膠結(jié)充填體與圍巖復(fù)合體的力學(xué)特性

王 明 旭

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430081; 2.惠州市國土資源局，廣東 惠州 516003)

礦山使用的膠結(jié)充填體一般以尾砂為骨料，普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，也有各種新膠凝材料的研究成果[1]，其力學(xué)變形特性[2-3]差異較大。水泥的使用能夠提高膠結(jié)充填體的強度，減少其膠凝時間[4]，同時不同的固化溫度和時間對其強度影響不一樣[5]。為保證充填采礦法連續(xù)采礦的安全和高效，有必要對處于早期強度充填體與圍巖之間相互作用，特別是接觸面及接觸帶的相關(guān)力學(xué)變形破壞特征進行研究。對于接觸面問題，目前研究較多的是土工合成界面的剪切相互作用機制[6]、土與混凝土或金屬接觸面問題，如砂土-結(jié)構(gòu)接觸界面[7-8]、鋼-土接觸面[9]、膨脹土-樁接觸面[10]、碎石土與混凝土接觸面[11]、紅黏土與混凝土結(jié)構(gòu)接觸面[12]、黃土-泥巖接觸面[13]、筑壩料接觸面[14]、巖層之間的不整合面[15]，包括采用ANSYS有限元軟件[16-17]、RFPA2D模擬軟件[18]等進行的接觸面數(shù)值模擬試驗。

充填體早期強度的線彈性變形階段與圍巖之間的相互作用，相關(guān)研究文獻較少，對于接觸面的表征手段也更少。為了更好研究處于早期強度充填體與圍巖之間的相互作用，代仁平[19]、辛明亮[20]、洪曉斌[21]等提出引入PVC塑料薄片的方式進行監(jiān)測，這種監(jiān)測方式在隧道圍巖裝藥結(jié)構(gòu)的保護、管道安全評估和損傷的被測定與定位中應(yīng)用較廣。楊愛明等[22]研究了PVC塑料片材是否摻CaCO3所引起的增塑劑含量對其裂紋形成的影響。張淑佳等[23]通過研究發(fā)現(xiàn):PVC塑料裂紋擴展是從細小的空洞逐漸發(fā)展成為次級裂紋，達到一定損傷積累后，微裂紋與主裂紋貫通導(dǎo)致主裂紋擴展。上述研究成果表明:利用PVC塑料加載之后的裂紋擴展監(jiān)測圍巖和充填體接觸面的相互作用情況是可行的。而對于接觸帶處的圍巖和充填體，利用單因素分析其微觀幾何定量參數(shù)與物理力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系不理想[24]，需要進行多種表征手段的監(jiān)測分析?；诖?，筆者除了對早期強度的充填體與圍巖接觸面進行裂紋擴展損傷表征外，還引入了PVC塑料薄片監(jiān)測接觸面的力學(xué)特性，通過不同倍數(shù)電子顯微成像設(shè)備、光學(xué)顯微光譜變化、截面電鏡掃描等進行接觸面的裂紋擴展損傷破壞表征。在具體試驗中，通過100倍/1 000倍的電子顯微成像設(shè)備、高倍光學(xué)顯微鏡、電鏡掃描進行觀察。提出并實施的全精煉的工業(yè)石蠟?zāi)M充填體早期強度，引入PVC塑料薄片，借助多種表征手段對加載破壞前后的PVC塑料薄片進行監(jiān)測表征，理清早期強度充填體與圍巖之間的相互作用。

1 試驗準備

1.1 相似原理

為了試驗的需要，現(xiàn)場取樣巖石只能切割成標準件，不能隨意按照試驗需要進行形狀的切割(經(jīng)過實驗室的切割機嘗試形狀切割，無法達到試驗需要的形狀要求)，于是選擇采用相似原理，通過實驗室配比試驗?zāi)M圍巖，便于實驗室澆筑試驗?zāi)Ｐ停_展圍巖與膠結(jié)充填體相互作用的力學(xué)試驗。

為了模擬早期強度膠結(jié)充填體與圍巖的相互作用，運用相似原理開展相關(guān)材料的選擇及配比試驗。根據(jù)物理幾何相似原理，物理力學(xué)模型試驗應(yīng)滿足的相似判據(jù)如下:

(1)

其中，Cσ為應(yīng)力相似常數(shù);Cl為幾何相似常數(shù);Cγ為容重相似常數(shù)。取充填現(xiàn)場充填體與頂板圍巖接觸帶區(qū)域為參照，幾何相似縮放同等比例，則相似模擬配比試樣較圍巖的應(yīng)力和容重比要相等。通過大量的相似配比試樣，最后確定圍巖采用水泥河砂為1∶4的配比試樣，其最大抗壓強度為12.865 MPa，容重為26.49 kN/m3，全精煉的工業(yè)石蠟熔化后澆筑的試驗，其最大抗壓強度為0.724 MPa，容重為0.927 kN/m3，而充填現(xiàn)場圍巖最大抗壓強度為20.016～118.5 MPa，容重為41.2 kN/m3，現(xiàn)場膠結(jié)充填體后期的最大抗壓強度為1.560～4.615 MPa，容重為2.018 kN/m3。考慮膠結(jié)充填體早期強度在0.8 MPa以內(nèi)(圖1(a))，而膠結(jié)充填體28 d的強度最大能夠達到4 MPa左右，即充填體的早期強度大概是充填體后期強度的1/5，各相應(yīng)比值近似為1，滿足相原理。

水泥尾砂配比的膠結(jié)充填體試樣，具有隨灰砂比增大，其強度逐漸增大的趨勢，但灰砂比并不是影響其強度的主要因素。在砂漿濃度控制在68%的情況下，試樣內(nèi)部的搗實程度不一，對其影響較大。膠結(jié)充填體配比試樣1 d的強度較低，脫模較困難，其中1～9 d的強度由0.1 MPa變化到0.8 MPa。而27～36 d的強度可以達到4.231～4.615 MPa(圖1(b)和(c))。膠結(jié)充填體在早期時的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)較明顯的規(guī)律性應(yīng)力回彈現(xiàn)象，此時的膠結(jié)充填體在較小荷載作用情況下，受到荷載擠壓時其局部發(fā)生變形破壞產(chǎn)生臨時卸壓，未破壞區(qū)域具備較大的彈性應(yīng)變能，能夠重新恢復(fù)到一定的彈性狀態(tài)。處于早期強度的膠結(jié)充填體在荷載作用下，應(yīng)力變化主要存在2種情況：一是比較普遍的線性變化規(guī)律，二是快速上升到一定階段之后再呈現(xiàn)線性變化規(guī)律。而當膠結(jié)充填體處于后期強度時，其應(yīng)力應(yīng)變曲線變化較為平滑，在較小荷載作用下，隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力變化較為平緩，待應(yīng)變達到0.002 5左右時，應(yīng)力開始快速增大，直到將要破壞時趨于平緩。

1.2 試樣制備

本次試驗基于相似原理制作了圓柱體復(fù)合試樣，試樣尺寸為:直徑(D)=50 mm，高度(H)=100 mm。試樣按2∶1∶2的幾何比例垂直分為上、中、下3部分，其中上部模擬圍巖(由配比水泥河砂膠結(jié)而成)，中部模擬早強充填體(由石蠟澆筑而成)，下部模擬未采動圍巖(由配比水泥河砂膠結(jié)而成)。

圍巖與早強充填體的相互作用規(guī)律研究，從試驗方案的選擇、材料的模擬及表征手段都是一個難點。為此，選擇了全精煉的工業(yè)石蠟?zāi)M充填體，在試驗過程中為了更好模擬圍巖與早強充填體接觸區(qū)域的非均勻受力情況，在石蠟中添加玻璃球，即將顆粒狀的工業(yè)石蠟加熱熔化后倒入排布好(將玻璃珠沿最外沿均勻布置，然后在中間布置一顆玻璃珠)的含有玻璃球的標準模具的指定刻度線處，待石蠟冷卻固化后，組成的玻璃球石蠟復(fù)合體(圖2)作為接觸帶材料的模擬。

圖2 玻璃球+石蠟復(fù)合體Fig.2 Glass ball+paraffin complex

考慮接觸帶區(qū)域需要進行應(yīng)變值監(jiān)測、充填體與圍巖接觸面損傷破壞表征、充填體與圍巖的非均勻受壓，分別構(gòu)建相應(yīng)的模型，總共設(shè)計3種試驗方案。第1種方案是模擬充填體的石蠟圓柱餅，石蠟圓柱餅的下表面與圍巖接觸面處用AB型環(huán)氧樹脂緊密粘貼，上表面與圍巖自由緊密接觸。在充填體與圍巖接觸帶附近設(shè)置應(yīng)變值監(jiān)測點。第2種方案是在第1種方案基礎(chǔ)上，在石蠟圓柱餅上表面與圍巖接觸面之間放置PVC塑料薄片，用以表征加載情況下的圍巖和充填體相互作用。第3種方案是在第2種方案基礎(chǔ)上，把其中的石蠟圓柱餅換成石蠟+玻璃球的圓柱餅，用以模擬在荷載作用下，接觸面不均勻受力情況下的相互作用，一樣在接觸面之間通過PVC塑料薄片表征損傷破壞情況。實際當中，圍巖存在一定的初始應(yīng)力，考慮試驗條件的限制，試驗中作了弱化處理。

1.3 試樣加載條件

將上述試樣養(yǎng)護28 d后，在WAW-300微機控制電液伺服系統(tǒng)上進行軸向加載，先是進行位移加載，位移控制速度為0.01 mm/s，待荷載達到0.5 kN后，轉(zhuǎn)為試驗力控制，控制速度為0.001 kN/s。

為了比較的方便，將3組試樣中的接觸面劃分4個區(qū)域，分別標號1,2,3,4(圖3)，在試驗開始前，進行顯微成像，待破壞后再進行顯微成像，以便進行兩者之間的比較。

圖3 試樣及其加載Fig.3 Specimen under different loading

PVC塑料薄片監(jiān)測早強充填體與圍巖的相互作用，由于充填體處于彈性階段，接觸面變形并沒有形成斷裂和宏觀上的孔洞。為了進一步驗證PVC塑料薄片在高壓加載下的破壞情況，通過在上下型圍巖和上中下型圍巖接觸面布置PVC塑料薄片，借助聲發(fā)射儀，將復(fù)合體加載至破壞，觀察PVC塑料薄片的裂紋擴展及損傷破壞情況。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力應(yīng)變曲線

在上下部分為圍巖，中間為充填體(石蠟?zāi)M)的復(fù)合體試樣中，比較放置PVC塑料薄片和未放置PVC塑料薄片2種情況下復(fù)合體的應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖4(a))。從圖4(a)可以看出，PVC塑料薄片的加入并沒有呈現(xiàn)強度改變的規(guī)律性變化，說明PVC塑料薄片并不具備改變復(fù)合體試樣力學(xué)變形特性的作用。通過比較中間石蠟?zāi)M和玻璃珠石蠟?zāi)M情況下的復(fù)合體應(yīng)力應(yīng)變曲線，玻璃珠的加入大大降低了復(fù)合體的強度，使復(fù)合體的強度從1.4～1.8 MPa降低到只有0.30～0.45 MPa(圖4(b))，縮小近3/4。

圖4 圓柱體應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of cylinder

通過軸向加載，對各復(fù)合體試樣配置引伸計進行應(yīng)力應(yīng)變曲線的獲得。復(fù)合體先是隨荷載的加大，應(yīng)變不斷增大。而在石蠟中摻入玻璃球之后，在加載過程中，接觸帶區(qū)域首先通過玻璃球受力，相比未加玻璃球的石蠟，在較小應(yīng)變情況下，其應(yīng)力值增加迅速，達到一定應(yīng)力之后，較早進入屈服破壞階段。待其應(yīng)變達到一定程度，有多處應(yīng)力回彈階段(圖4(b)中標示橢圓圈處)。這是因為膠結(jié)充填體與圍巖在荷載作用下，由于圍巖與充填體的強度差別較大，主要是充填體發(fā)生破壞。而模擬充填體的玻璃珠石蠟在荷載作用下，如果破壞發(fā)生在充填體靠近臨空面處，此時充填體受拉破壞，局部受拉破壞不會引起整個充填體的完全破壞，受拉破壞區(qū)還將不斷積累，在不斷產(chǎn)生受拉破壞的積累過程中，形成局部破壞時的泄壓而使充填體出現(xiàn)應(yīng)力回彈現(xiàn)象。在充填體中加入玻璃珠，雙介質(zhì)體的充填體在荷載作用下，由于充填體區(qū)域非均勻受力，充填體不同區(qū)域發(fā)生破壞情況不同，當局部出現(xiàn)較大破壞時，玻璃珠具備較強的承載能力，出現(xiàn)的應(yīng)力回彈現(xiàn)象將繼續(xù)隨應(yīng)變變化而應(yīng)力逐漸增大。

2.2 裂紋擴展

模擬圍巖的配比試樣和石蠟組成的圓柱復(fù)合體，中間層的石蠟圓柱餅在加載情況下會出現(xiàn)裂紋擴展，直至破壞。置于配比試樣和石蠟接觸面的PVC塑料薄片隨之也發(fā)生相應(yīng)的變化。不同的加載方式，不同強度的試樣復(fù)合體在加載破壞后PVC塑料薄片的破壞情況不一，有直接的表壁裂紋，也有肉眼不可見的刻痕和壓槽的出現(xiàn)。

2.2.1 石蠟表壁

未加載前，石蠟表壁平整光滑(圖5(a))，加載破壞后，石蠟圓柱餅呈周邊塊狀破壞(圖5(b))。為了更好研究石蠟表壁破壞前后的微觀裂紋演化情況，通過100倍電子顯微成像設(shè)備(型號:No.7751W clip-type Microscope)對模擬接觸帶的石蠟圓餅進行加載破壞前后的顯微成像比較。通過前后對比，4個區(qū)域出現(xiàn)2種程度的損傷破壞情況。第1種是裂紋的擴展，第2種是較大的損傷破壞的產(chǎn)生(圖5(b)和(c))。

圖5 加載前后石蠟表壁變化Fig.5 Changes of paraffin surface before and after loading

在加載時，如果能夠控制加載速度，特別是加載破壞時的及時卸載，能夠使石蠟圓柱餅保持一定的完整性。從圖5可以看出，石蠟圓柱餅4個區(qū)域分別出現(xiàn)了裂紋，區(qū)域1出現(xiàn)螺旋式損傷破壞，區(qū)域2出現(xiàn)了類平行式損傷破壞，區(qū)域3和區(qū)域4出現(xiàn)了交叉損傷破壞。

2.2.2 PVC塑料薄片表壁

將PVC塑料薄片放置配比試樣與石蠟接觸面之間。因為PVC塑料薄片的平整性，加壓前進行細觀掃描，加載試驗之后再進行細觀掃描，觀察不同加載情況下的PVC塑料薄片的表壁形貌變化。未加載之前，PVC塑料薄片表壁的顯微成像光滑平整(圖6(a))。加載破壞之后，PVC塑料薄片表壁存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，多處出現(xiàn)石蠟擠壓緊貼現(xiàn)象，表壁刻痕增多。而在玻璃球加石蠟的接觸帶非均勻受力作用下，PVC塑料薄片表壁出現(xiàn)的石蠟粘貼現(xiàn)象更明顯，且刻痕相較均勻受力的石蠟接觸帶要多。用以標記成像參照點的黑色墨跡的數(shù)字標記(圖6(c))由于摩擦擠壓作用而已經(jīng)面目全非，且表壁較為模糊。

圖6 PVC塑料薄片加載Fig.6 PVC plastic sheet under different loading

從礦山現(xiàn)場選取不同水平的圍巖制成D=50 mm，H=50 mm試件后，將PVC塑料薄片放置在兩個試件之間，用AB環(huán)氧樹脂緊密粘貼并進行加載破壞試驗。由于圍巖中存在微小節(jié)理裂隙等原因，導(dǎo)致傳遞至圍巖接觸面的載荷情況不一，PVC塑料薄片出現(xiàn)了明顯的收縮折痕和損傷破壞現(xiàn)象(圖7)。

圖7 PVC塑料薄片加載破壞Fig.7 PVC plastic sheet failure under different loading

從試驗情況來看，出現(xiàn)這些折痕和破壞的地方也是圍巖接觸面的圍巖發(fā)生內(nèi)部錯動和產(chǎn)生較大破壞的區(qū)域，特別是破壞沿著節(jié)理裂隙面展開，從而也有力證明了PVC塑料薄片表征接觸面損傷破壞情況的合理性。

將D=50 mm，H=50 mm的兩個圓柱體花崗巖在鉆孔切割打磨后，再用小型角磨機對接觸面進行細微打磨平整，將相同大小(D=50 mm)的PVC塑料薄片通過微機控制電液伺服萬能試驗機加載至不同荷載時停止，再通過1 000倍電子顯微成像設(shè)備觀察，各顯微成像差異性較大(圖8)。從圖8可以看出，在不同載荷作用下，PVC塑料薄片的表壁微觀顯微結(jié)構(gòu)存在差異，隨著荷載的加大，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生壓密或拉伸，顏色形態(tài)從未加載時的透明狀變化到加載較大荷載時的顏色加深，且表壁逐漸毛糙。

圖8 PVC塑料薄片表壁不同荷載作用下的電子顯微成像微觀圖Fig.8 Microscopic view of PVC plastic sheet under different loading

為了更好弄清PVC塑料薄片在加載過程中的內(nèi)部刻痕情況，將加載后的塑料薄片在高倍光學(xué)顯微鏡下進行顯微成像觀察(圖9(a))。從圖9(a)可以看出，PVC塑料薄片內(nèi)部各處因為加載情況的不同，內(nèi)部疏密程度不同，所引起的光的折射與反射情況不一，呈現(xiàn)出不同的光斑。不同受力情況下，各條狀光斑顏色呈現(xiàn)較大差異。

PVC塑料薄片加載后，橫斷面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生了較大變化。從JSM-6610型電鏡掃描圖像來看，PVC塑料薄片未加載時，截面上下表壁較為平整。

圖9 PVC塑料加載后微觀圖Fig.9 Mircograph of PVC plastic loaded

加載后，PVC塑料薄片截面各處窄寬不一，其受壓區(qū)壓密變形，受拉區(qū)拱起。隨著荷載作用的加大，特別是荷載達到45 kN后，內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的微小孔洞。當荷載加到60 kN時，內(nèi)部出現(xiàn)分層現(xiàn)象。待載荷加到70 kN時，截面出現(xiàn)多處大小孔洞，大的尺寸達到60 μm×40 μm(圖9(b))。

2.3 接觸帶區(qū)域應(yīng)變變化

除了對接觸面進行細觀損傷觀察外，在石蠟接觸帶附近進行了不斷加載作用下的應(yīng)變值監(jiān)測，分別設(shè)置3個監(jiān)測點(圖10(b))。

圖10 加載過程中各監(jiān)測點處的應(yīng)變變化Fig.10 Strain variation at each monitoring point under different loading

通過圖10(a)中3個監(jiān)測點處的應(yīng)變值變化情況來看，在加載前期，3個監(jiān)測點的應(yīng)變值都在不斷增加，石蠟上部的CH3號監(jiān)測點應(yīng)變值在短期內(nèi)增長較快，之后處于較平穩(wěn)的動態(tài)平衡階段，最后受到石蠟充填體破壞的影響，應(yīng)變值變化趨于零;而CH4號和CH5號監(jiān)測點的應(yīng)變值在加載前期處于穩(wěn)定的線性增長階段，待應(yīng)變值增長到一定程度，CH5號監(jiān)測點應(yīng)變值出現(xiàn)較快速的增長，并保持增大趨勢，而中部CH4號監(jiān)測點應(yīng)變值急速增長，最后因石蠟充填體破壞，應(yīng)變值突降。圖10(c)中3個監(jiān)測點在加載前期增長規(guī)律一樣，在玻璃球+石蠟的圓柱餅充填體存在作用下，CH4號監(jiān)測點的應(yīng)變值不穩(wěn)定，出現(xiàn)了拉壓應(yīng)變的往復(fù)現(xiàn)象。

2.4 聲發(fā)射變化規(guī)律

DS2系列全信息聲發(fā)射信號分析儀可提供到達時刻、幅度、持續(xù)時間、上升時間、振鈴計數(shù)、上升計數(shù)、能量、RMS值、ASL值及峰值頻率等完整的聲發(fā)射信號參數(shù)，通過相關(guān)測量，定位復(fù)合體試樣內(nèi)部AE點分布及加載過程中的振鈴計數(shù)和振鈴計數(shù)累加值隨加載時間的變化情況。在圍巖的加載過程中，礦山研究水平的充填體現(xiàn)場圍巖夾石含量較豐富(平均含量達到20.33%，加載圍巖夾石主要為硬石膏，也有石英長石斑巖、閃長玢巖、花崗巖、花崗斑巖、矽卡巖、大理巖、角巖等)，相應(yīng)弱化了圍巖的抗壓強度。圍巖試件的試驗力隨著位移的增長，在加載前期變化緩慢，當位移達到0.35 mm左右時，試驗力-位移曲線斜率快速增大并趨于動態(tài)恒定，直到試件發(fā)生破壞。從AE點的分布來看，其主要發(fā)生在試件的表壁夾石分布處(圖11)。

圖11 試樣的試驗力-位移曲線Fig.11 Test force-displacement curve of specimen

從圖12(a)可以看出，10 mm厚度的石蠟充填體模擬層，因為充填體的強度遠小于圍巖，致使應(yīng)力集中造成的破壞主要發(fā)生在充填層。在應(yīng)力集中過程中，因為充填體的應(yīng)力轉(zhuǎn)移和吸收，導(dǎo)致應(yīng)力不會產(chǎn)生較大集中，相應(yīng)的AE振鈴計數(shù)變化沒有出現(xiàn)集中的突變現(xiàn)象。在圖12(b)中，當充填體厚度增大一倍，提高到20 mm時，在加載過程中，在復(fù)合體將要破壞時，AE振鈴計數(shù)發(fā)生了集中的突變，其值達到826。說明充填層高度的增加，提高了充填體層的儲能能力和抵抗應(yīng)力變形的能力，復(fù)合體產(chǎn)生了破壞前的應(yīng)力集中，相應(yīng)產(chǎn)生的振鈴計數(shù)發(fā)生突變。

圖12 圍巖的振鈴計數(shù)-振鈴計數(shù)累加值-應(yīng)力-時間曲線Fig.12 Ringing count-the ringing count cumulative value-the stress-time curves of the surrounding rock

3 結(jié) 論

(1)通過石蠟?zāi)M充填體早期強度，進行圍巖與充填體之間的相互作用試驗研究，較好的達到了試驗效果，為圍巖和早強充填體相互作用的研究提供了一種新的研究手段。

(2)引入PVC塑料薄片監(jiān)測接觸面的應(yīng)力集中及變形情況，通過其損傷破壞建立不同荷載作用下的對應(yīng)關(guān)系，具備一定的可行性。

(3)通過實驗室試驗，在不斷加載過程中，接觸帶裂紋萌生、擴展至最后破壞，存在3種不同情況的損傷特征:① 螺旋式損傷破壞，② 類平行式損傷破壞，③ 交叉損傷破壞。加載過程中，接觸帶的石蠟應(yīng)力值增加較快，對接觸帶上部的圍巖應(yīng)力影響明顯。通過聲發(fā)射儀監(jiān)測顯示，復(fù)合體試樣內(nèi)部破壞首先發(fā)生在存在節(jié)理或夾石處，進而導(dǎo)致充填體接觸面發(fā)生非均勻受力而產(chǎn)生相應(yīng)的變形破壞，造成PVC塑料薄片加載前后的微觀成像和電鏡掃描圖像存在較大差異。