沈文峰，王 亮,2，徐 穎，孫 蕾

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮北礦業(yè)股份有限公司，安徽 淮北 235000)

0 引 言

煤炭以其經(jīng)濟性、高效性，長久以來，在我國能源體系中都占據(jù)著主導(dǎo)地位，社會經(jīng)濟需求和能源格局決定其在長時間內(nèi)難以被其他能源取代[1]。隨著開采深度向千米級擴展，復(fù)雜的地質(zhì)條件和應(yīng)力環(huán)境使處于“三高一強”環(huán)境下的巖體易受掘進或開采擾動而失穩(wěn)[2]，導(dǎo)致巖體內(nèi)積聚的巨大能量急速猛烈地釋放，造成煤巖體結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生安全隱患，影響生產(chǎn)效益。煤礦開采過程中監(jiān)控預(yù)測難、信息傳輸不透明，開采環(huán)境因沖擊地壓、煤與瓦斯等突出問題而更加惡劣[3], 馬頭門、箕斗硐室、巷道等部位在復(fù)雜的地應(yīng)力作用下存在鼓起、開裂等破壞危險。斷層的構(gòu)造應(yīng)力致使煤體變形和巖層積聚彈性能產(chǎn)生高靜載集中，開采礦壓超出直接頂和基本頂范圍，巖層破裂瞬間釋放高能量形成動載擾動，在礦井支護薄弱區(qū)易發(fā)生沖擊破壞[4-5]。為保證生命財產(chǎn)安全，對礦井薄弱區(qū)進行支護十分重要，噴射混凝土砂漿、錨噴及錨噴網(wǎng)支護技術(shù)成熟穩(wěn)定，具有可靠性和經(jīng)濟性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)初期或永久支護和結(jié)構(gòu)加固之中[6-7]。礦井在運營過程中，易受到巖層圍壓、高壓滲水和腐蝕侵入等作用，支護襯砌結(jié)構(gòu)常會發(fā)生開裂、滲水、腐蝕等現(xiàn)象，降低結(jié)構(gòu)承載能力，影響可靠性和耐久性。摻入纖維可以有效改善水泥基材料的脆性和韌性，然而對這類材料的動態(tài)性能研究多集中在碳纖維和鋼纖維水泥基材料中[8]。聚丙烯纖維(PPF)具有優(yōu)良的抗軸拉、抗剪切、抗腐蝕和阻裂等性能[9-10]，摻入適量PPF的噴射砂漿表現(xiàn)出更加優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能，降低材料的脆性。PPF在水泥漿體中呈三維亂向分布，提高噴射砂漿的工作性能，改善應(yīng)力傳遞路徑，緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象；與此同時，當(dāng)裂縫出現(xiàn)時，PPF能夠傳遞開裂應(yīng)力，增加側(cè)向約束，延緩裂縫擴展，使基體產(chǎn)生更多裂縫以吸收更多能量，從而提高抗沖擊性能。羅洪林等[11]將不同長徑比的PPF摻入砂漿，研究發(fā)現(xiàn)纖維存在最佳長徑比，彎曲型分布的纖維有利于增強與砂漿間的摩擦力。徐虎[12]研究發(fā)現(xiàn)在砂漿中摻入PPF可以提高砂漿的抗拉強度、抗裂性能和抗斷裂能力，在高應(yīng)力狀態(tài)下提升錨桿的錨固效果和耐久性。胡金生等[13-14]對摻入PPF的砂漿進行SHPB試驗，得出PPF可以改善砂漿的脆性破壞特征，并增強其韌性的結(jié)論。目前研究聚焦于纖維品種與摻量對砂漿的抗沖擊性能影響[8,13-14]，PPF在砂漿中會填充孔隙，擠壓甚至堵塞毛細管，減少初凝階段水分流失和泌水引起的微裂縫和塑性收縮，而水泥含量增加會導(dǎo)致壓縮和破碎模量增加，不同水灰比和水泥含量不僅關(guān)系到噴射錨固砂漿的阻裂性、孔隙率、耐久性和強度，同時影響PPF的阻裂增韌效果和縱波傳播路徑。

因此，在前人研究基礎(chǔ)上[15]進一步調(diào)控砂漿的配比，通過破碎特征和動態(tài)抗壓強度、極限韌性等動態(tài)力學(xué)特性研究在沖擊壓縮作用下纖維增強噴射錨固砂漿的變形破壞規(guī)律，為礦井掘進和支護提供理論支撐。

1 SHPB單軸沖擊試驗方案

1.1 試件材料

膠凝材料：海螺牌P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥；細骨料：淮河河砂，顆粒級配屬一區(qū)天然砂，含泥量、有害物質(zhì)含量、堅固性和表觀密度等參數(shù)符合GB/14684—2011要求，細度模數(shù)為2.56；拌合水取自淮南自來水，并添加聚羧酸高效液態(tài)減水劑(減水率20%)保證不同水灰比的新拌砂漿流動度相似；試驗試件尺寸為?50 mm×25 mm，為在砂漿中獲得較好的分散性和摩擦力，試驗選用9 mm 束狀單絲聚丙烯纖維(PPF)，物理參數(shù)見表1。

表1 聚丙烯纖維物理力學(xué)性能Table 1 Physical and mechanical properties of PPF

1.2 試件制備

試件長徑比取0.5[16]，以減少摩擦效應(yīng)和慣性效應(yīng)的不利影響。設(shè)計考慮了水灰比和4種PPF體積摻量(0、1%、1.25%、1.5%)作為變量，按照表2配合比制作的砂漿裝入?50 mm×25 mm的模具中放在濕度≥95%、溫度為(20±2) ℃的養(yǎng)護室中養(yǎng)護1 d后拆模，然后將試件繼續(xù)在養(yǎng)護室中養(yǎng)護至28 d 取出，使用打磨機將試件兩端打磨平整，端面平整度在0.05 mm以內(nèi)。

表2 PPF增強砂漿配合比Table 2 Mixing ratio of PPF reinforced mortars

1.3 SHPB試驗裝置與實驗方法

使用?50 mm變截面SHPB試驗系統(tǒng)對試塊進行單軸沖擊壓縮試驗[15]，平衡檢驗如圖1所示，基本達到應(yīng)力平衡條件，符合SHPB的一維應(yīng)力波假設(shè)。由圖可知入射波上升沿的時間約為100 μs，可以滿足應(yīng)力波在試件軸向產(chǎn)生4次透射-反射過程，滿足應(yīng)力均勻性要求[17-18]。在0.25 MPa沖擊氣壓下，試件軸向出現(xiàn)貫通裂紋，沖擊氣壓達到0.45 MPa時試件可以完全破碎，確定循環(huán)沖擊氣壓的大小為0.25、0.35、0.45 MPa，考察在平均應(yīng)變率為80～180 s-1范圍內(nèi)動態(tài)抗壓強度和極限韌性發(fā)展，分析各組試件從開始產(chǎn)生裂縫發(fā)生破壞到粉碎性破壞的過程，揭示PPF增強砂漿破碎和吸能特征。

圖1 SHPB試驗平衡檢驗Fig.1 SHPB test of balance verify

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 PPF增強砂漿的典型破壞形態(tài)

不同沖擊氣壓時試件的典型破壞形態(tài)如圖2所示。隨著沖擊氣壓由0.25 MPa增大至0.45 MPa，試件的破碎程度越來越高，碎塊塊度平均粒徑不斷減小，低應(yīng)變率作用時裂紋呈軸向劈裂破壞，而應(yīng)變率較高時則是顆粒狀粉碎破壞，表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。試件在承受單軸沖擊作用時，應(yīng)力波經(jīng)過入射桿在試件內(nèi)部傳播，微裂紋、孔隙等微缺陷被激活并發(fā)展，裂紋發(fā)展所需的能量低于裂紋形成所需的能量，當(dāng)試件積聚更高的能量，裂紋擴展滯后于能量的積累，初始裂紋相互貫通，同時會產(chǎn)生更多的細小裂紋并參與到破壞過程中，使試件壓碎、磨碎；在低應(yīng)變率下，微裂紋沿著已有的薄弱缺陷開始沿著平行于壓應(yīng)力的方向發(fā)展，無需以破裂為更多碎塊來消耗能量，表現(xiàn)為碎塊的目數(shù)增大，破壞碎塊尺度趨于變大。沖擊載荷作用下，試件損傷和破壞在瞬間完成，單仁亮[19]認(rèn)為沖擊破壞總是有兩種及以上破壞形態(tài)，主要分為壓剪破壞、拉應(yīng)力破壞、張應(yīng)變破壞和卸載破壞；陳慶壽等[20]對軟、中硬和堅硬3類巖石的動載試驗研究，認(rèn)為破壞模式分為產(chǎn)生裂隙、中等破壞和強烈破碎；趙光明等[21]以混凝土和巖石試件在不同沖擊速度下SHPB試驗為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬將試件破壞有張應(yīng)力破壞、軸向劈裂拉伸破壞和壓碎破壞模式。圖2中試件破壞模式并不單一，而是以軸向劈裂拉伸破壞和壓剪破壞為主，和巖石類材料不同，沒有張應(yīng)變破壞階段。

圖2 不同沖擊氣壓下試件的典型破碎形態(tài)Fig.2 Typical fractured morphology of specimen under different impact pressure

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

PPF增強砂漿作用是通過摩擦力與水泥基體結(jié)合，不同摻量的纖維增強作用在水灰比研究范圍內(nèi)表現(xiàn)出相似的規(guī)律，為便于分析噴射砂漿的沖擊破壞破裂特征，選取PPF體積摻量為1%時具有代表性結(jié)果。應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3 所示，表3為PPF增強砂漿的性能參數(shù)，試件編號第1個數(shù)字表示水灰比，第2個數(shù)字表示PPF的體積摻量，第3個數(shù)字表示沖擊氣壓。

圖3 SHPB試驗中的典型動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Typical dynamical stress-strain curves

圖3a中，隨著沖擊氣壓的增大，各組PPF增強砂漿試件的動彈性模量和峰值應(yīng)力均有提高，而且塑性有相應(yīng)增強，峰值應(yīng)力、極限韌性、極限應(yīng)變均具有顯著的應(yīng)變率效應(yīng)。由圖3a，不同水灰比的PPF增強砂漿的峰值應(yīng)力、極限應(yīng)變均隨著沖擊氣壓的增大而有所提高。在高應(yīng)變率沖擊下，沖擊荷載作用于試件的時間太短，不足以能量累積，而且裂紋擴展滯后于加載速度，導(dǎo)致應(yīng)力提升，同時更多的裂紋產(chǎn)生導(dǎo)致試件變形增大。部分曲線出現(xiàn)短暫的下凹段是應(yīng)力跌落現(xiàn)象[15]。各試件應(yīng)力應(yīng)變曲線均有相似的特征，為了便于分析PPF增強砂漿內(nèi)部能量變化，將選取的部分大小形狀相近的典型應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖3b)分為彈性階段(Ⅰ)、裂隙擴張階段(Ⅱ)、塑性變形階段(Ⅲ)和破壞階段(Ⅳ)進行表征。彈性階段PPF增強砂漿的應(yīng)力和應(yīng)變成正相關(guān)，外力的能量不斷轉(zhuǎn)換為試件的彈性勢能；達到彈性極限應(yīng)力以后， 試件內(nèi)部微破壞開始發(fā)展形成損傷，隨后應(yīng)力隨應(yīng)變增加而緩慢增長進入塑性變形階段，此時曲線呈上凸特征，在這個階段，外力的能量被內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變而耗散；達到屈服應(yīng)力后，應(yīng)力隨著應(yīng)變的微小增加而急劇下降，裂紋貫穿試件發(fā)生破壞。與劉娟紅等[2,22]研究相比，缺少初始壓密階段，這是因為試件在初始階段承載的應(yīng)變率較高，內(nèi)部微裂紋沒有足夠的反應(yīng)時間閉合，直接進入彈性階段(圖3b)。

2.3 水灰比對PPF增強砂漿抗沖擊性能的影響

由表3可以看出，PPF摻量相同時，極限韌性和峰值應(yīng)力均隨著水灰比增大呈增長趨勢，水灰比為0.5的PPF增強砂漿表現(xiàn)出更佳的抗沖擊性能。

表3 PPF增強砂漿的性能參數(shù)Table 3 Performance parameters of PPF reinforced mortars

高水灰比的砂漿由自干燥而產(chǎn)生的孔隙率較高[23]，有助于降低脈沖速度[24]，使得其具有更佳的消波吸能機能。摻入適量的PPF后，PPF均勻分布形成亂向支撐與砂漿協(xié)同作用，能夠緩和裂縫尖端應(yīng)力集中程度，避免因沖擊波阻斷導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象[25]，同時與砂漿間的彎曲摩擦黏結(jié)和握裹摩擦黏結(jié)起到加筋作用，使內(nèi)部形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，在沖擊動載的作用下表現(xiàn)出較好的變形協(xié)調(diào)性。

為進一步研究水灰比對PPF增強砂漿的抗沖擊性能的影響，對3種不同水灰比的PPF增強砂漿極限韌性隨應(yīng)變率變化進行統(tǒng)計整合，如圖4所示。

圖4 試件極限韌性與水灰比關(guān)系Fig.4 Relationship between ultimate toughness and water cement ratio of specimen

在研究范圍內(nèi)，3種不同水灰比試件的極限韌性與應(yīng)變率呈現(xiàn)出較強的率相關(guān)性，并隨著水灰比的增大而增大，低水灰比的PPF增強砂漿的極限韌性較弱，表明其抗沖擊荷載效能較低。夏昌敬等[26]對不同孔隙率的巖石進行SHPB試驗研究，得出在相同沖擊速度下，孔隙率增加會增加反射能，巖石耗散能提高，破壞更加嚴(yán)重，能量耗散與孔隙率密切相關(guān)。與準(zhǔn)靜態(tài)加載相比[27]，沖擊載荷時，加載時間不能滿足破壞沿著薄弱路徑開展的速度需求[16]，強度遠大于PPF增強砂漿極限抗壓強度的應(yīng)力波在接觸試件端面產(chǎn)生反射能，后應(yīng)力波穿過試件在入射桿、試件、透射桿之間循環(huán)傳播，打破試件內(nèi)部應(yīng)力平衡，缺陷和微裂紋被激活并得到擴展，同時吸收更多能量，產(chǎn)生大量新裂紋。而低水灰比的PPF增強砂漿具有更高的致密性，應(yīng)變硬化表現(xiàn)不明顯(圖3a中水灰比為0.3的砂漿試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線斜率較低，并伴隨著較寬的屈服平臺)，在塑性變形階段(Ⅲ)吸能能力較弱，損傷不斷積累導(dǎo)致試件組構(gòu)傳遞荷載能力降低，更容易發(fā)生破壞。

2.4 應(yīng)變率與動態(tài)抗壓強度、極限韌性的關(guān)系

由以上分析可知，PPF增強砂漿的動態(tài)抗壓強度、極限韌性與應(yīng)變率有密切關(guān)系，為進一步探求應(yīng)變率對PPF增強砂漿的增韌效果，建立如圖5所示的動態(tài)抗壓強度、極限韌性與應(yīng)變率關(guān)系。

圖5 動態(tài)抗壓強度、極限韌性與應(yīng)變率關(guān)系Fig.5 Relationship between dynamic compressive strength, ultimate toughness and strain rate

隨著應(yīng)變率的增加，各組試件的動態(tài)抗壓強度和極限韌性均呈遞增趨勢，具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，且可近似線性表示。由圖5a可發(fā)現(xiàn)，PPF增強砂漿的動態(tài)抗壓強度隨著纖維摻量的增加而增大，PPF體積摻量為1.25%時動態(tài)抗壓強度增長趨勢最快，且在高應(yīng)變率載荷下動態(tài)抗壓強度最高，說明PPF體積摻量在1.25%時其應(yīng)變率敏感性強于其他摻量的試件。但是當(dāng)PPF摻量為1%的砂漿組擬合曲線在普通砂漿組下方，即動態(tài)抗壓強度有所降低。

由于砂漿體的各向異性，應(yīng)力波經(jīng)入射桿傳入試件后，在材料的慣性作用下，受力狀態(tài)已不是標(biāo)準(zhǔn)的一維應(yīng)力，試件的側(cè)向應(yīng)變受到限制，使試件近似處于圍壓狀態(tài)，而且應(yīng)變率越高，限制作用越大，因此，動態(tài)抗壓強度和極限韌性具有明顯的應(yīng)變率相關(guān)性。纖維通過握裹摩擦黏聚力和彎曲摩擦黏聚力在砂漿中起到橋接作用，改變裂紋傳播路徑，增加側(cè)向約束，但PPF與砂漿的偶聯(lián)會降低界面強度產(chǎn)生削弱減強作用，尤其在較低摻量時(1%)，出現(xiàn)動態(tài)抗壓強度和極限韌性低于普通砂漿的現(xiàn)象。當(dāng)PPF摻量較低時(1.25%以下)，在低應(yīng)變率下纖維與水泥砂漿結(jié)合薄弱處會產(chǎn)生大量微裂紋，降低纖維增韌阻裂效果[8]，導(dǎo)致動態(tài)抗壓強度較低。PPF增強砂漿效果受纖維在砂漿中的黏結(jié)效果和纖維數(shù)量影響，隨著PPF體積摻量增加，更多錨固在砂漿中的PPF會傳遞開裂應(yīng)力，增強其與水泥砂漿的界面黏結(jié)，動態(tài)抗壓強度和極限韌性均隨之增加。但是，當(dāng)PPF摻量過大時(1.5%或以上)，纖維在砂漿中會因分散不均產(chǎn)生薄弱層，隨著應(yīng)變率的提高，其對砂漿開裂的約束作用逐漸減弱，表現(xiàn)為動態(tài)抗壓強度降低。綜合而言：適當(dāng)體積摻量(1.25%)的PPF會明顯改善水泥砂漿的抗沖擊性能，可以起到更好的保護作用，適用于防護結(jié)構(gòu)。

3 結(jié) 論

1)沖擊壓縮試驗中，PPF增強砂漿試件破碎塊度隨應(yīng)變率增大而減小，有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，PPF有助于改善裂紋傳播路徑、延遲并抑制裂紋的形成和擴展，以軸向劈裂拉伸破壞和剪壓破壞為主。

2)動態(tài)抗壓強度和極限韌性均表現(xiàn)出隨水灰比和平均應(yīng)變率的增加而增長，呈線性相關(guān)性。

3)摻入PPF可以改善砂漿內(nèi)部薄弱區(qū)，1.5%PPF摻量的試件動態(tài)抗壓強度的應(yīng)變率效應(yīng)更強，且在高應(yīng)變率作用下抵抗沖擊荷載的效果最好。