晶須復(fù)合纖維EGC 抗大變形性能研究

張建國，吳 陽，楊戰(zhàn)標(biāo)，3，丁漢林

（1.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山467000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州221116；3.中國平煤神馬集團(tuán)能源化工研究院，河南 平頂山467099）

深部資源開采與工程是未來發(fā)展趨勢。在深部地下工程“三高一擾動(dòng)”的工程環(huán)境中，通常伴隨著大變形的特點(diǎn)，對支護(hù)結(jié)構(gòu)提出了較高要求[1]。目前，在深部地下工程所使用的絕大部分支護(hù)結(jié)構(gòu)與材料，均能適應(yīng)大變形工況[2]。只有作為噴層材料的混凝土無法適應(yīng)。因此尋找能夠適應(yīng)大變形工況的材料替代普通混凝土，更能充分利用圍巖的自承能力并減少災(zāi)害發(fā)生。而隨著材料科學(xué)與工程技術(shù)的發(fā)展，一系列全新的混凝土材料被發(fā)現(xiàn)與運(yùn)用[3]。目前，使用粉煤灰普遍作為普通水泥的摻和料加入[4]。EGC（工程膠結(jié)地聚合物）材料能夠適應(yīng)較大應(yīng)變。此外EGC 材料也是1 種綠色環(huán)保材料，這引起了許多機(jī)構(gòu)對于EGC 研究的重視[5-6]。EGC 是1 種基于微觀機(jī)制設(shè)計(jì)產(chǎn)生的材料，最初由Victor C. Li 等[7]研制。EGC 材料普遍擁有5%以上的拉伸應(yīng)變能力，能夠表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特征[8-9]，即在進(jìn)入塑性后，亦能擁有較高的承載能力。此外，還具備一定自愈性能[10-11]。EGC 除了具有應(yīng)變硬化的特征外，極限延伸率也較高，故具有較高的吸能特性，也適用于具有沖擊特征的深部地下工程中。但在EGC 材料中，國外已有研究使用的PVA 纖維價(jià)格較高[12]，造成EGC的應(yīng)用范圍和程度受到限制。使用其他纖維或晶須替代PVA 纖維是1 種可行的方向[13-19]。在本研究中，為了適應(yīng)地下工程的特點(diǎn)，使用的材料除了水，均為粉末與固體材料；加入了CaSO4晶須替代EGC 中的部分PVA 纖維；結(jié)合鄆城煤礦回風(fēng)巷工況，模擬了不同支護(hù)材料時(shí)的收斂情況。

1 微觀作用機(jī)制與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料的微觀作用機(jī)理

纖維與基質(zhì)之間的作用存在2 個(gè)準(zhǔn)則：強(qiáng)度準(zhǔn)則與能量準(zhǔn)則。

1）強(qiáng)度準(zhǔn)則假設(shè)纖維的最大橋接能力為σ0，基質(zhì)產(chǎn)生新裂縫的開裂強(qiáng)度為σfc，要求基質(zhì)產(chǎn)生新裂縫的開裂強(qiáng)度σfc必須小于每個(gè)潛在裂縫面上的最大纖維橋接能力σ0。對于滿足此準(zhǔn)則的材料而言，當(dāng)受力發(fā)生變形時(shí)，材料表面將會產(chǎn)生大量寬度小于100 μm 的微裂隙。該準(zhǔn)則的標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式為：

2）能量準(zhǔn)則重點(diǎn)在于解決裂縫開展與纖維承受應(yīng)力時(shí)破壞的方式。在纖維滿足橋接條件的情況下，界面斷裂能的合適范圍應(yīng)該在1.5 J/m2左右[20]。此準(zhǔn)則提供了穩(wěn)態(tài)開裂判據(jù)?；趯Ψ€(wěn)態(tài)裂紋的韌性積分分析，即裂紋尖端韌性Jtip應(yīng)該小于由曲線計(jì)算出的裂紋擴(kuò)展所需能量Jb′，如式(2)和式(3)。

式中：σ0為最大纖維橋接能力；δ0為σ0對應(yīng)的裂縫寬度；σss為穩(wěn)態(tài)開裂應(yīng)力；δss為σss對應(yīng)的裂縫寬度；Jtip為裂紋尖端韌性；Jb′為纖維橋接余能。

1.2 原料選擇與配比比例

在試驗(yàn)中，使用原材料包括F 級粉煤灰、S140礦渣、無水Na2SiO3、水、CaSO4晶須以及PVA 纖維。其中，無水Na2SiO3模數(shù)為1.35～1.45。PVA 纖維為國產(chǎn)PVA 纖維，價(jià)格為50 元/kg，較普遍使用的日本油封纖維價(jià)格低60%。

1）CaSO4晶須力學(xué)參數(shù)。①長度：6 μm；②直徑：39 μm；③密度：1.30 g/cm3；④抗拉強(qiáng)度：1.5 GPa；⑤模量：37 GPa。

2）PVA 纖維力學(xué)參數(shù)。①長度：10～200 μm；②直徑：1～4 μm；③密度：2.69 g/cm3；④抗拉強(qiáng)度：20.5 GPa；⑤模量：170 GPa。

3）粉煤灰成分及性能參數(shù)。①密度：2.43 g/cm3；②比表面積：360.00 m2；③燒矢量：2.34 %；④CaO含量：4.012%；⑤SiO2含量：53.968%；⑥Al2O3含量：31.148%；⑦Fe2O3含量：4.160%；⑧TiO2含量：1.133%；⑨K2O 含量：2.035%；⑩MgO 含量：1.011%。

4）礦渣成分及性能參數(shù)。①密度：3.20 g/cm3；②比表面積：810.00 m2；③燒矢量：0.80 %；④28 d 活性指數(shù)：141.00%；⑤流動(dòng)度比：113.00%；⑥含水量：0.30 %；⑦Cl－含量：0.03%；⑧玻璃體含量：94.00 %。

已有研究表明[21]，相同材料下適宜的纖維摻量為2.0%。為了降低成本，使用1.5%體積的晶須替代部分纖維，使纖維摻量降至1.5%。分別設(shè)計(jì)F-1.5-0 組及F-1.5-1.50 組，以對比在降低纖維摻量的情況下材料性能的變化，EGC 混合比例見表1。

表1 EGC 混合比例Table 1 The mixing ratio of EGCs

表1 中，纖維與晶須為其各自體積與材料總體積之比，其余組分為各組分質(zhì)量與膠凝材料總質(zhì)量之比。

1.3 試件尺寸與測試

單軸抗壓試件尺寸為50 mm×50 mm×50 mm；四點(diǎn)彎曲尺寸為75 mm×10 mm×200 mm。當(dāng)養(yǎng)護(hù)完成后，使用YNS2000 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行壓縮與四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。測試系統(tǒng)與試件測試如圖1。

壓縮試件的破壞形式為延性破壞，并未出現(xiàn)碎渣飛濺的情況。四點(diǎn)彎曲試件均能表現(xiàn)出多微裂縫發(fā)展與較大的應(yīng)變能力。

加入晶須后試件的彎曲性能如圖2，加入適量CaSO4晶須后，材料彎曲性能明顯提升，離散程度明顯降低。通過試驗(yàn)，能夠得到材料的壓縮以及拉伸特性，EGC 材料本構(gòu)如圖3。

圖1 測試系統(tǒng)與測試過程Fig.1 Test system and test process

圖2 加入晶須后試件的彎曲性能Fig.2 Bending properties of specimens after adding whiskers

圖3 EGC 材料本構(gòu)Fig.3 The constitutive model of EGC material

2 模型模擬

1）工程背景。以鄆城煤礦回風(fēng)巷作為工程背景?；仫L(fēng)巷設(shè)計(jì)掘進(jìn)尺寸寬×高=5.1 m×4.35 m。巷道掘進(jìn)初期圍巖完整，后圍巖經(jīng)風(fēng)化崩解發(fā)生頂板開裂，造成片幫、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

2）模型建立。地應(yīng)力測量結(jié)果表明，該巷道所處位置水平主應(yīng)力為33.4 MPa，與巷道走向夾角50°，豎直方向應(yīng)力20 MPa。使用COMSOLMultiphysics 建立了巷道的模擬模型。對模型施加橫向應(yīng)力25 MPa，豎向應(yīng)力20 MPa。圍巖使用D-P 準(zhǔn)則，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，對巷道周圍不同深度圍巖的黏聚力進(jìn)行不同賦值，深部圍巖黏聚力變化見表2。

表2 深部圍巖黏聚力變化Table 2 Table of changes in cohesion of deep surrounding rock

3 結(jié)果與討論

1）建立的模型在原條件下的收斂情況如圖4。其中，底鼓值為82 mm，與現(xiàn)場實(shí)測值80 mm 相近；兩幫收斂值為51 mm，略小于現(xiàn)場實(shí)測值58 mm；頂板下沉值為47 mm，與現(xiàn)場實(shí)測值3 mm 差別較大。頂板下沉的模擬值與現(xiàn)場實(shí)測差別與現(xiàn)場測點(diǎn)的分布以及地層間不均勻性有關(guān)。底鼓以及兩幫收斂與實(shí)測值均相近的情況下，可以認(rèn)為模型中材料參數(shù)的選擇符合工程情況。

圖4 使用普通混凝土?xí)r收斂云圖Fig.4 Convergent cloud map when using ordinary concrete

2）在這種情況下，所得到的平均應(yīng)變最大值分別為3.4%與3.7%，分別出現(xiàn)在直墻底與拱頂處。這表明在直墻底與拱頂處的噴層混凝土，極易由于無法滿足巷道應(yīng)變要求而發(fā)生碎裂，導(dǎo)致圍巖暴露風(fēng)化，從而易發(fā)生片幫與冒頂事故。

3）針對這種情況，模擬了3 種面層支護(hù)條件下，巷道內(nèi)表面的收斂值。分別為：U 型鋼與普通混凝土、ECC 混凝土支護(hù)以及EGC 材料支護(hù)。其中，U 型鋼使用29U 型鋼，排距1 m。不同支護(hù)作用時(shí)巷道收斂對比結(jié)果如圖5。

圖5 不同支護(hù)作用時(shí)巷道收斂對比Fig.5 Comparison of roadway convergence in different support actions

模擬結(jié)果表明，在使用U 型鋼與普通混凝土、ECC 混凝土支護(hù)以及EGC 材料支護(hù)，3 種支護(hù)情況下，巷道收斂值均明顯降低。在使用U 型鋼與普通混凝土支護(hù)時(shí)，在U 型鋼支護(hù)處，巷道收斂值較小。但是在U 型鋼支護(hù)附近收斂值明顯上升，在0.1 m外變平緩。這表明在U 型鋼附近，面層應(yīng)變較大，這將導(dǎo)致U 型鋼附近的混凝土易發(fā)生碎裂破壞。此外，即使使用了U 型鋼與普通混凝土支護(hù)，巷道內(nèi)表面應(yīng)變下降并不明顯，普通混凝土在直墻底與拱頂依然易發(fā)生破壞。

4）雖然使用EGC 材料作為面層支護(hù)材料時(shí)，巷道內(nèi)表面收斂值的下降并不明顯，但是所配置EGC材料擁有5.06%的拉伸應(yīng)變能力，以及4.00%以上的壓縮應(yīng)變能力。這使得EGC 材料完全能夠適應(yīng)該工況而不發(fā)生破壞。并且，EGC 材料在進(jìn)入塑性強(qiáng)化階段時(shí)，所產(chǎn)生的裂紋小于100 um 使得面層支護(hù)對圍巖的封閉性明顯提高，可以有效降低圍巖的風(fēng)化作用，減少因圍巖風(fēng)化所導(dǎo)致的片幫、冒頂?shù)仁鹿省４送?，使用EGC 材料作為面層支護(hù)時(shí)，材料進(jìn)入塑性強(qiáng)化段后能夠完全適應(yīng)較大應(yīng)變，減少了因?yàn)閲妼踊炷翐p壞所導(dǎo)致的返修，可以增加巷道支護(hù)的耐久性、降低維護(hù)成本。

4 結(jié) 論

對使用CaSO4晶須替代部分纖維的EGC 材料進(jìn)行力學(xué)性能測試，得到了改性后EGC 材料本構(gòu)，代入到基于現(xiàn)場工況與監(jiān)測數(shù)據(jù)所建立的數(shù)值模型中，分析了使用EGC 材料作為噴層支護(hù)時(shí)的特性。

1）EGC 拉伸應(yīng)變能力較普通混凝土更高，能量吸收能力更強(qiáng)。

2）直墻底與拱頂應(yīng)變較大，該處噴層混凝土更易發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致片幫、冒頂?shù)仁鹿省?/p>

3）U 型鋼與普通混凝土支護(hù)對收斂控制效果不明顯，此外U 型鋼附近混凝土也易破壞。

4）EGC 材料能夠適應(yīng)大變形工況，使用EGC 材料能夠起到保護(hù)圍巖、提高支護(hù)的耐久性并降低維護(hù)成本等作用。