摘要

隨著采礦作業(yè)向地下深部延伸，支護(hù)結(jié)構(gòu)面臨的沖擊載荷日益劇烈，柱式支護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能已成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本研究采用分離式霍普金森壓桿（SplitHopkinsonPressureBar,SHPB）試驗(yàn)裝置結(jié)合掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscopy,SEM），系統(tǒng)探究了水膠比、碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）包裹層數(shù)及應(yīng)變率對(duì)CFRP約束高水材料動(dòng)態(tài)抗壓性能與微觀結(jié)構(gòu)演化的影響規(guī)律。

研究結(jié)果表明：無(wú)約束高水材料試樣的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能具有顯著的應(yīng)變率相關(guān)性，其峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)先升后降的變化趨勢(shì)；水膠比越低，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密，強(qiáng)度表現(xiàn)越優(yōu)異；CFRP約束通過(guò)限制材料側(cè)向變形，可顯著提升高水材料的峰值強(qiáng)度與抗沖擊能力，優(yōu)化其破壞模式，并促進(jìn)更致密水化產(chǎn)物的形成，該約束效應(yīng)能有效緩解高應(yīng)變率下材料的微觀結(jié)構(gòu)損傷。

本研究從宏觀與微觀雙重維度闡明了CFRP對(duì)高水材料的增強(qiáng)機(jī)理，為深部采礦抗沖擊支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論支撐與工程參考。

1.簡(jiǎn)介

隨著淺層煤炭資源日益枯竭，采礦作業(yè)正迅速向深部轉(zhuǎn)移。這一轉(zhuǎn)變導(dǎo)致巖爆事故頻發(fā)，目前已對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)構(gòu)成重大威脅。

當(dāng)前的防治手段以基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)及其他傳感技術(shù)的多參數(shù)前兆識(shí)別系統(tǒng)為主，這類系統(tǒng)通常會(huì)與大直徑鉆孔卸壓等卸壓技術(shù)相結(jié)合，同時(shí)搭配錨網(wǎng)支護(hù)等用于圍巖控制的巷道支護(hù)方式。上述各類技術(shù)共同構(gòu)成了一套集“預(yù)警-卸壓-支護(hù)”于一體的巖爆綜合防治體系。

為進(jìn)一步減輕巖爆造成的破壞，研究人員基于多種不同的加固理念，提出了各類新型吸能支護(hù)系統(tǒng)。

徐等人創(chuàng)新性地引入鋼蜂窩夾芯板作為吸能裝置，以耗散巖爆產(chǎn)生的沖擊能量。張等人研究了巖石-噴射混凝土界面的節(jié)理粗糙度系數(shù)及界面形態(tài)對(duì)巖-混凝土復(fù)合材料動(dòng)態(tài)劈裂性能的影響規(guī)律。范等人針對(duì)煤礦巖爆工況下傳統(tǒng)錨桿的抗沖擊薄弱問(wèn)題，研發(fā)了一種新型膨脹-摩擦復(fù)合吸能錨索，顯著提升了錨桿的抗沖擊性能。

除上述加固技術(shù)外，豎向支護(hù)系統(tǒng)也是地下采礦支護(hù)技術(shù)的核心組成部分。巴徹勒的研究表明，可泵注式柱體支護(hù)的力學(xué)性能受外部約束條件與內(nèi)部填充材料性能的共同影響。在地下礦山支護(hù)領(lǐng)域，高水速凝材料憑借其強(qiáng)親水性、高流動(dòng)性、快凝性及施工便捷性等優(yōu)勢(shì)，已引起廣泛關(guān)注；同時(shí)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料因具有高比強(qiáng)度和優(yōu)異的耐腐蝕性，被研究人員廣泛采用。為解決傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)聚合物（FRP）約束柱體在采礦環(huán)境中難以適應(yīng)大變形的局限性，于等人提出了一種新型復(fù)合柱體結(jié)構(gòu)—以FRP管為外層約束，內(nèi)部填充煤矸石-硫鋁酸鹽基高水膠凝材料。在此基礎(chǔ)上，趙等人進(jìn)一步探究了纖維類型、約束層數(shù)及水膠比對(duì)FRP約束高水材料靜力力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明：FRP在受壓過(guò)程中為材料提供側(cè)向約束，約束效果取決于FRP的類型與厚度，更強(qiáng)的約束作用可同時(shí)提升材料的抗壓強(qiáng)度與變形能力；高水材料的排水特性也有助于其實(shí)現(xiàn)大變形適應(yīng)能力。劉等人通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)?zāi)M側(cè)向約束環(huán)境，系統(tǒng)研究了不同圍壓條件下高水材料的抗壓性能與泌水機(jī)理，結(jié)果顯示：水膠比對(duì)滲流閾值的影響最為顯著，其次是圍壓和養(yǎng)護(hù)時(shí)間；材料受壓過(guò)程先經(jīng)歷緩慢體積收縮，隨后進(jìn)入快速壓縮階段并逐漸致密化；水膠比越低，自由含水量越少，需施加更高圍壓以避免水分遷移引發(fā)的材料損傷。然而，上述研究多聚焦于靜力工況，高應(yīng)變率下該類材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為仍有待深入探究。

眾多學(xué)者已對(duì)纖維增強(qiáng)約束混凝土的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為開(kāi)展了大量研究。楊等人采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗(yàn)裝置，探究了不同芳綸纖維增強(qiáng)聚合物（AFRP）包裹層數(shù)與應(yīng)變率對(duì)混凝土動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響，結(jié)果表明：混凝土動(dòng)態(tài)強(qiáng)度與應(yīng)變率呈正相關(guān)關(guān)系，AFRP約束混凝土的強(qiáng)度與韌性顯著高于無(wú)約束混凝土。熊等人研究了高應(yīng)變率下碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）約束混凝土的抗壓性能，并與無(wú)約束混凝土進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)：無(wú)約束混凝土對(duì)應(yīng)變率高度敏感，強(qiáng)度隨應(yīng)變率增大而提升；約束混凝土的整體強(qiáng)度有所提高，但應(yīng)變率敏感性降低。郭等人基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)建立了FRP約束混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的統(tǒng)一計(jì)算模型，結(jié)果顯示：在特定FRP約束條件下，無(wú)約束與FRP約束混凝土的抗壓強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)應(yīng)變均隨應(yīng)變率增大而提升；且隨著FRP約束比的增加，動(dòng)態(tài)增強(qiáng)系數(shù)也隨之增大，但FRP的約束效應(yīng)在準(zhǔn)靜態(tài)載荷下更為顯著。動(dòng)態(tài)載荷作用下，混凝土可能在FRP約束完全發(fā)揮前即發(fā)生破壞，導(dǎo)致約束比與增強(qiáng)效率呈非線性關(guān)系。江等人發(fā)現(xiàn)FRP約束混凝土在動(dòng)態(tài)壓縮下呈現(xiàn)典型的三階段應(yīng)力-應(yīng)變行為：初始上升段、峰值后下降段及二次上升段。試驗(yàn)驗(yàn)證了該特征，并指出：動(dòng)態(tài)載荷下材料的側(cè)向-軸向應(yīng)變曲線形態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)工況相似，但玄武巖纖維增強(qiáng)聚合物（BFRP）的約束效應(yīng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境中更為突出；應(yīng)變率歷程分析表明，峰值載荷附近軸向與側(cè)向應(yīng)變率變化不同步，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)約束比低于靜態(tài)工況，這也是峰值后強(qiáng)度下降的重要原因。為表征該效應(yīng)，研究引入動(dòng)態(tài)約束比（fl,d/fcd）概念，并提出0.045的閾值以確保約束有效性。盡管上述研究為本課題提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，但纖維增強(qiáng)復(fù)合材料約束高水充填材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為仍缺乏系統(tǒng)研究。

基于此，本研究聚焦CFRP約束高水材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為，通過(guò)一系列分離式霍普金森壓桿（SHPB）沖擊壓縮試驗(yàn)，結(jié)合掃描電子顯微鏡（SEM）微觀分析技術(shù)，對(duì)無(wú)約束與CFRP約束高水材料進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)設(shè)置不同水膠比（1.25、1.5、1.75）、CFRP約束層數(shù)（0層、1層、3層）及應(yīng)變率工況，系統(tǒng)探究了水膠比、約束條件及應(yīng)變率對(duì)CFRP約束高水材料動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)特征的影響規(guī)律。

2試驗(yàn)方案

2.1試驗(yàn)試件

試驗(yàn)試件主要由高水材料、水、粘結(jié)劑及碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）布構(gòu)成。該高水材料由中國(guó)揚(yáng)州中礦新型建材科技有限公司提供，分為A、B兩組分：A組分以鋁酸鈣和硫鋁酸鈣為主要成分，B組分主要由石膏與石灰組成。試件攪拌采用自來(lái)水。

粘結(jié)劑與碳纖維增強(qiáng)聚合物布分別承擔(dān)粘結(jié)與約束作用，二者均由中國(guó)上海漢馬建筑科技有限公司提供。碳纖維增強(qiáng)聚合物的拉伸性能參數(shù)如表1所示。本次試驗(yàn)所用粘結(jié)劑由碳纖維浸漬樹(shù)脂（型號(hào)HM-180C3P，A組分）與結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹(shù)脂（型號(hào)HM-120CP，B組分）按2:1的比例混合配制而成。

表1

如表2所示，本試驗(yàn)共制備41個(gè)圓柱形試件，其中無(wú)約束試件20個(gè)、CFRP約束試件21個(gè)。試驗(yàn)采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置在沖擊壓縮載荷下進(jìn)行，分組設(shè)計(jì)遵循單變量原則。

水膠比（WB）設(shè)置為1.25、1.50、1.75三個(gè)水平，分別標(biāo)記為A、B、C組；CFRP約束層數(shù)分為0層、1層、3層，對(duì)應(yīng)標(biāo)識(shí)為C0、C1、C3；彈速區(qū)間采用“v+區(qū)間下限值”的編碼方式，例如4-5m/s區(qū)間標(biāo)記為v4。每個(gè)試件通過(guò)“水膠比組別-CFRP層數(shù)-彈速區(qū)間”的組合方式進(jìn)行唯一標(biāo)識(shí)，例如試件A-C0-v2表示水膠比1.25、無(wú)CFRP約束、彈速區(qū)間5-6m/s的試件。

表2

試件制備流程如下：按照設(shè)計(jì)配合比分別稱取高水材料A組分、B組分及兩部分拌合水。先將A組分與第一部分水充分?jǐn)嚢杈鶆?，B組分與第二部分水?dāng)嚢杈鶆颍豢紤]到兩組分混合后具有快凝特性，需將兩種漿料迅速混合并立即攪拌，混合完成后快速倒入直徑50mm、高度100mm的圓柱形模具中，形成試件基體。

試件完全凝結(jié)后進(jìn)行脫模，并用保鮮膜包裹進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)3天后，開(kāi)始制備CFRP約束層：裁剪寬度10cm、長(zhǎng)度分別為20cm和52cm的CFRP布，分別用于1層和3層約束；采用預(yù)先配制好的粘結(jié)劑將CFRP布粘貼于試件表面，為防止端部剝離，將CFRP布末端用保鮮膜纏繞固定。待粘結(jié)劑完全固化后，完成初始約束。

根據(jù)GB/T34108-2017標(biāo)準(zhǔn)要求，分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗(yàn)試件的高徑比需控制在0.5~1.0之間。為滿足該試驗(yàn)要求，所有試件均加工至標(biāo)準(zhǔn)尺寸（高度25mm、直徑50mm），以保證試驗(yàn)條件的一致性和試驗(yàn)結(jié)果的可比性。試件制備詳細(xì)流程如圖1所示。

圖1

2.2試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)流程

動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)采用壓桿直徑為50毫米的分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置開(kāi)展，該分離式霍普金森壓桿系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2

此外，高水材料的聲阻抗顯著低于鋼質(zhì)壓桿，導(dǎo)致試件-壓桿界面處產(chǎn)生強(qiáng)烈的波反射現(xiàn)象。這一現(xiàn)象會(huì)縮短有效加載時(shí)間并加速應(yīng)變累積，使得材料在沖擊載荷作用下易發(fā)生快速斷裂，且斷裂往往發(fā)生在應(yīng)力重分布完成之前，進(jìn)而進(jìn)一步提高應(yīng)變率。因此，即便在相同加載速度下，高水材料自身具有的高含水量、結(jié)構(gòu)疏松等固有特性，使其響應(yīng)速度更快，最終達(dá)到的應(yīng)變率水平顯著高于混凝土材料中常見(jiàn)的應(yīng)變率范圍。

2.3基于掃描電子顯微鏡的微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)

為探究高水材料在沖擊載荷作用后的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，研究人員對(duì)分離式霍普金森壓桿動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)后的試件殘余碎片開(kāi)展了掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)。試驗(yàn)從斷裂試件中選取具有代表性的碎片，沿碎片的斷裂面進(jìn)行劈裂或切割處理，以此暴露出適宜觀測(cè)的全新內(nèi)部橫截面。

隨后采用真空濺射鍍膜儀在選定觀測(cè)表面鍍制一層厚度約20納米的金膜，保障觀測(cè)所需的良好導(dǎo)電性。濺射鍍膜時(shí)間至少保持20分鐘，確保形成均勻的導(dǎo)電鍍層。鍍膜完成后，將樣品放入高真空干燥箱內(nèi)抽真空30分鐘以上。完成這套標(biāo)準(zhǔn)的掃描電子顯微鏡樣品制備流程后，再把碎片固定在樣品托上，進(jìn)而開(kāi)展微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)。

3結(jié)論

本研究借助分離式霍普金森壓桿試驗(yàn)裝置，探究了碳纖維增強(qiáng)聚合物約束高水材料在沖擊載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，并系統(tǒng)分析了水膠比、約束層數(shù)與沖擊速度（應(yīng)變率）對(duì)該材料性能的影響。主要結(jié)論如下：

無(wú)約束條件下，高水材料的峰值應(yīng)力具有應(yīng)變率敏感性，其隨應(yīng)變率的升高呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。過(guò)高的應(yīng)變率會(huì)使材料在內(nèi)部應(yīng)力重分布完成前就發(fā)生快速粉碎，進(jìn)而造成強(qiáng)度下降。

水膠比對(duì)材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度影響顯著。水膠比較低（如1.25）時(shí)，水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)更致密，材料的峰值應(yīng)力更高，吸能能力也更強(qiáng)；而水膠比較高（如1.75）時(shí)，材料內(nèi)部易形成多孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其強(qiáng)度與能量耗散能力均有所降低。

對(duì)斷裂碎片的分形維數(shù)分析表明，應(yīng)變率和水膠比的提高均會(huì)加劇材料的破碎程度，使材料的破壞形式從塊狀斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)榉鬯樾云茐摹?/span>

碳纖維增強(qiáng)聚合物約束能有效提升高水材料的抗沖擊性能。增加碳纖維增強(qiáng)聚合物的約束層數(shù)，可提高材料的峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變，抑制材料的側(cè)向膨脹，同時(shí)將材料的破壞形式由嚴(yán)重粉碎轉(zhuǎn)變?yōu)榫植块_(kāi)裂。

受碳纖維增強(qiáng)聚合物約束的高水材料試件，其動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)呈現(xiàn)出獨(dú)特的三階段變化特征，即初始上升階段、下降階段以及二次上升階段。其中二次上升現(xiàn)象，是由于基體開(kāi)裂后碳纖維增強(qiáng)聚合物的約束作用延遲啟動(dòng)所導(dǎo)致的。

在約束條件相同的情況下，水膠比較低的試件可保持較高的峰值應(yīng)力與致密的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，水膠比較高的試件則強(qiáng)度降低但變形量增大。而碳纖維增強(qiáng)聚合物的約束作用，能夠在一定程度上彌補(bǔ)高水膠比引發(fā)的材料強(qiáng)度損失。

掃描電子顯微鏡觀測(cè)結(jié)果顯示，碳纖維增強(qiáng)聚合物約束可促使鈣礬石形貌由松散的纖維狀轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)更致密的棒狀與粒狀，減少材料內(nèi)部孔隙并提高密實(shí)度。與之相反，無(wú)約束試件在高應(yīng)變率作用下，內(nèi)部孔隙大量發(fā)育，水化產(chǎn)物形成的結(jié)構(gòu)骨架也遭到破壞。