fā)生開裂、滲水、腐蝕等現象，降低結構承載能力，影響可靠性和耐久性。摻入纖維可以有效改善水泥基材料的脆性和韌性，然而對這類材料的動態(tài)性能研究多集中在碳纖維和鋼纖維水泥基材料中[8]。聚丙烯纖維(PPF)具有優(yōu)良的抗軸拉、抗剪切、抗腐蝕和阻裂等性能[9-10]，摻入適量PPF的噴射砂漿表現出更加優(yōu)異的力學性能和耐久性能，降低材料的脆性。PPF在水泥漿體中呈三維亂向分布，提高噴射砂漿的工作性能，改善應力傳遞路徑，緩解應力集中現象；與此同時，當裂縫出現時，PPF能夠傳遞開裂應力，增加側向約束，延緩裂縫擴展，使基體產生更多裂縫以吸收更多能量，從而提高抗沖擊性能。羅洪林等[11]將不同長徑比的PPF摻入砂漿，研究發(fā)現纖維存在最佳長徑比，彎曲型分布的纖維有利于增強與砂漿間的摩擦力。徐虎[12]研究發(fā)現在砂漿中摻入PPF可以提高砂漿的抗拉強度、抗裂性能和抗斷裂能力，在高應力狀態(tài)下提升錨桿的錨固效果和耐久性。胡金生等[13-14]對摻入PPF的砂漿進行SHPB試驗，得出PPF可以改善砂漿的脆性破壞特征，并增強其韌性的結論。目前研究聚焦于纖維品種與摻量對砂漿的抗沖擊性能影響[8,13-14]，PPF在砂漿中會填充孔隙，擠壓甚至堵塞毛細管，減少初凝階段水分流失和泌水引起的微裂縫和塑性收縮，而水泥含量增加會導致壓縮和破碎模量增加，不同水灰比和水泥含量不僅關系到噴射錨固砂漿的阻裂性、孔隙率、耐久性和強度，同時影響PPF的阻裂增韌效果和縱波傳播路徑。

因此，在前人研究基礎上[15]進一步調控砂漿的配比，通過破碎特征和動態(tài)抗壓強度、極限韌性等動態(tài)力學特性研究在沖擊壓縮作用下纖維增強噴射錨固砂漿的變形破壞規(guī)律，為礦井掘進和支護提供理論支撐。

1 SHPB單軸沖擊試驗方案

1.1 試件材料

膠凝材料：海螺牌P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；細骨料：淮河河砂，顆粒級配屬一區(qū)天然砂，含泥量、有害物質含量、堅固性和表觀密度等參數符合GB/14684—2011要求，細度模數為2.56；拌合水取自淮南自來水，并添加聚羧酸高效液態(tài)減水劑(減水率20%)保證不同水灰比的新拌砂漿流動度相似；試驗試件尺寸為?50 mm×25 mm，為在砂漿中獲得較好的分散性和摩擦力，試驗選用9 mm 束狀單絲聚丙烯纖維(PPF)，物理參數見表1。

表1 聚丙烯纖維物理力學性能Table 1 Physical and mechanical properties of PPF

1.2 試件制備

試件長徑比取0.5[16]，以減少摩擦效應和慣性效應的不利影響。設計考慮了水灰比和4種PPF體積摻量(0、1%、1.25%、1.5%)作為變量，按照表2配合比制作的砂漿裝入?50 mm×25 mm的模具中放在濕度≥95%、溫度為(20±2) ℃的養(yǎng)護室中養(yǎng)護1 d后拆模，然后將試件繼續(xù)在養(yǎng)護室中養(yǎng)護至28 d 取出，使用打磨機將試件兩端打磨平整，端面平整度在0.05 mm以內。

表2 PPF增強砂漿配合比Table 2 Mixing ratio of PPF reinforced mortars

1.3 SHPB試驗裝置與實驗方法

使用?50 mm變截面SHPB試驗系統(tǒng)對試塊進行單軸沖擊壓縮試驗[15]，平衡檢驗如圖1所示，基本達到應力平衡條件，符合SHPB的一維應力波假設。由圖可知入射波上升沿的時間約為100 μs，可以滿足應力波在試件軸向產生4次透射-反射過程，滿足應力均勻性要求[17-18]。在0.25 MPa沖擊氣壓下，試件軸向出現貫通裂紋，沖擊氣壓達到0.45 MPa時試件可以完全破碎，確定循環(huán)沖擊氣壓的大小為0.25、0.35、0.45 MPa，考察在平均應變率為80～180 s-1范圍內動態(tài)抗壓強度和極限韌性發(fā)展，分析各組試件從開始產生裂縫發(fā)生破壞到粉碎性破壞的過程，揭示PPF增強砂漿破碎和吸能特征。

圖1 SHPB試驗平衡檢驗Fig.1 SHPB test of balance verify

2 實驗結果與分析

2.1 PPF增強砂漿的典型破壞形態(tài)

不同沖擊氣壓時試件的典型破壞形態(tài)如圖2所示。隨著沖擊氣壓由0.25 MPa增大至0.45 MPa，試件的破碎程度越來越高，碎塊塊度平均粒徑不斷減小，低應變率作用時裂紋呈軸向劈裂破壞，而應變率較高時則是顆粒狀粉碎破壞，表現出顯著的應變率效應。試件在承受單軸沖擊作用時，應力波經過入射桿在試件內部傳播，微裂紋、孔隙等微缺陷被激活并發(fā)展，裂紋發(fā)展所需的能量低于裂紋形成所需的能量，當試件積聚更高的能量，裂紋擴展滯后于能量的積累，初始裂紋相互貫通，同時會產生更多的細小裂紋并參與到破壞過程中，使試件壓碎、磨碎；在低應變率下，微裂紋沿著已有的薄弱缺陷開始沿著平行于壓應力的方向發(fā)展，無需以破裂為更多碎塊來消耗能量，表現為碎塊的目數增大，破壞碎塊尺度趨于變大。沖擊載荷作用下，試件損傷和破壞在瞬間完成，單仁亮[19]認為沖擊破壞總是有兩種及以上破壞形態(tài)，主要分為壓剪破壞、拉應力破壞、張應變破壞和卸載破壞；陳慶壽等[20]對軟、中硬和堅硬3類巖石的動載試驗研究，認為破壞模式分為產生裂隙、中等破壞和強烈破碎；趙光明等[21]以混凝土和巖石試件在不同沖擊速度下SHPB試驗為基礎，結合數值模擬將試件破壞有張應力破壞、軸向劈裂拉伸破壞和壓碎破壞模式。圖2中試件破壞模式并不單一，而是以軸向劈裂拉伸破壞和壓剪破壞為主，和巖石類材料不同，沒有張應變破壞階段。

圖2 不同沖擊氣壓下試件的典型破碎形態(tài)Fig.2 Typical fractured morphology of specimen under different impact pressure

2.2 應力-應變曲線分析

PPF增強砂漿作用是通過摩擦力與水泥基體結合，不同摻量的纖維增強作用在水灰比研究范圍內表現出相似的規(guī)律，為便于分析噴射砂漿的沖擊破壞破裂特征，選取PPF體積摻量為1%時具有代表性結果。應力應變曲線如圖3 所示，表3為PPF增強砂漿的性能參數，試件編號第1個數字表示水灰比，第2個數字表示PPF的體積摻量，第3個數字表示沖擊氣壓。

圖3 SHPB試驗中的典型動態(tài)應力應變曲線Fig.3 Typical dynamical stress-strain curves

圖3a中，隨著沖擊氣壓的增大，各組PPF增強砂漿試件的動彈性模量和峰值應力均有提高，而且塑性有相應增強，峰值應力、極限韌性、極限應變均具有顯著的應變率效應。由圖3a，不同水灰比的PPF增強砂漿的峰值應力、極限應變均隨著沖擊氣壓的增大而有所提高。在高應變率沖擊下，沖擊荷載作用于試件的時間太短，不足以能量累積，而且裂紋擴展滯后于加載速度，導致應力提升，同時更多的裂紋產生導致試件變形增大。部分曲線出現短暫的下凹段是應力跌落現象[15]。各試件應力應變曲線均有相似的特征，為了便于分析PPF增強砂漿內部能量變化，將選取的部分大小形狀相近的典型應力應變曲線(圖3b)分為彈性階段(Ⅰ)、裂隙擴張階段(Ⅱ)、塑性變形階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)進行表征。彈性階段PPF增強砂漿的應力和應變成正相關，外力的能量不斷轉換為試件的彈性勢能；達到彈性極限應力以后， 試件內部微破壞開始發(fā)展形成損傷，隨后應力隨應變增加而緩慢增長進入塑性變形階段，此時曲線呈上凸特征，在這個階段，外力的能量被內部結構的改變而耗散；達到屈服應力后，應力隨著應變的微小增加而急劇下降，裂紋貫穿試件發(fā)生破壞。與劉娟紅等[2,22]研究相比，缺少初始壓密階段，這是因為試件在初始階段承載的應變率較高，內部微裂紋沒有足夠的反應時間閉合，直接進入彈性階段(圖3b)。

2.3 水灰比對PPF增強砂漿抗沖擊性能的影響

由表3可以看出，PPF摻量相同時，極限韌性和峰值應力均隨著水灰比增大呈增長趨勢，水灰比為0.5的PPF增強砂漿表現出更佳的抗沖擊性能。

表3 PPF增強砂漿的性能參數Table 3 Performance parameters of PPF reinforced mortars

高水灰比的砂漿由自干燥而產生的孔隙率較高[23]，有助于降低脈沖速度[24]，使得其具有更佳的消波吸能機能。摻入適量的PPF后，PPF均勻分布形成亂向支撐與砂漿協(xié)同作用，能夠緩和裂縫尖端應力集中程度，避免因沖擊波阻斷導致的局部應力集中現象[25]，同時與砂漿間的彎曲摩擦黏結和握裹摩擦黏結起到加筋作用，使內部形成穩(wěn)定的空間結構，在沖擊動載的作用下表現出較好的變形協(xié)調性。

為進一步研究水灰比對PPF增強砂漿的抗沖擊性能的影響，對3種不同水灰比的PPF增強砂漿極限韌性隨應變率變化進行統(tǒng)計整合，如圖4所示。

圖4 試件極限韌性與水灰比關系Fig.4 Relationship between ultimate toughness and water cement ratio of specimen

在研究范圍內，3種不同水灰比試件的極限韌性與應變率呈現出較強的率相關性，并隨著水灰比的增大而增大，低水灰比的PPF增強砂漿的極限韌性較弱，表明其抗沖擊荷載效能較低。夏昌敬等[26]對不同孔隙率的巖石進行SHPB試驗研究，得出在相同沖擊速度下，孔隙率增加會增加反射能，巖石耗散能提高，破壞更加嚴重，能量耗散與孔隙率密切相關。與準靜態(tài)加載相比[27]，沖擊載荷時，加載時間不能滿足破壞沿著薄弱路徑開展的速度需求[16]，強度遠大于PPF增強砂漿極限抗壓強度的應力波在接觸試件端面產生反射能，后應力波穿過試件在入射桿、試件、透射桿之間循環(huán)傳播，打破試件內部應力平衡，缺陷和微裂紋被激活并得到擴展，同時吸收更多能量，產生大量新裂紋。而低水灰比的PPF增強砂漿具有更高的致密性，應變硬化表現不明顯(圖3a中水灰比為0.3的砂漿試件的應力應變曲線斜率較低，并伴隨著較寬的屈服平臺)，在塑性變形階段(Ⅲ)吸能能力較弱，損傷不斷積累導致試件組構傳遞荷載能力降低，更容易發(fā)生破壞。

2.4 應變率與動態(tài)抗壓強度、極限韌性的關系

由以上分析可知，PPF增強砂漿的動態(tài)抗壓強度、極限韌性與應變率有密切關系，為進一步探求應變率對PPF增強砂漿的增韌效果，建立如圖5所示的動態(tài)抗壓強度、極限韌性與應變率關系。

圖5 動態(tài)抗壓強度、極限韌性與應變率關系Fig.5 Relationship between dynamic compressive strength, ultimate toughness and strain rate

隨著應變率的增加，各組試件的動態(tài)抗壓強度和極限韌性均呈遞增趨勢，具有明顯的應變率效應，且可近似線性表示。由圖5a可發(fā)現，PPF增強砂漿的動態(tài)抗壓強度隨著纖維摻量的增加而增大，PPF體積摻量為1.25%時動態(tài)抗壓強度增長趨勢最快，且在高應變率載荷下動態(tài)抗壓強度最高，說明PPF體積摻量在1.25%時其應變率敏感性強于其他摻量的試件。但是當PPF摻量為1%的砂漿組擬合曲線在普通砂漿組下方，即動態(tài)抗壓強度有所降低。

由于砂漿體的各向異性，應力波經入射桿傳入試件后，在材料的慣性作用下，受力狀態(tài)已不是標準的一維應力，試件的側向應變受到限制，使試件近似處于圍壓狀態(tài)，而且應變率越高，限制作用越大，因此，動態(tài)抗壓強度和極限韌性具有明顯的應變率相關性。纖維通過握裹摩擦黏聚力和彎曲摩擦黏聚力在砂漿中起到橋接作用，改變裂紋傳播路徑，增加側向約束，但PPF與砂漿的偶聯(lián)會降低界面強度產生削弱減強作用，尤其在較低摻量時(1%)，出現動態(tài)抗壓強度和極限韌性低于普通砂漿的現象。當PPF摻量較低時(1.25%以下)，在低應變率下纖維與水泥砂漿結合薄弱處會產生大量微裂紋，降低纖維增韌阻裂效果[8]，導致動態(tài)抗壓強度較低。PPF增強砂漿效果受纖維在砂漿中的黏結效果和纖維數量影響，隨著PPF體積摻量增加，更多錨固在砂漿中的PPF會傳遞開裂應力，增強其與水泥砂漿的界面黏結，動態(tài)抗壓強度和極限韌性均隨之增加。但是，當PPF摻量過大時(1.5%或以上)，纖維在砂漿中會因分散不均產生薄弱層，隨著應變率的提高，其對砂漿開裂的約束作用逐漸減弱，表現為動態(tài)抗壓強度降低。綜合而言：適當體積摻量(1.25%)的PPF會明顯改善水泥砂漿的抗沖擊性能，可以起到更好的保護作用，適用于防護結構。

3 結 論

1)沖擊壓縮試驗中，PPF增強砂漿試件破碎塊度隨應變率增大而減小，有明顯的應變率效應，PPF有助于改善裂紋傳播路徑、延遲并抑制裂紋的形成和擴展，以軸向劈裂拉伸破壞和剪壓破壞為主。

2)動態(tài)抗壓強度和極限韌性均表現出隨水灰比和平均應變率的增加而增長，呈線性相關性。

3)摻入PPF可以改善砂漿內部薄弱區(qū)，1.5%PPF摻量的試件動態(tài)抗壓強度的應變率效應更強，且在高應變率作用下抵抗沖擊荷載的效果最好。