錨噴支護(hù)巷道噴射混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

方樹林

(1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；4.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

煤礦錨噴支護(hù)應(yīng)用非常普遍，這項(xiàng)技術(shù)包含錨桿(索)支護(hù)和噴射混凝土支護(hù)兩部分[1]。隨著錨噴支護(hù)技術(shù)的日趨成熟和研究的不斷深入，近年來對噴射混凝土強(qiáng)度指標(biāo)的確定和影響因素的分析形成了諸多研究成果[2-8]。李瑞璟等[9]、張曉丹等[10]分別通過試驗(yàn)，測得了高強(qiáng)粉煤灰陶粒混凝土的彈性模量及泊松比和大摻量粉煤灰混凝土的早后期強(qiáng)度；羅金等[11]、趙春孝等[12]分別對磨細(xì)礦渣配制大體積混凝土和高強(qiáng)混凝土及噴射鋼纖維混凝土的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究；李建民等[13]研究了煤礦井下噴射混凝土減塵降彈技術(shù)；汪在芹等[14]采用自行設(shè)計(jì)的室內(nèi)濕噴混凝土性能檢測方法，開展了噴射混凝土的力學(xué)、抗裂及施工性能試驗(yàn)研究；丁莎[15]圍繞微觀性能、力學(xué)性能、滲透性三個方面，通過試驗(yàn)研究了噴射混凝土不同配合比對其微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能的影響；王家濱等[16]分別考慮水膠比、粉煤灰和鋼纖維影響，研究了噴射混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度經(jīng)時變化規(guī)律以及滲透性、耐久性特點(diǎn)；李培濤[17]研究了20～50℃的不同溫度環(huán)境下噴射混凝土進(jìn)行物理性能和強(qiáng)度特性、抗壓破壞本構(gòu)關(guān)系模型、粘結(jié)性能和耐久性；張戈[18]詳細(xì)研究了配合比參數(shù)、礦物摻合料、聚乙烯醇纖維、速凝劑摻量等因素對摻入無堿速凝劑噴射混凝土性能的影響規(guī)律，提出了高性能噴射混凝土組成設(shè)計(jì)方法；梁巨理[19]研究了矸石基噴射混凝土的力學(xué)性能。一般情況下，煤礦噴射混凝土在巷道表面硬化成型后，要受到圍巖變形和錨桿、錨索及其構(gòu)件的多重作用，受力狀態(tài)極其復(fù)雜。實(shí)際工程中，噴射混凝土也極少處于簡單的單軸受力狀態(tài)。但由于多軸受力狀態(tài)下的力學(xué)性能十分復(fù)雜，難以建立一種不同受力條件下的混凝土強(qiáng)度理論，所以上述大多數(shù)試驗(yàn)研究還是以單軸受力的強(qiáng)度作為標(biāo)準(zhǔn)，由此得到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及強(qiáng)度值是衡量噴射混凝土特性的最基本值，簡單受力條件下直接由試驗(yàn)測出的強(qiáng)度值仍是噴射混凝土設(shè)計(jì)理論中的主要依據(jù)。因此，本文以煤礦巷道錨噴支護(hù)工程為依托，通過從煤礦現(xiàn)場選取原料、實(shí)驗(yàn)室制作試塊、在壓力機(jī)上試驗(yàn)的方法，對噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了全面測試，以期通過科學(xué)高效的實(shí)驗(yàn)方法獲得煤礦噴射混凝土的力學(xué)參數(shù)和性能特征。

1 噴射混凝土試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及配合比

表1 噴射混凝土試驗(yàn)材料及配合比

1.2 噴射混凝土試塊制作和養(yǎng)護(hù)

為了反映噴射混凝土的實(shí)際工藝和真實(shí)強(qiáng)度，在煤礦井下施工現(xiàn)場進(jìn)行噴射混凝土試塊制作。根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范(GB 50086—2015)》[20]，噴射混凝土試塊現(xiàn)場取樣采用“噴射大板法”，即在井下將混凝土拌合物噴到450mm×450mm×120mm(長×寬×高)的木試模中制成大板，待其初步硬化后脫模，按照試驗(yàn)所需的尺寸將其切割或鉆取成標(biāo)準(zhǔn)試塊(抗壓和抗拉強(qiáng)度試塊尺寸100mm×100mm×100mm立方體、抗彎強(qiáng)度試塊尺寸100mm×100mm×400mm長方體、抗剪強(qiáng)度試塊尺?50mm×50mm圓柱體)，然后在井下現(xiàn)場環(huán)境中養(yǎng)護(hù)一定時間，最后采用WE-300B型壓力試驗(yàn)機(jī)對養(yǎng)護(hù)好的試塊進(jìn)行抗壓、抗拉、抗彎以及抗剪等系列強(qiáng)度試驗(yàn)。噴射大板法制成的標(biāo)準(zhǔn)試塊如圖1所示。

圖1 “噴射大板法”現(xiàn)場制作混凝土試塊

2 噴射混凝土試驗(yàn)原理、過程與結(jié)果

2.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)原理及過程

將100mm×100mm×100mm立方體試塊表面擦拭干凈，然后把試塊置于試驗(yàn)機(jī)下壓板正中間，保證二者中心垂直對準(zhǔn)，開動試驗(yàn)機(jī)，使上壓板與試塊接觸，調(diào)節(jié)壓力機(jī)油門保持連續(xù)均勻加壓，加壓速度控制在0.3～0.5MPa/s，當(dāng)試塊開始急劇變形、接近破壞時，停止試驗(yàn)機(jī)油門，直至試塊完成破壞，記錄此時試驗(yàn)機(jī)油表讀數(shù)，即為試塊的破壞荷載，如圖2所示。根據(jù)破壞荷載，按照下式計(jì)算抗壓強(qiáng)度：

fcc=0.95F/A

(1)

式中，fcc為混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度，MPa；F為試塊破壞載荷，kN；A為試塊承壓面積，m2。

圖2 噴射混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程

2.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

以7d為單位，分別測出混凝土試塊在養(yǎng)護(hù)1d、7d、14d、21d和28d后的受壓破壞載荷，試驗(yàn)結(jié)果見表2。運(yùn)用最小二乘法對表2中的五組試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析后，得到噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度隨時間變化曲線，如圖3所示。

表2 噴射混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 噴射混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線

對曲線進(jìn)行回歸分析后，得到噴射混凝土抗壓強(qiáng)度與時間的關(guān)系為：

fcc=15.03ln(t)+4.94(t≥1d)

(2)

式中，fcc為噴射混凝土抗壓強(qiáng)度，MPa；t為混凝土噴射完成天數(shù)，d。

從圖3中可以看出：①噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度隨時間呈明顯的對數(shù)增長規(guī)律，即抗壓強(qiáng)度隨時間增長先快后慢，以7d為間隔，前期第7d比第1d增長19.89MPa，幅度達(dá)373%，后期第28d比第21d增長4.76MPa，幅度僅12%；②后期抗壓強(qiáng)度增長緩慢，可能與養(yǎng)護(hù)濕度降低有關(guān)，由于試驗(yàn)所用試塊的養(yǎng)護(hù)方法是在井下環(huán)境中自然養(yǎng)護(hù)，隨著水分不斷蒸發(fā)，養(yǎng)護(hù)齡期越長，試塊濕度越低，從而導(dǎo)致水泥水化速度降低和水化程度不充分，這都在一定程度上影響了強(qiáng)度的增長；③混凝土噴射1d后的平均強(qiáng)度為5.34MPa，28d平均強(qiáng)度為44.28MPa。

2.2 抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)原理及過程

采用劈裂法測試混凝土的抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)裝置包括墊塊、墊條與支架，如圖4所示。墊塊為半徑75mm的弧形鋼塊，長度與試塊相同；墊條為三層膠合板制成，寬度為20mm，厚度為3mm，長度不小于試塊長度；支架為鋼支架，用于墊塊和試塊的定位。

圖4 混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)裝置 (mm)

在100mm×100mm×100mm立方體試塊側(cè)面中心位置標(biāo)上一條開裂標(biāo)示線，然后將試塊放在試驗(yàn)機(jī)下壓板的中心位置，保證劈裂承壓面和劈裂面與試塊成型時的頂面垂直；在上、下壓板與試塊之間墊以圓弧形墊塊及墊條各一條，墊塊與墊條與試塊上、下面的中心線對準(zhǔn)并與成型時的頂面垂直安裝在定位架上；開動試驗(yàn)機(jī)加壓，直至試塊破壞，最后記錄破壞荷載，試驗(yàn)過程如圖5所示。根據(jù)試塊的劈裂破壞載荷，按照下式計(jì)算其抗拉強(qiáng)度：

式中，fts為混凝土試塊劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；F為試塊破壞載荷，kN；A為試塊承拉面積，m2。

圖5 噴射混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)過程(劈裂法)

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

噴射混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表3。運(yùn)用最小二乘法對表3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，得到噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度隨時間變化曲線，如圖6所示。

表3 噴射混凝土抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖6 噴射混凝土抗拉強(qiáng)度變化曲線

對曲線進(jìn)行回歸分析，得到噴射混凝土抗拉強(qiáng)度與時間的關(guān)系為：

fts=1.09ln(t)+0.25

(4)

式中，fts為噴射混凝土抗拉強(qiáng)度，MPa；t為混凝土噴射完成天數(shù)，d。

由此可見：①噴射混凝土的抗拉強(qiáng)度隨時間呈明顯的對數(shù)增長規(guī)律，前期增長迅速、后期增長緩慢，第7d的增長幅度高達(dá)406%，第28d的增長幅度僅為9%，后期抗拉強(qiáng)度增長緩慢，可能與養(yǎng)護(hù)溫度和濕度降低有關(guān)；②混凝土28d基準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度為3.04MPa，為抗壓強(qiáng)度的7%，說明了噴射混凝土同巖石一樣，也屬于抗壓不抗拉材料，因此工程中要盡量避免混凝土處于受拉的不利狀態(tài)。

2.3 抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)原理及過程

采用三等分法測試混凝土的抗彎強(qiáng)度，試驗(yàn)裝置包括支座、壓頭與墊板，如圖7所示。支座采用鋼制材料加工而成，配有兩個支撐點(diǎn)，跨度為350mm。壓頭采用直徑為30mm、長度120mm的硬鋼圓柱，與支座配合使用，達(dá)到能使二個相等荷載同時作用在試塊跨度三分點(diǎn)處的目的；鋼墊板采用機(jī)械加工，承壓面的平面度公差為0.04mm，表面硬度不小于55HRC，硬化層厚度約為5mm，平面尺寸應(yīng)不小于試塊的承壓面積，厚度應(yīng)不小于25mm。

圖7 混凝土抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)裝置

在100mm×100mm×400mm長方體試塊側(cè)面中心位置標(biāo)上一條彎裂標(biāo)示線，保證在長向中部1/3區(qū)段內(nèi)不得出現(xiàn)表面直徑超過5mm、深度超過2mm的孔洞；安裝尺寸偏差不得大于1mm；開動試驗(yàn)機(jī)加壓，直至試塊破壞，最后記錄破壞荷載，試塊安裝及試驗(yàn)過程如圖8所示。測出混凝土長方體試塊的斷裂破壞載荷后，觀察試塊下邊緣斷裂位置，若斷裂位置處于二個集中荷載作用線之間，則按照下式計(jì)算混凝土抗彎強(qiáng)度：

式中，ff為混凝土長方體試塊抗彎強(qiáng)度，MPa；F為試塊斷裂破壞載荷，kN；l為支座跨度，mm；b為試塊截面高度，mm；h為試塊截面寬度，mm。

圖8 噴射混凝土抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)過程

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

噴射混凝土抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表4。運(yùn)用最小二乘法對表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到噴射混凝土的抗彎強(qiáng)度隨時間變化曲線，如圖9所示。

表4 噴射混凝土抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖9 噴射混凝土抗彎強(qiáng)度變化曲線

對曲線進(jìn)行回歸分析，得出噴射混凝土抗彎強(qiáng)度與時間的表達(dá)式為：

ff=-0.07t2+1.27t+0.54(t≥1d)

(6)

式中，ff為噴射混凝土抗彎強(qiáng)度，MPa；t為混凝土噴射完成天數(shù)，d。

由此可見：①噴射混凝土的抗彎強(qiáng)度隨時間呈明顯的拋物線式變化規(guī)律，前期增長迅速、后期增長緩慢，21d左右達(dá)到峰值，最大抗彎強(qiáng)度約為5.04MPa，之后有下降趨勢，28d強(qiáng)度降幅為18%。②后期抗彎強(qiáng)度的下降，可能與噴射混凝土的柔性隨時間降低及養(yǎng)護(hù)條件(主要是溫度和濕度)變化有關(guān)。隨著時間的增加，混凝土剛性增強(qiáng)，但柔性降低，即彎曲變形能力減小，導(dǎo)致后期混凝土在彎矩作用下易彎斷破壞；同時，若養(yǎng)護(hù)環(huán)境中空氣濕度不高(標(biāo)養(yǎng)濕度92%)，水泥水化作用不充分，會在一定程度上降低抗彎強(qiáng)度；另外，由于井下養(yǎng)護(hù)溫度偏低，導(dǎo)致抗彎強(qiáng)度增長緩慢，甚至停止增長。③噴射混凝土基準(zhǔn)抗彎強(qiáng)度為4.11MPa，是抗拉強(qiáng)度的1.4倍，這說明與抗拉情況相比，噴射混凝土更能抵抗彎矩。

2.4 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)原理及過程

采用變角剪切法測試混凝土的抗剪強(qiáng)度，剪切裝置采用變角剪切夾具，如圖10所示。利用壓力機(jī)施加垂直載荷，通過該夾具使試塊沿某一截面產(chǎn)生剪切破壞。

圖10 變角剪切裝置

安裝?50mm×50mm圓柱體試塊，調(diào)整夾具承壓板球形座，使變角剪切夾具受力均勻，安裝尺寸偏差不得大于1mm；開動試驗(yàn)機(jī)加壓，直至試塊破壞，最后記錄破壞荷載，試塊安裝及試驗(yàn)過程如圖11所示。根據(jù)試塊的剪切破壞載荷，按照下式計(jì)算其抗剪強(qiáng)度：

fτ=F/Asinα

(7)

式中，fτ為混凝土圓柱體試塊抗剪強(qiáng)度，MPa；F為試塊剪切破壞載荷，kN；A為剪切面積，mm2；α為剪切面與水平面的夾角，(°)。

圖11 噴射混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)過程

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

噴射混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表5。同樣運(yùn)用最小二乘法對表5中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到抗剪強(qiáng)度隨時間變化曲線，如圖12所示。

表5 噴射混凝土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖12 噴射混凝土抗剪強(qiáng)度變化曲線

對曲線進(jìn)行回歸分析，得出噴射混凝土抗剪強(qiáng)度與時間的關(guān)系為：

fτ=-0.07t2+1.33t-0.57(t≥1d)

(8)

式中，fτ為噴射混凝土抗剪強(qiáng)度，MPa；t為混凝土噴射完成天數(shù)，d。

由此可見：① 噴射混凝土的抗剪強(qiáng)度隨時間的變化規(guī)律同抗彎強(qiáng)度一樣，也呈拋物線式變化，即前期增長迅速、后期增長緩慢，21d左右達(dá)到抗剪強(qiáng)度峰值(5.26MPa)，之后呈現(xiàn)下降趨勢，28d強(qiáng)度降幅為19%；②后期抗剪強(qiáng)度的下降，可能與噴射混凝土養(yǎng)護(hù)環(huán)境中溫度和濕度的變化有關(guān)。由于該試驗(yàn)開展的時間正處冬季，試塊養(yǎng)護(hù)溫度較標(biāo)養(yǎng)溫度(20±2℃)偏低，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度增長緩慢，甚至停止增長；另外，養(yǎng)護(hù)環(huán)境中空氣濕度較低(低于92%)，水泥不能進(jìn)行正常水化反應(yīng)，甚至停止水化，嚴(yán)重降低混凝土的抗剪強(qiáng)度；③噴射混凝土的基準(zhǔn)抗剪強(qiáng)度為4.29MPa，與基準(zhǔn)抗彎強(qiáng)度相近，是抗拉強(qiáng)度的1.5倍，說明噴射混凝土也能抵抗一定的剪切外力，這與組成混凝土原材料中的骨料(特別是石子)提供較大摩擦力有關(guān)。

2.5 τ-σ強(qiáng)度曲線

根據(jù)摩爾-庫倫強(qiáng)度理論，材料的抗剪強(qiáng)度與剪切面上的法向應(yīng)力(正應(yīng)力)呈正比關(guān)系，見式(9)：

τ=C+σtanφ

(9)

式中，τ為混凝土剪切面上的剪應(yīng)力，MPa；σ為混凝土剪切面上的正應(yīng)力，MPa；C為粘聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)。

按照式(9)計(jì)算得出的混凝土抗剪強(qiáng)度fτ，實(shí)際是單個試塊在剪切破壞面上的剪應(yīng)力τ，對于剪切面上的正應(yīng)力σ可以根據(jù)式(10)算得：

fσ=F/Acosα

(10)

式中，fσ為混凝土剪切面上的正應(yīng)力，MPa；F為試塊剪切破壞載荷，kN；A為剪切面積，mm2；α為剪切面與水平面的夾角，(°)。

噴射混凝土剪應(yīng)力和正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表6。算出剪應(yīng)力和正應(yīng)力后，將二者的平均值繪在τ-σ直角坐標(biāo)系中，可以得到噴射混凝土的τ-σ強(qiáng)度曲線，如圖13所示。

表6 噴射混凝土剪應(yīng)力和正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖13 噴射混凝土τ-σ強(qiáng)度曲線

曲線在τ軸上的截距對應(yīng)粘聚力C，曲線的斜率對應(yīng)內(nèi)摩擦角φ。據(jù)此對曲線進(jìn)行回歸分析，得出噴射混凝土的摩爾-庫倫抗剪強(qiáng)度表達(dá)式為：

τ=0.20+1.18σ=0.20+σtan50°

(11)

由此可得，噴射混凝土的粘聚力C=0.20MPa，內(nèi)摩擦角φ=50°。

3 結(jié) 論

1)采用“噴射大板法”在煤礦井下施工現(xiàn)場進(jìn)行噴射混凝土試樣制作，并通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的方法，以養(yǎng)護(hù)齡期為單一考慮因素，全面測試了噴射混凝土在不同齡期下的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度以及粘聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)，得到28d基準(zhǔn)抗壓、抗拉、抗彎、抗剪強(qiáng)度分別為44.28MPa、3.04MPa、4.11MPa、4.29MPa，后三者分別約為前者的7%、9%、10%，同時得到噴射混凝土的粘聚力約為0.20MPa、內(nèi)摩擦角約為50°，為噴射混凝土力學(xué)性能評估和數(shù)值模擬參數(shù)選取提供了依據(jù)。

2)噴射混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度隨時間呈對數(shù)式增長規(guī)律，前期增長迅速、后期增長緩慢，第7天的增長幅度高達(dá)373%～406%，第28d的增長幅度僅為9%～12%。

3)抗彎、抗剪強(qiáng)度隨時間呈拋物線式變化規(guī)律，前期一直增長，至21d左右達(dá)到峰值，之后呈下降趨勢，28d抗彎、抗剪強(qiáng)度降幅分別為18%、19%。