玄武巖纖維支護砂漿動態力學性能

王學鵬,王亮,王浩,葛巖

(安徽理工大學土木建筑學院,淮南 232001)

煤炭資源是中國重要的能量來源,但越來越多的礦井面臨嚴峻的深部開采問題[1]。地底深處的礦井處于高應力狀態的圍巖環境中,施工作業時易被破壞[2],對工作人員的生命安全存在巨大威脅,因此需要有效的支護方式防止圍巖破壞[3]。巷道支護常用于對煤炭的開采作業中,對圍巖有著約束變形、改善應力分布、經濟高效的特點,巷道支護主要有錨噴支護、砌碹支護、錨桿支護、注漿支護等[4]。一般的錨噴支護可以滿足淺層圍巖環境的工作要求,但處于深層圍巖環境的支護面臨受沖擊荷載從而崩壞的情況[5],因此深層圍巖環境下的作業對支護有著更高的要求。

為解決支護在沖擊荷載下易破壞的問題,嘗試使用玄武巖纖維(basalt fiber,BF)提高膠凝材料的抗沖擊性。BF是自然界中的玄武巖礦石通過1 450～1 500 ℃高溫加熱、高速拉制等處理后制成的,具有效果很好的耐腐蝕性和耐高溫性,彈性模量大,化學性能穩定等特點[6-7]。BF的耐高溫性可以保證部分在高溫下的作業,同時BF是一種綠色纖維材料,生產技術成熟、成本低[8]。有大量的學者對BF砂漿進行了各種動態力學性能的試驗研究。劉雨姍等[9]發現摻加4 kg/m3的BF與粉煤灰配合可以使混凝土的各項性能達到最佳。Tomasz等[10]發現廢棄的BF可以在混凝土中替代鋼纖維、玻璃纖維等纖維。

材料受到沖擊破壞時,由于沖擊荷載的影響,材料內部會出現裂紋來吸收這股沖擊的能量,當能量過大時,內部的裂紋迅速發展,不斷擴大延伸,最終導致材料被破壞。受到沖擊氣壓的不同,最終產生的碎塊大小及數量等宏觀表現也會不同。沈文峰等[11]發現聚丙烯纖維的摻加會使砂漿的韌性、強度等物理性能一定程度的提高。現將BF摻入支護砂漿中,使用Φ74 mm的霍普金森壓桿,采用0.35、0.45、0.55、0.65 MPa 4種氣壓,對BF砂漿進行沖擊測試,主要分析BF砂漿的動態力學性能,為摻加纖維的支護砂漿的應用提供一定的理論依據。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 原材料

所用水泥為八公山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;BF長度為9 mm,表面呈褐色;試驗用水為淮南市自來水;天然砂來源于淮河河砂,細度模數2.56;硅灰采用高活性硅灰;減水劑采用聚羧酸高效減水劑。

1.2 配合比及制作方法

在以往的學者研究中,為減小沖擊試驗中的慣性效應與摩擦效應的干擾,試塊的長徑比在0.5左右較為適宜[12],故選擇Φ74 mm×37 mm圓餅。BF按砂漿體積摻量0、0.2%、0.4%、0.6%,相應組別編號為BF0、BF0.2、BF0.4、BF0.6。硅灰代替10%水泥。減水劑為膠凝材料質量的1%。砂漿的制備采用砂漿攪拌機,每次干攪3 min,加水后濕攪2 min,出料后人工插搗﹑裝模、震動30 s、抹平,成型靜態抗壓試塊規格為50 mm×50 mm×50 mm立方體;沖擊試塊規格為Φ74 mm×37 mm圓餅。在(23±2) ℃、濕度≥95%的養護室中靜置24 h后脫模,隨后繼續在養護室中養護。立方體試塊在飽和Ca(OH)2溶液中養護,養護齡期3、7、28 d,養護時間到達齡期后,進行單軸抗壓強度測試,每組3個試塊,測試結果取平均值。沖擊所用的圓餅試塊養護齡期為28 d。砂漿具體配比如表1所示。

表1 砂漿配比

1.3 SHPB實驗裝置及試驗方法

1.3.1 SHPB實驗裝置

SHPB裝置為安徽理工大學沖擊動力實驗室變截面SHPB試驗系統,該系統包含數據采集系統、壓桿系統、加載驅動系統。試驗中撞擊桿、入射桿、透射桿均為合金鋼材質,密度為7.8 g/cm3。裝置示意圖如圖1所示。

圖1 霍普金森壓桿裝置圖

(1)

(2)

(3)

式中:εi(t)為t時刻的入射應變;εr(t)為t時刻的反射應變;εt(t)為t時刻的透射應變;l為沖擊試塊厚度,l=37 mm;C為縱波波速,C=5 190 m/s;E為桿件彈性模量,E=210 GPa;A為桿件橫截面積,A=4 299 mm2;As為試塊橫截面積,As=4 299 mm2。

1.3.2 SHPB試驗方法

儀器在試驗前需進行調整,確保撞擊桿與入射桿、透射桿處于同一水平軸上。調整動態電阻應變儀,增益選擇500,橋壓4 V,低通100 kHz。為了解決過大的彌散效應同時削弱波形震蕩的影響[13],將波形整形片貼在入射桿撞擊處,沖擊試塊進行沖擊前需要使用打磨機將試塊兩面打磨平整,端面平整度在0.05 mm 以內,試塊兩端需涂抹適量凡士林,保證試塊與桿件充分接觸并減小摩擦[14]。為確保有應力-應變曲線在多種應變率下的表現,采取0.35、0.45、0.55、0.65 MPa 4種氣壓,每個氣壓4個圓餅試塊進行試驗。由于砂漿的不均勻性,每個試塊都有自己的波形,為了減小不均勻性帶來的誤差,選取動態抗壓強度為中間值的曲線進行應力應變分析。

2 試驗結果與分析

2.1 靜態單軸抗壓強度

靜態單軸抗壓強度結果如圖2所示。BF0砂漿在3、7、28 d靜態抗壓強度分別為20.81、24.92、43.43 MPa。7 d、28 d齡期的BF0.2、BF0.4、BF0.6砂漿呈先上升后下降趨勢。BF0.6砂漿強度有所降低,可能是由于BF摻量過多,在攪拌過程中無法均勻的分散,部分BF與砂漿結團,導致砂漿存在內部缺陷,孔隙率增大。

圖2 單軸抗壓強度

由靜態抗壓強度可知,3 d時,加入BF后的靜態抗壓強度和對照組強度接近。7 d時加入BF的強度高于對照組,0.4%摻量相比對照組高出20.48%。28 d時,加入BF的砂漿強度整體低于對照組的強度,其中0.4%摻量與對照組強度基本持平,0.2%摻量與0.6%摻量的強度低于對照組。這是由于BF可以提高早期強度,但BF對砂漿的長期強度有一定的抑制作用[7]。

2.2 動態應力-應變曲線與破碎特性

三波法計算沖擊所得的電信號數據,得到的應力-應變曲線如圖3所示。應力-應變曲線基本可以分為3個階段:彈性變形階段、屈服階段、破壞階段。試塊在沖擊荷載的作用下沒有明顯的壓實階段。沖擊荷載作用在試塊上的時間僅有0.2 s左右。試塊經過彈性變形階段時,軸向應力與應變呈線性關系,試塊所受到的應力增加,之后進入屈服階段,部分組別曲線出現應力跌落現象,主要是試塊表面不夠平整導致,入射桿先接觸到試塊的不平整表面,試塊破裂從而應力跌落,之后未完全破裂試塊再接觸透射桿,出現應力回升現象。隨著試塊受到應力的增大,內部產生的微裂紋也不斷擴大延伸。當軸向應力達到峰值時,應變繼續增大而應力降低,最終在沖擊荷載的作用下試塊被破壞[15]。試塊的多種力學參數,包括峰值應變、平均應變率、動態增長因子、極限韌性如表2所示。

圖3 應力-應變曲線

表2 各組別動態力學性能

由圖3可知,試塊在沖擊荷載作用下,未達到破壞之前,動態抗壓強度隨應變率的增加而增加。沖擊荷載產生的能量被試塊所吸收,該過程中所吸收的能量大多用于試塊內部微裂紋的產生和發展[16]。試塊所吸收的沖擊能隨應變率的增加而增加,但由于沖擊時間僅0.2 s左右,能量不能瞬間轉移到BF砂漿中。

圓餅試塊破碎后,取有代表性的碎塊,通過掃描電鏡觀察試塊微觀形貌特點,纖維與砂漿裂縫處的形態,如圖4所示。可以看出,BF以嵌入的形式與砂漿結合在一起。在沖擊荷載作用下,部分BF被拔出或拉斷,說明BF能抵消砂漿開裂時的部分拉應力。因此,纖維可以對砂漿產生約束作用,增加砂漿基體的抗開裂性能。纖維表面較為光滑,隨著水泥的水化作用進行,水泥水化產物與BF的相溶性變差[17],砂漿與BF的黏結強度較低,在沖擊荷載作用下,二者存在相對滑移,有利于提高BF砂漿的韌性[18]。

圖4 掃描電鏡照片

圓餅試塊的破碎形態主要為壓碎破壞,圖5為各組別沖擊試驗后的破壞形態圖。試塊的破壞形態:隨著氣壓的增大,裂縫增多;隨著纖維摻量的增加,破碎后的碎塊粒度增大。砂漿試塊受到的沖擊荷載不斷增大,由于無法承受該荷載而開裂。纖維可以在試塊內部形成拉伸作用,較多的BF摻入后,單根BF受到的力相對減小,試塊受到沖擊荷載時,BF更難以被拔出或拉斷,因此試塊破壞后沒有產生過多的碎塊。

圖5 各組BF砂漿試塊在不同氣壓下的破壞形態

2.3 動態抗壓強度

圖6為沖擊試塊峰值應變與極限應變隨應變率變化的直線,在40～100 s-1的應變率范圍內對峰值應變進行線性擬合,得

圖6 峰值應力

(4)

(5)

(6)

(7)

該擬合范圍內,各組別峰值應變與應變率為正相關關系。在相同應變率下,對照組峰值應力最低,試塊的動態抗壓強度隨纖維摻量的增加先增大后減小。在63 s-1之后,BF摻量0.6%時峰值應力最高,相比BF摻量0%的組別,在60 s-1、70 s-1、80 s-1時峰值應力分別提高了6.52%、10.81%、14.11%。BF性質穩定,不影響砂漿內部的水化過程,但BF的拉伸約束作用可以抑制裂縫的產生與發展,因此在相同應變率下,峰值應力隨著纖維摻量增加而增加。BF摻量較少時,擬合直線與對照組的擬合直線接近。0.65 MPa沖擊氣壓的結果中,摻量在0.4%時擁有最大的峰值應力,與靜態抗壓強度結果一致。BF的添加有效地提高砂漿抗沖擊能力,說明BF砂漿擁有成為礦用支護砂漿的潛力。

2.4 極限韌性

極限韌性常用來衡量試塊吸收能量的能力,極限韌性越大表示吸收能量的能力越強,一般計算方法是對應力-應變曲線進行積分[18]。為研究極限韌性的變化規律,在40～90 s-1的范圍內對各組進行擬合,結果如圖7所示。各組極限韌性均隨著應變率的增加而增加,應變率效應顯著。65～75 s-1范圍內,BF0.6砂漿的極限韌性高于對照組,但小于BF0.2砂漿,在65 s-1之后,BF0.6砂漿的極限韌性大于其他各組,說明0.6%摻量的組別韌性較好,與未摻加BF的普通砂漿對比,在受到沖擊荷載時能夠吸收更多的能量。宏觀表現為,在沖擊荷載作用之后,纖維的添加明顯地減少了碎塊數量(圖5)。這是由于纖維在砂漿中起到連接的作用,砂漿受到了約束,纖維抑制了更多的裂縫產生,減弱應力集中效應,消除沖擊荷載帶來的負面影響,說明纖維可以有效地提高砂漿的抗沖擊性。

圖7 極限韌性

2.5 峰值應變

BF砂漿試塊的峰值應變與平均應變率的關系如圖8所示。從圖8可以看出,峰值應變隨著應變率的增大而增大,呈正相關關系,是由于高應變率下的砂漿受到側向限制,側向限制隨應變率的增大而提高[19]。摻入BF后的各組別峰值應變均大于對照組,0.2%、0.4%、0.6% 3種BF摻量的擬合直線近似相同。75 s-1和80 s-1應變率下,BF0.6砂漿的峰值應變相比對照組分別提升17.78%、19.26%;0.65 MPa沖擊氣壓下各組別的峰值應變相比0.45 MPa沖擊氣壓下的峰值應變平均提高15.21%,提升明顯。BF的摻入,使試塊在受到沖擊荷載時,可以達到更大的應變后再被破壞,有效地提升了試塊的韌性,說明摻加BF的砂漿作為支護砂漿時具有更好的保護性。

圖8 峰值應變

2.6 動態增長因子

動態增長因子(dynamic increase factor,DIF)是砂漿試塊動態抗壓強度與靜態單軸抗壓強度的比值,常用于表示單壓試驗中平均應變率與動態抗壓強度之間的關系[20-21]。各組別的DIF與平均應變率的關系如圖9所示。0.6%BF摻量的砂漿比其他組擁有更高的DIF,平均應變率從57.98 s-1到75.52 s-1,DIF由1.20上升到1.66,提升了38.33%。加入BF后,砂漿的DIF增長趨勢與對照組明顯不同。BF的摻量越多,DIF增長率越大,超過臨界應變速率時,DIF的增長更快。與對照組相比,BF0.6砂漿的DIF擁有更高的應變率敏感性,說明0.6%摻量的砂漿擁有更優異的抗沖擊性能。

圖9 動態增長因子

3 結論

(1)水泥砂漿摻入0.4%BF后動態抗壓強度最高提升7.9%。過多的BF會與砂漿結團,靜態單軸抗壓強度有所下降。BF摻量越多,沖擊破壞后形成的碎塊粒度越大。

(2)砂漿中摻入BF后。隨著應變率的增加,其極限韌性、峰值應力、峰值應變均增加。BF摻量0.6%時,應變率65 s-1之后,BF0.6砂漿的極限韌性大于其他各組;80 s-1應變率下,峰值應變相比對照組提升19.26%;應變率從57.98 s-1到75.52 s-1,DIF提升了38.33%。

(3)BF的摻入可提高水泥砂漿的動態抗壓強度,增強水泥砂漿的韌性與抗沖擊性。綜合動態力學性能與靜態抗壓強度分析,認為0.6%BF摻量的效果最優,比普通水泥砂漿更能適合作為支護砂漿。