聚丙烯纖維高水材料力學(xué)性能的試驗研究

孫 位 劉長武 吳 帆 刁兆豐 馮 波李曉龍(1.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065；.四川大學(xué)-香港理工大學(xué)災(zāi)后重建與管理學(xué)院，四川 成都 610065)

高水速凝材料是20世紀(jì)80年代研制成功的一種新型膠凝材料[1]，一般稱為高水材料。高水材料由A、B 2組材料配合一定的水混合而成的漿體凝固而成，其中A組材料由鋁土礦燒制復(fù)合超緩凝劑組成，B組材料由石膏等與復(fù)合速凝劑組成，二者以質(zhì)量比為1∶1比例配合使用[2]。

目前高水材料已成功運(yùn)用于采空區(qū)充填開采。在市場經(jīng)濟(jì)條件下，充填開采技術(shù)的關(guān)鍵是充填材料的選取及如何降低成本，另外就是充填技術(shù)本身，包括充填材料在承受荷載時的力學(xué)特性等[3]。近年來在充填開采技術(shù)領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者對高水材料的力學(xué)特性做了許多研究。國內(nèi)馮光明[4]通過對翟鎮(zhèn)礦高水材料沿空留巷巷旁充填礦壓的觀測與分析，得到巷旁高水材料充填帶能滿足采面頂板活動規(guī)律要求，能有效控制巷旁位移變形。謝輝等[5]運(yùn)用MTS815測試高水材料變形破壞特征，發(fā)現(xiàn)含水率的變化對結(jié)石體變形破壞特性影響顯著。蔣源等[6]利用不同粒徑的骨料對高水材料摻雜改性，發(fā)現(xiàn)摻入骨料明顯提高高水材料強(qiáng)度。

雖然高水材料作為一種充填開采技術(shù)的充填材料有著諸多優(yōu)點，但是高水材料也存在著強(qiáng)度相對不高、峰后強(qiáng)度迅速下降以及峰后破壞變形較快的缺點，過快的變形不利于采空區(qū)上部巖體應(yīng)力的穩(wěn)定釋放。本項目在研究高水材料的基本物理力學(xué)特性的基礎(chǔ)之上，結(jié)合前人的研究成果，針對高水材料峰后強(qiáng)度不高、峰后破壞變形較大的特性，利用纖維的高伸長率和牽連作用，對高水材料進(jìn)行摻雜改性研究。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗設(shè)計方案

純高水材料由A、A-A、B、B-B這4種材料按 1∶0.1∶1∶0.04的質(zhì)量比配合而成，試驗采用5∶1固定水灰比，所以試驗應(yīng)保持4種材料質(zhì)量比和水灰比不變，試驗所需高水材料各組分含量如表1所示。

表1 試樣材料配比Table 1 The material ratio of sample g

試驗所采用的纖維材料為聚丙烯纖維(PP纖維)，該纖維是一種抗酸堿性、高彈模、安全無毒的非連續(xù)束狀單絲材料，摻量按體積比設(shè)置0、0.25%、0.5%、0.75%和1.0%共5個比例，摻雜質(zhì)量按公式(1)計算獲得。

Mpp=ρpp·α·V

(1)

式中，Mpp為摻雜纖維質(zhì)量，g；ρpp為摻雜纖維密度，g/cm3；α為摻量體積比；V為試樣體積，cm3。

設(shè)置3、6、12和18 mm共4個纖維長度值，其中摻雜纖維0的試樣為純高水材料，作為對比組。各個長度的纖維材料性質(zhì)及摻量見表2。

表2 纖維材料性質(zhì)及摻量Table 2 Properties and dosage of fibrous material

1.2 試樣的制作及養(yǎng)護(hù)

將A、A-A、水?dāng)嚢杌旌虾蟮玫紸漿液，B、B-B、水?dāng)嚢杌旌虾蟮玫紹漿液，將A漿液和B漿液充分?jǐn)嚢杌旌?，按《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》[7]規(guī)定，取試樣的高徑比約為2∶1，加入纖維摻料后倒入φ50 mm×100 mm的模具中，靜置于室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，24 h后進(jìn)行脫模標(biāo)號處理，見圖1。將試樣置于20 ℃左右的水環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7 d，然后進(jìn)行試驗。

圖1 試樣脫模標(biāo)號Fig.1 Stripping and labeling for sample

1.3 加載方式

試驗采用ETM104B電子萬能試驗機(jī)(如圖2)，該設(shè)備具有全數(shù)字閉環(huán)控制、多通道采集、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確和操作簡單等特點。試驗過程采用位移控制，加載速率為3 mm/min。

圖2 電子萬能試驗機(jī)Fig.2 Electronic universal testing machine

2 單軸抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律分析

不同的纖維長度、摻量下的試樣7 d單軸抗壓強(qiáng)度如表3所示。試驗結(jié)果表明，纖維對試樣強(qiáng)度有明顯的補(bǔ)強(qiáng)作用。隨著摻量的不同，3 mm纖維摻雜下的試樣強(qiáng)度增幅為4%～17%；6 mm纖維摻雜下的試樣強(qiáng)度增幅為4%～22%；12 mm纖維摻雜下的試樣強(qiáng)度增幅為11%～27%；18 mm纖維摻雜下的試樣強(qiáng)度增幅為22%～49%?？傮w上看，隨著摻量的變化，試樣的7 d單軸抗壓強(qiáng)度隨之變化。分析表3可知，相同纖維長度下，隨著摻量的增加，試樣的強(qiáng)度明顯增加；相同摻量下，隨著纖維長度的增加，試樣的強(qiáng)度增加。

分析其原因，一方面高水材料的主要水化物鈣礬石為柱狀和針狀，相互搭接形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)容易形成空隙和微裂隙，內(nèi)部充滿自由水[8]，摻雜纖維能夠阻止高水材料原有微裂隙的擴(kuò)展；另一方面，高水材料試樣在受壓時會有新裂紋的產(chǎn)生，而由于纖維與結(jié)石體之間的黏結(jié)力，同時纖維在結(jié)石體變形破壞所受牽連拉力，纖維會延緩新裂隙的產(chǎn)生。由此可見，摻雜纖維試樣的強(qiáng)度增加主要是由于纖維的補(bǔ)強(qiáng)效應(yīng)，即纖維的阻裂效應(yīng)，減少了裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展的幾率，試件得以保持較好的完整性和連續(xù)性，從而間接地促進(jìn)了試件強(qiáng)度的增長。除此之外，纖維能阻止高水材料漿液在凝固過程中集料的離析沉降，使試樣更均勻，導(dǎo)致其受力表現(xiàn)更好。當(dāng)摻量較低時，纖維對高水材料結(jié)石體的包裹不足；當(dāng)纖維長度較短時，纖維之間的相互纏繞不足。低摻量和短纖維都會導(dǎo)致纖維的阻裂效應(yīng)不明顯，試樣均一性更差，故低摻量、短纖維下的摻雜試樣強(qiáng)度增加不明顯。反之，當(dāng)摻量較高、纖維較長時，對高水材料結(jié)石體的包裹程度較好，纖維的阻裂效應(yīng)明顯增強(qiáng)，試樣均一性更好，進(jìn)而提高試樣的強(qiáng)度。但高摻量時，纖維長度越長，纖維自身越容易纏繞成團(tuán)，越不容易和高水材料漿體均勻混合，越不容易充分包裹高水材料結(jié)石體，故在18 mm、1%摻雜下的試樣強(qiáng)度相對于18 mm、0.75%摻雜下的試樣強(qiáng)度增強(qiáng)不明顯，即纖維對試樣強(qiáng)度的增幅有限。

表3 養(yǎng)護(hù)7 d后的單軸抗壓強(qiáng)度Table 3 Uniaxial compressive strength after 7 days of curing

如圖3所示，選取摻量0.75%時各纖維長度下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線為代表，分析纖維對試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線關(guān)系影響。由圖3可以看出，不同纖維長度、相同摻量下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線相似，試樣的破壞特征基本相同，隨著荷載增大，試樣出現(xiàn)壓密階段、彈性階段、塑性變形階段、破壞階段?？梢悦黠@看出，在0.75%的摻量下，隨著纖維長度的增長，試樣的單軸抗壓峰值強(qiáng)度和峰后強(qiáng)度隨之增長。更加顯著的，純高水材料的應(yīng)力—應(yīng)變曲線在峰后階段出現(xiàn)了“折線”式下降，而摻雜纖維的試樣其峰后階段的應(yīng)力—應(yīng)變曲線變化平緩。這說明摻雜纖維的試樣塑性更加良好，體現(xiàn)出一定的塑—蠕變性質(zhì)。

3 峰后殘余強(qiáng)度分析

18 mm纖維摻雜下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線關(guān)系如圖4所示，從圖4可知，摻雜試樣與純高水試樣在塑性變形階段、峰后破壞階段有較為明顯的區(qū)別：摻雜試樣有更為明顯的塑性變形階段，隨著摻量的增加，試樣在應(yīng)力—應(yīng)變曲線上塑性變形區(qū)增大；在峰后破壞階段，隨著荷載的增加，應(yīng)變不斷增加，而摻雜試樣的應(yīng)力保持比較穩(wěn)定。這是由于纖維的摻入增加了結(jié)石體的聯(lián)結(jié)，增強(qiáng)了試樣的整體性，使得試樣破裂后高水材料塊體不會立即徹底分離，纖維的阻裂效應(yīng)延緩了裂縫的繼續(xù)擴(kuò)展。選取應(yīng)力—應(yīng)變曲線中試樣破壞后近似水平狀態(tài)部分對應(yīng)的強(qiáng)度作為其殘余強(qiáng)度值，分析纖維對高水材料的峰后殘余強(qiáng)度影響。

圖3 0.75%摻雜下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Stress-strain relationship with addition of 0.75% fiber

圖4 18 mm纖維摻雜下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Stress-strain relationship under addition of 18 mm fiber

不同摻雜情況下，試樣的峰后殘余強(qiáng)度如圖5所示。

圖5 峰后殘余強(qiáng)度與摻量關(guān)系Fig.5 Relationship between post-peak residual strength and fiber content◆—3 mm;■—6 mm;▲—12 mm;●—18 mm

從圖5中可知，在摻雜體積比為0.25%時，試樣的峰后殘余強(qiáng)度提升較少，約為7.2%～17.0%；隨著纖維摻量的增加，摻雜試樣峰后強(qiáng)度下降的越慢，殘余強(qiáng)度隨著摻量的增加而增加，且相同摻量下隨著纖維長度的增加而增加；結(jié)合表3可以看出，試樣的殘余強(qiáng)度占峰值強(qiáng)度的比值高達(dá)65%～84%，且占比隨著纖維摻量的增加而顯著增加；摻雜3 mm纖維試樣殘余強(qiáng)度提升約7%～40%，摻雜6 mm纖維試樣殘余強(qiáng)度提升約10.4%～44.8%，摻雜12 mm纖維試樣殘余強(qiáng)度提升約13.3%～72%，摻雜18 mm纖維試樣殘余強(qiáng)度提升約15%～100.7%，可以明顯看出纖維越長，摻量越大，試樣的殘余強(qiáng)度也就越強(qiáng)。究其原因，盡管由于峰后階段時裂隙較多，纖維抑制新裂隙產(chǎn)生的作用減弱，但是越長、摻量越大的纖維摻雜，纖維抑制高水材料試樣裂隙擴(kuò)展的作用越明顯。此時纖維的阻裂作用明顯，纖維承受了一部分試樣劈裂破壞所產(chǎn)生的拉力，同時纖維抑制集料沉淀的作用也越好，試樣均勻性越好，故摻雜試樣的殘余強(qiáng)度隨著摻量和纖維長度大幅提升。

纖維的阻裂效應(yīng)沒有使得試樣的破壞形式發(fā)生變化(如圖6)，試樣仍然是以劈裂—“X”型剪切組合破壞為主：在單軸壓縮荷載作用下，試樣上端先發(fā)生“X”型剪切破壞，產(chǎn)生的滑裂面擴(kuò)展貫穿試樣，使試樣上端形成倒圓錐體，同時對圓錐體以下部分塊體產(chǎn)生拉伸作用，出現(xiàn)豎向裂縫形成劈裂破壞。而由于摻雜纖維對裂縫有搭接牽連作用，抑制了裂縫的擴(kuò)展，試樣在破壞后，高水材料塊體并沒有完全脫離試樣(圖6(b))，試樣仍然保持較好的完整性。

圖6 高水材料在單軸壓縮作用下的破壞形式Fig.6 Destruction form of high water material in the uniaxial compression

由圖6可知,純高水材料是一種脆性材料,材料破壞后呈現(xiàn)碎裂的塊體,而由于纖維的牽連作用增強(qiáng)了試樣的整體韌性，使纖維高水材料試樣在受力過程中裂而不斷并能進(jìn)一步承受荷載，使試樣保持了較高的峰后殘余強(qiáng)度，這和應(yīng)力—應(yīng)變曲線所反映的結(jié)果是相符的。

4 結(jié) 論

(1)纖維并不能增強(qiáng)高水材料的強(qiáng)度，只能補(bǔ)強(qiáng)高水材料試樣的強(qiáng)度。摻雜纖維能夠阻止高水材料試樣原有微裂隙的擴(kuò)展和延緩新裂隙的產(chǎn)生，補(bǔ)強(qiáng)了高水材料試樣的力學(xué)特性，使得試樣在受力過程中保持較好的完整性，因而高水材料試樣能發(fā)揮出更好的抗壓性能。纖維摻量越多，試樣強(qiáng)度越高，纖維越長，試樣強(qiáng)度越高。但是由于纖維自身的纏繞成團(tuán)，纖維對高水材料強(qiáng)度的增強(qiáng)幅度有限。

(2)高水材料在凝固過程中有一定集料的沉淀，造成一定的漿體不均勻，這會影響高水材料試件的力學(xué)性能。而摻雜纖維起到了支撐集料的作用，阻止了集料的離析，使?jié){體更加均勻，試樣均一性更好，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能更好。

(3)纖維并不能改變高水材料試樣的破壞形式，摻雜后試樣仍然是“X”型剪切—劈裂組合破壞。但是纖維會影響高水材料試樣的裂縫擴(kuò)展，尤其是對劈裂破壞有抑制作用，從而提高了高水材料試樣的峰后殘余強(qiáng)度。

(4)纖維可以明顯提高高水材料試樣的峰后整體性和受壓穩(wěn)定性，使得其受壓后變形穩(wěn)定發(fā)展，同時纖維高水材料試樣又能保持更高更穩(wěn)定的強(qiáng)度，有利于采空區(qū)上部巖體應(yīng)力的釋放，說明纖維高水材料適合做采空區(qū)充填體。

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