高水巷旁充填材料單軸壓縮變形破壞與能耗特征分析*

熊祖強 , 劉旭鋒 , 王　成 ,王雨利, 丁子文

(1.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.河南理工大學 材料科學與工程學院，河南 焦作 454000；3.煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454000)

在煤礦開采過程中，采用沿空留巷技術可以實現無煤柱護巷，能夠減少煤柱損失與巷道掘進率，并且可以實現工作面“Y”型通風，從根本上解決了上隅角瓦斯積聚等諸多問題[1]。巷旁支護材料作為沿空留巷技術的關鍵部分，一直是國內外專家學者的研究重點，先后形成了矸石、混凝土、高水材料等多種巷旁支護材料。高水巷旁充填材料(以下簡稱“高水材料”)最初于上世紀70年代末在英國研制成功，并成功應用于沿空留巷工程[2]。我國于上世紀九十年代初也成功研制出多種新型高水材料，以中國礦業大學研發的高水速凝材料為代表[3]。由于高水材料具有結石體增阻速度快、支承能力大，變形性能優良、施工機械化程度高、勞動強度小等一系列優點，目前被廣泛應用于沿空留巷工程中。

針對高水材料的力學性能，許多學者展開了研究。孫恒虎等[4]研究了高水材料強度與變形指標隨齡期及水灰比的變化關系；楊寶貴等[5]研究了高水材料的抗沖擊特性；周華強等[6]研究了不同水灰比高水材料的單軸及三軸壓縮強度特征。顏志平[7]研究了高水材料單軸及三軸壓縮下的變形性能；王秋分[8]研究了鋼管高水材料的短柱軸心受壓力學性能；孫春東等[9]采用自行研制的大尺寸蠕變實驗系統研究了高水材料的蠕變特征。以上綜述成果主要傾向于對高水材料的強度及基本變形性能的研究，受高水材料研究起步相對較晚的制約，當前對高水材料力學性能研究的系統性不足，而且對高水材料破壞及能耗特征的研究鮮有文獻報道。隨著新型切頂技術及裝置的研發與推廣[10]，高水材料沿空留巷工程有望在高瓦斯、易自燃發火及厚煤層礦井中得到進一步推廣應用，因此有必要針對高水材料的力學特性展開系統研究。

1　試驗過程與結果

試驗在中科院武漢巖土力學研究所研制的RMT-301巖石與混凝土力學試驗機上完成。該設備為計算機控制的多功能電液伺服試驗機，其有效測力范圍10～1 500 kN，精度優于0.5%，位移傳感器測量精度優于0.3%，能夠很好滿足試驗要求。本次試驗加載方式采用位移控制，位移速率為0.005 mm/s，采用2支5 mm位移傳感器測量軸向變形。

由于不同水灰比的高水材料力學性能差異較大，結合現場沿空留巷工程實踐，參照MT/T420-1995標準，分別按照1.3∶1，1.5∶1，1.8∶1，2.0∶1，2.3∶1及2.5∶1水灰比制備高水材料雙液料漿，然后將其充分混勻后澆筑入φ50 mm×100 mm的圓柱形試模，待1 h后脫模并將其置于溫度為20℃，相對濕度大于95%的標準養護箱中養護28 d。全部試樣均采用同批次材料配制。各組試樣達到要求齡期后，參照有關標準[11]，用磨石機將試樣端面磨平，端面不平整度小于0.05 mm。

表1為不同水灰比試樣單軸壓縮試驗強度及變形參數測定結果，表中：RC為單軸抗壓強度，Eav，Es和Er分別為彈性模量、割線模量及弱化模量，ε0為峰值應變，相關變形參數在下節解釋說明。由表1可知各指標離散系數較小，其中單軸抗壓強度RC及平均模量Eav離散系數均小于7%，除峰后弱化模量離散系數明顯偏高外，其余各指標離散系數均小于12%，表明各水灰比高水材料的力學性能指標均質性較好，能夠反應水灰比變化對高水材料力學性能的影響。

表1　強度及變形參數試驗結果

2　高水材料的微細觀結構

由于高水材料的微細觀結構關系著試樣的力學性能，因此有必要對其展開相關研究。取高水材料試樣單軸壓縮破壞后的碎塊，用導電膠將其固定并對其鍍金處理以增強導電性。樣品制作完成后，采用QuantaFEG-250型場發射掃描電鏡(SEM)對其進行觀察，圖1即為高水材料試樣在不同放大倍數時的微細觀形貌。

圖2　不同水灰比試樣的全應力-應變曲線Fig.2　Complete stress-strain curves of different cement water ratio samples

圖1(a)為放大500倍下試樣表面的微細觀形貌，由圖示可以清晰看出試樣表面存在氣孔、裂紋及微缺陷。其中氣孔多是由攪拌、澆注過程中引入，孔徑多在0.5 mm以下，呈封閉圓形孔。微缺陷多為未水化的殘留物相或凝膠體干縮形成。這些氣孔或微缺陷處應力集中程度大，往往成為裂紋源。 圖1(b)為放大5 000倍下試樣表面的微觀形貌，由圖中可以看出針柱狀的鈣礬石晶體在空間中呈放射狀析出，晶粒間相互交叉、搭接形成空間網狀結構，構成了材料的強度骨架。與巖石材料微觀結構相比，高水材料空間密實度較差，結構相對疏松，在鈣礬石晶體之間存在較大的間隙，這些間隙多被自由水填充[12]。材料水灰比越大鈣礬石晶體的間隙越大，自由水含量越高，在部分區域自由水蒸發后便形成開放的毛細孔，多由空氣填充。因此，高水材料結石體呈固、液、氣三相構成的多孔海綿狀結構。

圖1　高水材料SEM微細觀形貌Fig.1　SEM microstructure morphology of high-water materials

3　變形特征

單軸壓縮試驗是實驗室常采用的研究材料力學性質的方法，單軸壓縮全應力-應變曲線包含豐富的力學信息，反應了試樣在整個壓縮過程中的強度及變形特性。如圖2中(a)～(f)分別為1.3～2.5∶1水灰比高水材料單軸壓縮全應力-應變曲線，與一般巖石的變形特征相似，高水材料的應力-應變曲線也可大致劃分為壓密階段、線彈性階段、屈服階段以及峰后應變軟化階段。由于高水材料是一種人造復合材料，其內部含有大量的空隙、氣孔及微缺陷。在試樣加載初期，內部孔隙受擠壓逐步密實，應力-應變曲線呈上凹形。隨著荷載增加，材料進入線彈性階段。該階段通常采用彈性模量來描述試樣的變形特性。這里給出平均模量Eav及割線模量Es的測定結果。平均模量Eav又稱為彈性模量，為峰值應力之前應力-應變曲線近似直線段的斜率，試驗系統默認為峰值應力30%與70%兩點割線的斜率。割線模量Es取自試樣峰值應力50%處應力、應變的比值，兩指標均由試驗系統自動獲取。

圖3給出了不同水灰比試樣彈性模量及割線模量與水灰比的關系。從圖3可以看出：材料彈性模量Eav與割線模量Es均隨水灰比的增大而減小，表明在較高的水灰比下材料內部孔隙率較大，大量的孔隙結構使材料受壓后抗變形能力減弱，引發材料變形參數的不斷弱化。通過對數據擬合發現，兩參數與水灰比均呈指數函數關系。通過計算可知各水灰比下材料的彈性模量Eav與割線模量Es的綜合離散系數，分別為0.026和0.061，后者即割線模量的綜合離散系數是前者的2.3倍，離散性相對較大，這可能是由于試樣加載初期壓密階段變形量差異較大所造成的。因此，利用彈性模量更能表征不同水灰比下材料彈性特征。

圖3　試樣彈性模量與割線模量隨水灰比的變化規律Fig.3　Variation of Eav and Es to the sample with cement water ratio

隨著荷載的進一步增加試樣進入屈服階段，此時應力-應變曲線偏離直線，呈現下凹形并逐漸逼近于峰值應力，試樣內部將發生損傷，首先沿應力集中程度較高的孔隙結構處產生微裂紋，引發材料內部結構不斷劣化。隨著荷載的增加，微裂紋逐步貫通，產生不可逆轉的塑性變形。在達到峰值應力后，應力-應變曲線出現短暫的屈服平臺。之后試樣發生應變軟化，產生宏觀裂隙，表現為試樣的承載能力下降，應力-應變曲線開始出現跌落，不同水灰比高水材料的峰后應力-應變曲線差異顯著。取峰后應力-應變曲線近似直線段的斜率定義為弱化模量Er，該指標表征試樣破壞弱化快慢程度[13]，其值越大表明應力跌落速度越快，材料脆性越強，反之則塑性越強。如圖4所示，隨著水灰比增大，試樣的弱化模量呈指數函數關系急劇下降，表明試樣由脆性逐步向延性過渡，水灰比越大，塑性變形能力越強。

圖4　試樣弱化模量隨水灰比的變化規律Fig.4　Variation of Er to the sample with cement water ratio

圖5　試樣單軸壓縮強度隨水灰比的變化規律Fig.5　Strength of uniaxial compression to the samples with cement water ratio variation

4　強度及破壞特征

高水材料的強度是沿空留巷工程中充填墻體參數設計最為關心的指標，圖5為高水材料試樣單軸壓縮強度與水灰比的關系。由圖5可以看出，試樣的單軸壓縮強度隨水灰比的增大而下降，在較高的水灰比情況下，強度下降趨勢有所變緩。通過對試樣單軸壓縮強度與水灰比數據的擬合發現，二者呈高度相關的指數函數關系，關系式為y= 67.974e-1.171x，相關系數R2為0.992 7。

由巖石材料的破壞形態可知，在單軸壓縮情況下，巖樣多呈現與軸向近乎平行的劈裂破壞，文獻[14]將巖樣的破壞方式歸納為單一斷面剪切、端面圓錐張裂等5種形態。與巖樣的破壞形態相似，高水材料的破壞形態也可歸為以上幾種。圖6列舉了部分試樣典型的破壞特征，圖中(a)～(f)分別為1.3～2.5∶1水灰比試樣的破壞形態。由圖6可知高水材料的破壞形態較為復雜，但總體上呈現為低水灰比下的剪脹破壞，高水灰比下的劈裂破壞。隨水灰比的增大，試樣宏觀裂縫數量及寬度逐步減小，破壞后試樣完整性逐漸增強。這可以解釋為試樣在加載過程中吸收能量并積蓄大量的彈性能。低水灰比高水材料的峰值強度、彈性模量較大，脆性較強，吸收較大的能量導致試樣在達到峰值應力后發生快速失穩破壞，并伴隨有尖銳的劈裂聲響，部分塊體發生彈射脫落，致使低水灰比試樣宏觀破壞裂縫數量較多，寬度較大且分布較為復雜。而較高水灰比的材料由于其孔隙率較大，峰值后具有突出的塑性變形能力，吸收的彈性能能夠以塑性變形的方式所耗散，致使試樣在達到較大應變的情況下依然較為完整，宏觀破壞裂縫數量較少且寬度較小。

圖6　高水充填材料單軸壓縮破壞形態Fig.6　Failure states of different cement water ratio high-water materials by uniaxial compression

5　能耗特征

試樣受壓變形破壞的過程，實質上是能量交換過程的反應，試驗機對高水材料試樣施加載荷，試樣吸收外界能量發生變形，一部分用于空隙的壓密，裂紋生成、貫通、屈服、斷裂等，另一部分則用于內部結石體以及孔隙結構的彈性變形，前者是以耗散能的形式所消耗，后者則以彈性應變能的形式儲存于試樣中[15]。當載荷超過材料屈服極限時將引發材料內部裂紋的生成、演化，最終導致試樣發生破壞，承載能力降低。

圖7　試樣水灰比與應變能的關系Fig.7　Relations of strain energy with samples’ cement water ratio

圖7為各組試樣應變能與水灰比的變化關系曲線，從圖中可知隨著水灰比增大，試樣吸收的總應變能及可釋放彈性應變能均呈指數函數關系下降。然而耗散能總體上隨水灰比變化幅度不大，1.3～2.0∶1及2.3～2.5∶1水灰比試樣耗散能基本上處于同一水平，分別約為7.5 kJ/m3，4.0 kJ/m3。從圖8可知，試樣的彈性應變能與總應變能的比值隨水灰比提高呈下降趨勢并逐漸趨近于0.5，二者之間的關系可用冪函數描述。表明在較高的水灰比下，峰值應力前試樣所消耗的能量與儲存的可釋放彈性能所占比重趨于一致。這些現象說明了高水材料的水灰比對能量交換特征有著重要影響。結合材料的微觀形貌與變形破壞特征可知，隨著水灰比的提高，試樣內部的孔隙率增大，致密性減弱。在低水灰比情況下，試驗機對試樣輸入的能量僅有少部分消耗于內部孔隙的壓密及裂紋的生成與貫通，其余大部分主要用于水化結石體的彈性變形，使得試樣的可釋放彈性能比率處于高位，達到峰值時大部分能量瞬間得到釋放，使得試樣宏觀破壞形態較為復雜。在高水灰比情況下，試樣內部孔隙率較大，強度及抗變形能力較低。在試驗機持續加載過程中孔隙結構不斷被擠壓、屈服，試樣耗散應變能比率增大。

圖8　試樣水灰比與應變能比率的關系Fig.8　Relations of strain energy ratio with samples’ cement water ratio

6　結論

1)高水材料試樣存在氣孔、裂紋等微缺陷，其微觀形貌呈現出由針柱狀鈣礬石構成的空間網狀結構，與巖石相比，高水材料結構較為疏松，呈固、液、氣構成的多孔海綿狀結構。

2)高水材料的應力-應變曲線與巖樣相似，也大致可分為壓密階段、線彈性階段、屈服階段以及峰后應變軟化階段，采用彈性模量Eav較割線模量Es更能描述其變形特征，二者隨水灰比提高均呈指數函數關系下降。

3)隨著水灰比提高，高水材料的單軸壓縮強度峰值及峰后弱化模量均呈指數函數關系下降，試樣由脆性破壞逐步過渡到延性破壞。總體上呈現低水灰比下的剪脹破壞，高水灰比下的拉伸破壞。隨水灰比的增大，試樣宏觀裂縫數量及寬度逐步減小，破壞后試樣完整性逐漸增強。

4)隨著水灰比增大，試樣吸收的總應變能及可釋放彈性能均呈指數函數關系下降，耗散能總體上隨水灰比變化幅度不大。試樣彈性應變能比率隨水灰比增大呈冪函數關系下降，逐漸趨近于0.5，表明水灰比對高水材料的能量交換有著重要的影響。

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