聚丙烯纖維高水材料力學性能的試驗研究

孫 位 劉長武 吳 帆 刁兆豐 馮 波李曉龍(1.水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，四川 成都 610065；2.四川大學水利水電學院，四川 成都 610065；.四川大學-香港理工大學災后重建與管理學院，四川 成都 610065)

高水速凝材料是20世紀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合超緩凝劑組成，B組材料由石膏等與復合速凝劑組成，二者以質量比為1∶1比例配合使用[2]。

目前高水材料已成功運用于采空區充填開采。在市場經濟條件下，充填開采技術的關鍵是充填材料的選取及如何降低成本，另外就是充填技術本身，包括充填材料在承受荷載時的力學特性等[3]。近年來在充填開采技術領域，國內外學者對高水材料的力學特性做了許多研究。國內馮光明[4]通過對翟鎮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律要求，能有效控制巷旁位移變形。謝輝等[5]運用MTS815測試高水材料變形破壞特征，發現含水率的變化對結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，發現摻入骨料明顯提高高水材料強度。

雖然高水材料作為一種充填開采技術的充填材料有著諸多優點，但是高水材料也存在著強度相對不高、峰后強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上部巖體應力的穩定釋放。本項目在研究高水材料的基本物理力學特性的基礎之上，結合前人的研究成果，針對高水材料峰后強度不高、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，對高水材料進行摻雜改性研究。

1 試驗設計

1.1 試驗設計方案

純高水材料由A、A-A、B、B-B這4種材料按 1∶0.1∶1∶0.04的質量比配合而成，試驗采用5∶1固定水灰比，所以試驗應保持4種材料質量比和水灰比不變，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、安全無毒的非連續束狀單絲材料，摻量按體積比設置0、0.25%、0.5%、0.75%和1.0%共5個比例，摻雜質量按公式(1)計算獲得。

Mpp=ρpp·α·V

(1)

式中，Mpp為摻雜纖維質量，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及摻量見表2。

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

1.2 試樣的制作及養護

將A、A-A、水攪拌混合后得到A漿液，B、B-B、水攪拌混合后得到B漿液，將A漿液和B漿液充分攪拌混合，按《水利水電工程巖石試驗規程》[7]規定，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，靜置于室內進行養護，24 h后進行脫模標號處理，見圖1。將試樣置于20 ℃左右的水環境中養護7 d，然后進行試驗。

圖1 試樣脫模標號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(如圖2)，該設備具有全數字閉環控制、多通道采集、數據處理準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Fig.2 Electronic universal testing machine

2 單軸抗壓強度變化規律分析

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

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狀結構，這些結構容易形成空隙和微裂隙，內部充滿自由水[8]，摻雜纖維能夠阻止高水材料原有微裂隙的擴展；另一方面，高水材料試樣在受壓時會有新裂紋的產生，而由于纖維與結石體之間的黏結力，同時纖維在結石體變形破壞所受牽連拉力，纖維會延緩新裂隙的產生。由此可見，摻雜纖維試樣的強度增加主要是由于纖維的補強效應，即纖維的阻裂效應，減少了裂縫產生和擴展的幾率，試件得以保持較好的完整性和連續性，從而間接地促進了試件強度的增長。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，導致其受力表現更好。當摻量較低時，纖維對高水材料結石體的包裹不足；當纖維長度較短時，纖維之間的相互纏繞不足。低摻量和短纖維都會導致纖維的阻裂效應不明顯，試樣均一性更差，故低摻量、短纖維下的摻雜試樣強度增加不明顯。反之，當摻量較高、纖維較長時，對高水材料結石體的包裹程度較好，纖維的阻裂效應明顯增強，試樣均一性更好，進而提高試樣的強度。但高摻量時，纖維長度越長，纖維自身越容易纏繞成團，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石體，故在18 mm、1%摻雜下的試樣強度相對于18 mm、0.75%摻雜下的試樣強度增強不明顯，即纖維對試樣強度的增幅有限。

表3 養護7 d后的單軸抗壓強度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力—應變曲線為代表，分析纖維對試樣的應力—應變曲線關系影響。由圖3可以看出，不同纖維長度、相同摻量下的應力—應變曲線相似，試樣的破壞特征基本相同，隨著荷載增大，試樣出現壓密階段、彈性階段、塑性變形階段、破壞階段。可以明顯看出，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度和峰后強度隨之增長。更加顯著的，純高水材料的應力—應變曲線在峰后階段出現了“折線”式下降，而摻雜纖維的試樣其峰后階段的應力—應變曲線變化平緩。這說明摻雜纖維的試樣塑性更加良好，體現出一定的塑—蠕變性質。

3 峰后殘余強度分析

18 mm纖維摻雜下的應力—應變曲線關系如圖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，試樣在應力—應變曲線上塑性變形區增大；在峰后破壞階段，隨著荷載的增加，應變不斷增加，而摻雜試樣的應力保持比較穩定。這是由于纖維的摻入增加了結石體的聯結，增強了試樣的整體性，使得試樣破裂后高水材料塊體不會立即徹底分離，纖維的阻裂效應延緩了裂縫的繼續擴展。選取應力—應變曲線中試樣破壞后近似水平狀態部分對應的強度作為其殘余強度值，分析纖維對高水材料的峰后殘余強度影響。

圖3 0.75%摻雜下的應力—應變關系Fig.3 Stress-strain relationship with addition of 0.75% fiber

圖4 18 mm纖維摻雜下的應力—應變關系Fig.4 Stress-strain relationship under addition of 18 mm fiber

不同摻雜情況下，試樣的峰后殘余強度如圖5所示。

圖5 峰后殘余強度與摻量關系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，摻雜試樣峰后強度下降的越慢，殘余強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；結合表3可以看出，試樣的殘余強度占峰值強度的比值高達65%～84%，且占比隨著纖維摻量的增加而顯著增加；摻雜3 mm纖維試樣殘余強度提升約7%～40%，摻雜6 mm纖維試樣殘余強度提升約10.4%～44.8%，摻雜12 mm纖維試樣殘余強度提升約13.3%～72%，摻雜18 mm纖維試樣殘余強度提升約15%～100.7%，可以明顯看出纖維越長，摻量越大，試樣的殘余強度也就越強。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度隨著摻量和纖維長度大幅提升。

纖維的阻裂效應沒有使得試樣的破壞形式發生變化(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，試樣上端先發生“X”型剪切破壞，產生的滑裂面擴展貫穿試樣，使試樣上端形成倒圓錐體，同時對圓錐體以下部分塊體產生拉伸作用，出現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,材料破壞后呈現碎裂的塊體,而由于纖維的牽連作用增強了試樣的整體韌性，使纖維高水材料試樣在受力過程中裂而不斷并能進一步承受荷載，使試樣保持了較高的峰后殘余強度，這和應力—應變曲線所反映的結果是相符的。

4 結 論

(1)纖維并不能增強高水材料的強度，只能補強高水材料試樣的強度。摻雜纖維能夠阻止高水材料試樣原有微裂隙的擴展和延緩新裂隙的產生，補強了高水材料試樣的力學特性，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揮出更好的抗壓性能。纖維摻量越多，試樣強度越高，纖維越長，試樣強度越高。但是由于纖維自身的纏繞成團，纖維對高水材料強度的增強幅度有限。

(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，使漿體更加均勻，試樣均一性更好，從而導致其力學性能更好。

(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定性，使得其受壓后變形穩定發展，同時纖維高水材料試樣又能保持更高更穩定的強度，有利于采空區上部巖體應力的釋放，說明纖維高水材料適合做采空區充填體。

[1] 馮 波，劉長武，謝 輝，等．改性高水材料尺寸與形狀效應研究[J].工程科學與技術，2017，49(S2)：121-127．

Feng Bo,Liu Changwu,Xie Hui，et al.Experimental study on the size and the shape of high-water-content material that modified[J].Advanced Engineering Sciences，2017,49(S2):121-127.

[2] 賈凱軍，馮光明．煤礦超高水材料充填開采技術及其展望[J] .煤炭科學與技術，2012，40(11)：6-9．

Jia Kaijun,Feng Guangming.Backfill mining technology with high water[J].Coal Science and Technology,2012,40(11):6-9.

[3] 錢鳴高，許家林，廖協興.煤礦綠色開采技術[J].中國礦業大學學報，2003，32(4)：343-348．

Qian Minggao,Xu Jialin,Liao Xiexing.Green mining technology in coal mine[J].Journal of China University of Mining & Technology,2003,32(4):343-348.

[4] 馮光明．高水材料巷旁充填礦壓觀測與研究[J].礦山壓力與頂板管理，1998(4)：13-16．

Feng Guangming.Observation and study on roadway filling pressure of high water material[J].Ground Pressure and Strata Control,1998(4):13-16.

[5] 謝 輝，劉長武．含水率對高水材料結石體變形特性的影響分析[J].四川大學學報：工程科學版，2013，45(S1)：1-6．

Xie Hui,Liu Changwu.Analysis on influence of moisture content on deformation characteristics of the high-water-content material stone [J].Journal of Sichuan University：Engineering Science Edition,2013,45(S1):1-6.

[6] 蔣 源，劉長武，謝 輝，等.摻雜改性高水充填體主要物理力學參數測試分析[J].四川大學學報：工程科學版，2015，47(S1)：65-69．

Jiang Yuan,Liu Changwu,Xie Hui，et al.Test and analysis of main physical and mechanical parameters of modified high-water-concretion[J].Journal of Sichuan University：Engineering Science Edition,2015,47(S1):65-69.

[7] 長江水利委員會長江科學院.SL264—2001 水利水電工程巖石試驗規程[S].北京：中國水利水電出版社，2001.

Yangtze River Water Resources Commission，Yangtze River Scientific Institute.SL264—2001 Specifications for Rock Tests in Water Conservancy and Hydroelectric Engineering[S].Beijing：China Water & Power Press,2001.

[8] 張 印，劉長武，謝 輝，等．水灰比對高水材料力學特性影響的試驗研究[J] .工程科學與技術，2017，49(S2)：113-120．

Zhang Yin,Liu Changwu,Xie Hui，et al.Experimental research on influence of water cement ratio on mechanical characteristics of the high-water-content material[J].Advanced Engineering Sciences,2017,49(S2):113-120.