改性高水材料充填支柱尺寸效應(yīng)及破壞特征分析

王 ,熊祖強,2,蘇承東,2

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003；2.煤炭安全生產(chǎn)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454003)

0 引 言

充填支柱作為一種新型的支護方式，工藝簡單、支護強度高、易于采煤機直接切割，能有效控制巷道頂板穩(wěn)定，可代替木垛、單體支柱等用于井下臨時或永久支護，是綜采工作面過空巷、回采煤柱經(jīng)濟可行的支護技術(shù)[1]。充填支柱一般可分為混凝土充填支柱和高水材料充填支柱。迄今為止，高水材料充填支柱使用最廣泛[2-3]。國內(nèi)外學(xué)者從材料和承載性能等方面對高水材料充填支柱進行了大量研究。張印等[4]研究了不同水灰比對高水材料力學(xué)特性的影響；文獻[5-6]通過聚丙烯纖維改性高水材料力學(xué)性能的試驗研究發(fā)現(xiàn)，纖維改性的高水材料具有較好的承載連續(xù)性；文獻[7-8]通過高水材料充填支柱單軸壓縮試驗，從峰值載荷、支柱剛度和殘余載荷等方面分析了充填支柱承載性能，上述研究完善了高水材料充填支柱的基礎(chǔ)力學(xué)特性體系。然而在實際工程應(yīng)用中，高水材料充填支柱需要根據(jù)不同巷道斷面的支護需求設(shè)計不同高徑比，但目前鮮有對于高水材料充填支柱尺寸效應(yīng)研究的力學(xué)試驗，缺乏對不同高徑比充填支柱承載性能的分析以及關(guān)于纖維改性后相關(guān)力學(xué)特性的對比研究。

鑒于此，通過對比不同高徑比改性高水材料充填支柱試樣及未改性材料試樣的單軸壓縮對照試驗結(jié)果，分析其尺寸效應(yīng)；通過對比2組試樣的破壞過程和破壞后的形貌，分析其破壞特征，最后通過掃描電鏡(SEM)對2組試樣微觀結(jié)構(gòu)的分析，進一步討論試驗結(jié)果，以期能為實際工程應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗材料及方案

高水材料由A和B兩種無機粉體組分構(gòu)成，主要表現(xiàn)為快凝、早強、高滲透性、結(jié)石率高、凝結(jié)時間和強度可調(diào)等特性。聚丙烯纖維具有良好的阻裂效果，常作為水泥等材料的阻裂添加劑。試驗中高水材料充填支柱中添加長度為10 mm，摻量為質(zhì)量分數(shù)0.2%聚丙烯纖維的試樣，稱為試驗組；未添加聚丙烯纖維的支柱試樣，稱為對照組。

兩組高水材料充填支柱試樣的水灰比(質(zhì)量比)均為1.2∶1。澆筑試樣時，首先將A和B兩種無機粉體按配比稱量，然后分別加水?dāng)嚢?，最后混合攪拌均勻后澆筑?00 mm×300 mm×300 mm的試模中，1 h后脫模并將其置于溫度為20 ℃、相對濕度大于95%的標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護7 d。采用密集鉆孔取芯，按照直徑50 mm，高徑比為1∶1～5∶1鉆取圓柱試樣，兩端平行度±0.02 mm，垂直度±0.25°，滿足規(guī)程[9]要求，每種尺寸3個試樣，部分試樣如圖1所示。

圖1 部分試樣

2組試樣制備完成后，選用RMT150-B電液伺服加載試驗系統(tǒng)開展單軸壓縮試驗。試驗采用位移控制的方式，軸向加載速率為0.005 mm/s，垂直方向選用量程100 kN的力傳感器；垂直方向用量程5 mm位移傳感器測量試樣的軸向變形，水平方向用2個量程2.5 mm位移傳感器測量試樣的橫向變形。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試驗結(jié)果

表1為2組不同高徑比試樣的單軸抗壓強度及變形參數(shù)測定結(jié)果，H/D為高徑比；RC為單軸抗壓強度；MPa;εC為軸向應(yīng)變峰值，%；EC為彈性模量，GPa；μ為泊松比。

表1 單軸壓縮試驗結(jié)果

續(xù)表

由表1可知，隨著試樣高徑比增大，支柱試樣的單軸抗壓強度及軸向峰值應(yīng)變逐漸降低，彈性模量逐漸增大。由于試樣的泊松比與高徑比的關(guān)系不明確，因此不用來表征高水材料充填支柱的力學(xué)特性。

將上述試驗結(jié)果整理，對每組高徑比試樣相同參數(shù)結(jié)果取平均值，從單軸抗壓強度，軸向應(yīng)變及彈性模量3方面分析改性高水材料充填支柱的尺寸效應(yīng)和承載性能。

2.2 強度特征

高水材料充填支柱2組試樣的單軸抗壓強度隨高徑比增大的變化特征如圖2所示。

由圖2可得，兩組高水材料充填支柱試樣單軸抗壓強度隨著高徑比增大逐漸降低，兩者之間可以材料對數(shù)函數(shù)來表征。高水材料充填支柱試樣的內(nèi)部缺陷結(jié)構(gòu)會隨著高水材料充填支柱試樣高徑比增大相對增多，從而導(dǎo)致支柱的峰值強度降低。隨著高徑比從1∶1～5∶1，RU從14.69 MPa降低至13.20 MPa，RX從16.32 MPa降低至14.56 MPa，2組試樣高徑比-強度特征曲線呈現(xiàn)相同的變化趨勢。改性后高水材料充填支柱強度均大于未改性材料，但相同高徑比試樣的強度差異不大，即同高徑比改性試樣的峰值強度RX高于RU約10.78%。

RX、RU—試驗組、對照組試樣單軸抗壓強度；R2—決定系數(shù)

2組試樣的函數(shù)擬合度較高，均符合對數(shù)函數(shù)特征。隨著高徑比增大，單軸抗壓強度的降低趨勢漸平緩，2組試樣高徑比在大于4∶1后，高徑比-強度特征曲線變緩較為明顯。

2.3 變形特征

高水材料充填支柱試樣的變形特征也隨著高徑比增大呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。試樣的軸向應(yīng)變峰值隨高徑比增大變化特征曲線如圖3所示。

由圖3可得，高水材料充填支柱軸向應(yīng)變峰值隨著高徑比增大逐漸降低，兩者之間采用對數(shù)函數(shù)來表征。高水材料充填支柱軸向峰值應(yīng)變隨著高徑比增大而逐漸降低，改性后高水材料充填支柱應(yīng)變特征呈現(xiàn)相同的變化趨勢。隨著高徑比增大，εU從0.625%降低至0.414%，εX從0.726%降低至0.57%。改性試樣軸向峰值應(yīng)變εX均大于εU，相同高徑比εX均高于εU，約28.62%。2組試樣高徑比大于4∶1后，高徑比-應(yīng)變特征曲線變緩較為明顯。

εX、εU—試驗組、對照組試樣軸向峰值應(yīng)變

由于單軸抗壓強度和軸向峰值應(yīng)變均隨著高徑比增大而減小，因此彈性模量也會呈現(xiàn)規(guī)律性變化。彈性模量的變化特征曲線如圖4所示。

EX、EU—試驗組、對照組試樣軸向彈性模量

如圖4所示，高水材料充填支柱彈性模量隨著高徑比增大逐漸降低，兩者之間采用對數(shù)函數(shù)表征為。EX與EU具有相同的尺寸效應(yīng)特征，隨著高徑比增大，EU從2.37 GPa增大至3.19 GPa，EX從2.28 GPa增大至2.60 GPa，2組試樣均呈現(xiàn)相同的變化趨勢。同高徑比的EX均小于EU，降低約為13.20%，當(dāng)高徑比大于4∶1后彈性模量增長趨勢變平緩。

綜上可知，改性高水材料充填支柱具有尺寸效應(yīng)， 單軸抗壓強度及軸向峰值應(yīng)變均隨著高徑比的增大而減小，彈性模量隨著高徑比增大而增大，變化特征均符合對數(shù)函數(shù)變化特征。高徑比大于4∶1后，各項力學(xué)參數(shù)變化趨勢減緩；同時改性后高水材料試樣的單軸抗壓強度提高約10.78%，軸向應(yīng)變峰值提高約28.62%，具有更好的承載性能。

2.4 破壞特征

2.4.1 應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線

試樣單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠反映試樣整體從受壓直至破壞過程中的力學(xué)特性[10-16]。選取同一種高徑比的2組試樣，對比分析試樣的破壞特征。圖5為高徑比是4∶1兩組試樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖5a可知，對照組試樣為典型的脆性材料，彈性階段不明顯，應(yīng)變較小，到達峰值強度后立即破壞，完全失去承載能力；由圖5b可知，改性后高水材料充填支柱試樣在塑性變形階段、峰后破壞階段有較為明顯的區(qū)別，試驗組試樣有更為明顯的塑性變形階段，塑性變形區(qū)明顯，并且在峰值破壞后表現(xiàn)出良好的殘余強度。

圖5 高徑比4∶1試樣應(yīng)力-應(yīng)變特征曲線

高徑比過小時，端部剪切效應(yīng)會相互疊加，試樣均會呈現(xiàn)殘余強度，使對比效果不明顯。因此選取高徑比從3∶1～5∶1部分試樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，對比分析不同高徑比兩組試樣力學(xué)性質(zhì)，如圖6所示。

由圖6a可知，對照組試樣具有明顯的尺寸效應(yīng)，RU與εX均隨著高徑比增大而減??；試樣達到峰值強度后立即失去承載能力，試樣不表現(xiàn)殘余強度特征。由圖6b可知，改性后的試樣，也具有明顯的尺寸效應(yīng)，RX和εX均隨著高徑比增大而減小，且由于試驗組試樣中的纖維能夠阻止高水材料原有微裂隙的擴展，使試樣得以保持較好的完整性和連續(xù)性，從而表現(xiàn)出較高的殘余強度，且高徑比越小殘余強度越高。

圖6 不同高徑比試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.4.2 破壞形貌特征

由支柱試樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析可知，試驗組表現(xiàn)出較對照組更好的塑性特征，峰值應(yīng)變增大的同時，有良好的殘余強度，因此從其破壞形態(tài)進一步分析改性后高水材料充填支柱力學(xué)性質(zhì)變化的原因。不同高徑比的試樣破壞形態(tài)如圖7所示。

圖7 高水材料充填支柱單軸壓縮破壞形態(tài)

圖7a為對照組試樣，以“X”—劈裂型剪切組合為主要破壞特征，端部先發(fā)生“X”形剪切破壞[17-20]，隨著載荷進一步加載，裂隙沿滑裂面發(fā)育，最后貫穿整個試樣，使端部呈倒圓錐體狀；中部塊體由于拉伸出現(xiàn)豎向裂隙，形成劈裂破壞，并且隨著高徑比增大，劈裂特征越明顯，裂隙更加發(fā)育。

圖7d-圖7e為試驗組試樣，支柱試樣沒有出現(xiàn)貫通性的裂隙，端部仍表現(xiàn)為“X”形的剪切破壞。根據(jù)分析可知，由于纖維的聯(lián)結(jié)作用，改性后試樣的整體韌性增強，試樣在受力過程中裂而不斷，從而保持了較高的峰后殘余強度，這和應(yīng)力-應(yīng)變曲線所反映的結(jié)果是一致的。

由上述分析可知，兩組試樣的破壞類型相同，不受高徑比和纖維的影響。纖維的阻裂作用明顯，改性試樣整體性和連續(xù)性增強，試樣破壞后塊體不會立即徹底分離，改性后高水材料充填支柱的受壓穩(wěn)定性與峰后承載能力顯著提高。

3 SEM微觀分析

高水材料的微細觀結(jié)構(gòu)能側(cè)面反映改性后高水材料充填支柱的力學(xué)性能發(fā)生變化的原因。對2組試塊取樣，用導(dǎo)電膠將其固定，同時通過鍍金處理增強導(dǎo)電性。制作完成后，采用QuantaFEC-250型場進行掃描電鏡(SEM)觀測，得出2組試塊不同放大倍數(shù)下的微觀形貌特征。圖8為2組試樣各放大50倍和1 000倍微觀形貌。

圖8 對照試驗試樣材料微觀形貌

由圖8可知，高水材料內(nèi)部會有細小的微觀裂隙和極少的氣孔和缺陷，是由于攪拌過程中少數(shù)氣體進入導(dǎo)致。針狀的鈣礬石在空間中呈放射狀，晶粒相互搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成了高水材材料主要的強度骨架，晶體間充斥著大量的膠狀物質(zhì)。改性后，即摻入纖維后的高水材料微觀裂隙減少，只有少量氣孔生成，鈣礬石生成更加致密。改性后高水材料具有更穩(wěn)定鈣礬石骨架結(jié)構(gòu)，纖維與鈣礬石結(jié)構(gòu)體之間的黏聚力，能阻止原有裂隙發(fā)育，同時纖維在結(jié)石體變形破壞所受牽連拉力，會延緩新裂隙的產(chǎn)生，從而間接地提高了試樣強度，使試驗組試樣具有更高的強度和較大的應(yīng)變，表現(xiàn)更好的承載性能。

4 結(jié) 論

1)改性高水材料充填支柱試樣與未改性試樣尺寸效應(yīng)特征一致：隨著高徑比增大，支柱試樣的峰值強度單軸抗壓強度、軸向應(yīng)變峰值逐漸降低，彈性模量逐漸增大。

2)改性高水材料充填支柱試樣中的聚丙烯纖維改善了高水材料中鈣礬石骨架結(jié)構(gòu)，使試樣的承載性能得到提高，單軸抗壓強度提高10.78%，軸向應(yīng)變峰值增大28.62%。兩組試樣的破壞特征不受高徑比和改性纖維的影響，均呈現(xiàn)“X”—劈裂型剪切組合特征。

3)改性后高水材料充填支柱的鈣礬石骨架結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。由于纖維的阻裂效應(yīng)，延緩了試樣原有裂隙及新生裂隙的發(fā)育，是間接促進材料強度及應(yīng)變增長的主要因素，使改性高水材料充填支柱具有較高的受壓穩(wěn)定性和殘余強度。