晶須復合纖維EGC 抗大變形性能研究

張建國，吳 陽，楊戰標，3，丁漢林

（1.煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山467000；2.中國礦業大學 力學與土木工程學院，江蘇 徐州221116；3.中國平煤神馬集團能源化工研究院，河南 平頂山467099）

深部資源開采與工程是未來發展趨勢。在深部地下工程“三高一擾動”的工程環境中，通常伴隨著大變形的特點，對支護結構提出了較高要求[1]。目前，在深部地下工程所使用的絕大部分支護結構與材料，均能適應大變形工況[2]。只有作為噴層材料的混凝土無法適應。因此尋找能夠適應大變形工況的材料替代普通混凝土，更能充分利用圍巖的自承能力并減少災害發生。而隨著材料科學與工程技術的發展，一系列全新的混凝土材料被發現與運用[3]。目前，使用粉煤灰普遍作為普通水泥的摻和料加入[4]。EGC（工程膠結地聚合物）材料能夠適應較大應變。此外EGC 材料也是1 種綠色環保材料，這引起了許多機構對于EGC 研究的重視[5-6]。EGC 是1 種基于微觀機制設計產生的材料，最初由Victor C. Li 等[7]研制。EGC 材料普遍擁有5%以上的拉伸應變能力，能夠表現出應變硬化的特征[8-9]，即在進入塑性后，亦能擁有較高的承載能力。此外，還具備一定自愈性能[10-11]。EGC 除了具有應變硬化的特征外，極限延伸率也較高，故具有較高的吸能特性，也適用于具有沖擊特征的深部地下工程中。但在EGC 材料中，國外已有研究使用的PVA 纖維價格較高[12]，造成EGC的應用范圍和程度受到限制。使用其他纖維或晶須替代PVA 纖維是1 種可行的方向[13-19]。在本研究中，為了適應地下工程的特點，使用的材料除了水，均為粉末與固體材料；加入了CaSO4晶須替代EGC 中的部分PVA 纖維；結合鄆城煤礦回風巷工況，模擬了不同支護材料時的收斂情況。

1 微觀作用機制與試驗設計

1.1 材料的微觀作用機理

纖維與基質之間的作用存在2 個準則：強度準則與能量準則。

1）強度準則假設纖維的最大橋接能力為σ0，基質產生新裂縫的開裂強度為σfc，要求基質產生新裂縫的開裂強度σfc必須小于每個潛在裂縫面上的最大纖維橋接能力σ0。對于滿足此準則的材料而言，當受力發生變形時，材料表面將會產生大量寬度小于100 μm 的微裂隙。該準則的標準表達式為：

2）能量準則重點在于解決裂縫開展與纖維承受應力時破壞的方式。在纖維滿足橋接條件的情況下，界面斷裂能的合適范圍應該在1.5 J/m2左右[20]。此準則提供了穩態開裂判據。基于對穩態裂紋的韌性積分分析，即裂紋尖端韌性Jtip應該小于由曲線計算出的裂紋擴展所需能量Jb′，如式(2)和式(3)。

式中：σ0為最大纖維橋接能力；δ0為σ0對應的裂縫寬度；σss為穩態開裂應力；δss為σss對應的裂縫寬度；Jtip為裂紋尖端韌性；Jb′為纖維橋接余能。

1.2 原料選擇與配比比例

在試驗中，使用原材料包括F 級粉煤灰、S140礦渣、無水Na2SiO3、水、CaSO4晶須以及PVA 纖維。其中，無水Na2SiO3模數為1.35～1.45。PVA 纖維為國產PVA 纖維，價格為50 元/kg，較普遍使用的日本油封纖維價格低60%。

1）CaSO4晶須力學參數。①長度：6 μm；②直徑：39 μm；③密度：1.30 g/cm3；④抗拉強度：1.5 GPa；⑤模量：37 GPa。

2）PVA 纖維力學參數。①長度：10～200 μm；②直徑：1～4 μm；③密度：2.69 g/cm3；④抗拉強度：20.5 GPa；⑤模量：170 GPa。

3）粉煤灰成分及性能參數。①密度：2.43 g/cm3；②比表面積：360.00 m2；③燒矢量：2.34 %；④CaO含量：4.012%；⑤SiO2含量：53.968%；⑥Al2O3含量：31.148%；⑦Fe2O3含量：4.160%；⑧TiO2含量：1.133%；⑨K2O 含量：2.035%；⑩MgO 含量：1.011%。

4）礦渣成分及性能參數。①密度：3.20 g/cm3；②比表面積：810.00 m2；③燒矢量：0.80 %；④28 d 活性指數：141.00%；⑤流動度比：113.00%；⑥含水量：0.30 %；⑦Cl－含量：0.03%；⑧玻璃體含量：94.00 %。

已有研究表明[21]，相同材料下適宜的纖維摻量為2.0%。為了降低成本，使用1.5%體積的晶須替代部分纖維，使纖維摻量降至1.5%。分別設計F-1.5-0 組及F-1.5-1.50 組，以對比在降低纖維摻量的情況下材料性能的變化，EGC 混合比例見表1。

表1 EGC 混合比例Table 1 The mixing ratio of EGCs

表1 中，纖維與晶須為其各自體積與材料總體積之比，其余組分為各組分質量與膠凝材料總質量之比。

1.3 試件尺寸與測試

單軸抗壓試件尺寸為50 mm×50 mm×50 mm；四點彎曲尺寸為75 mm×10 mm×200 mm。當養護完成后，使用YNS2000 電液伺服萬能試驗機進行壓縮與四點彎曲試驗。測試系統與試件測試如圖1。

壓縮試件的破壞形式為延性破壞，并未出現碎渣飛濺的情況。四點彎曲試件均能表現出多微裂縫發展與較大的應變能力。

加入晶須后試件的彎曲性能如圖2，加入適量CaSO4晶須后，材料彎曲性能明顯提升，離散程度明顯降低。通過試驗，能夠得到材料的壓縮以及拉伸特性，EGC 材料本構如圖3。

圖1 測試系統與測試過程Fig.1 Test system and test process

圖2 加入晶須后試件的彎曲性能Fig.2 Bending properties of specimens after adding whiskers

圖3 EGC 材料本構Fig.3 The constitutive model of EGC material

2 模型模擬

1）工程背景。以鄆城煤礦回風巷作為工程背景。回風巷設計掘進尺寸寬×高=5.1 m×4.35 m。巷道掘進初期圍巖完整，后圍巖經風化崩解發生頂板開裂，造成片幫、冒頂等事故。

2）模型建立。地應力測量結果表明，該巷道所處位置水平主應力為33.4 MPa，與巷道走向夾角50°，豎直方向應力20 MPa。使用COMSOLMultiphysics 建立了巷道的模擬模型。對模型施加橫向應力25 MPa，豎向應力20 MPa。圍巖使用D-P 準則，根據現場實測結果，對巷道周圍不同深度圍巖的黏聚力進行不同賦值，深部圍巖黏聚力變化見表2。

表2 深部圍巖黏聚力變化Table 2 Table of changes in cohesion of deep surrounding rock

3 結果與討論

1）建立的模型在原條件下的收斂情況如圖4。其中，底鼓值為82 mm，與現場實測值80 mm 相近；兩幫收斂值為51 mm，略小于現場實測值58 mm；頂板下沉值為47 mm，與現場實測值3 mm 差別較大。頂板下沉的模擬值與現場實測差別與現場測點的分布以及地層間不均勻性有關。底鼓以及兩幫收斂與實測值均相近的情況下，可以認為模型中材料參數的選擇符合工程情況。

圖4 使用普通混凝土時收斂云圖Fig.4 Convergent cloud map when using ordinary concrete

2）在這種情況下，所得到的平均應變最大值分別為3.4%與3.7%，分別出現在直墻底與拱頂處。這表明在直墻底與拱頂處的噴層混凝土，極易由于無法滿足巷道應變要求而發生碎裂，導致圍巖暴露風化，從而易發生片幫與冒頂事故。

3）針對這種情況，模擬了3 種面層支護條件下，巷道內表面的收斂值。分別為：U 型鋼與普通混凝土、ECC 混凝土支護以及EGC 材料支護。其中，U 型鋼使用29U 型鋼，排距1 m。不同支護作用時巷道收斂對比結果如圖5。

圖5 不同支護作用時巷道收斂對比Fig.5 Comparison of roadway convergence in different support actions

模擬結果表明，在使用U 型鋼與普通混凝土、ECC 混凝土支護以及EGC 材料支護，3 種支護情況下，巷道收斂值均明顯降低。在使用U 型鋼與普通混凝土支護時，在U 型鋼支護處，巷道收斂值較小。但是在U 型鋼支護附近收斂值明顯上升，在0.1 m外變平緩。這表明在U 型鋼附近，面層應變較大，這將導致U 型鋼附近的混凝土易發生碎裂破壞。此外，即使使用了U 型鋼與普通混凝土支護，巷道內表面應變下降并不明顯，普通混凝土在直墻底與拱頂依然易發生破壞。

4）雖然使用EGC 材料作為面層支護材料時，巷道內表面收斂值的下降并不明顯，但是所配置EGC材料擁有5.06%的拉伸應變能力，以及4.00%以上的壓縮應變能力。這使得EGC 材料完全能夠適應該工況而不發生破壞。并且，EGC 材料在進入塑性強化階段時，所產生的裂紋小于100 um 使得面層支護對圍巖的封閉性明顯提高，可以有效降低圍巖的風化作用，減少因圍巖風化所導致的片幫、冒頂等事故。此外，使用EGC 材料作為面層支護時，材料進入塑性強化段后能夠完全適應較大應變，減少了因為噴層混凝土損壞所導致的返修，可以增加巷道支護的耐久性、降低維護成本。

4 結 論

對使用CaSO4晶須替代部分纖維的EGC 材料進行力學性能測試，得到了改性后EGC 材料本構，代入到基于現場工況與監測數據所建立的數值模型中，分析了使用EGC 材料作為噴層支護時的特性。

1）EGC 拉伸應變能力較普通混凝土更高，能量吸收能力更強。

2）直墻底與拱頂應變較大，該處噴層混凝土更易發生破壞，從而導致片幫、冒頂等事故。

3）U 型鋼與普通混凝土支護對收斂控制效果不明顯，此外U 型鋼附近混凝土也易破壞。

4）EGC 材料能夠適應大變形工況，使用EGC 材料能夠起到保護圍巖、提高支護的耐久性并降低維護成本等作用。