聚丙烯纤维高水材料力学性能的试验研究

孙 位 刘长武 吴 帆 刁兆丰 冯 波李晓龙(1.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065；.四川大学-香港理工大学灾后重建与管理学院，四川 成都 610065)

高水速凝材料是20世纪80年代研制成功的一种新型胶凝材料[1]，一般称为高水材料。高水材料由A、B 2组材料配合一定的水混合而成的浆体凝固而成，其中A组材料由铝土矿烧制复合超缓凝剂组成，B组材料由石膏等与复合速凝剂组成，二者以质量比为1∶1比例配合使用[2]。

目前高水材料已成功运用于采空区充填开采。在市场经济条件下，充填开采技术的关键是充填材料的选取及如何降低成本，另外就是充填技术本身，包括充填材料在承受荷载时的力学特性等[3]。近年来在充填开采技术领域，国内外学者对高水材料的力学特性做了许多研究。国内冯光明[4]通过对翟镇矿高水材料沿空留巷巷旁充填矿压的观测与分析，得到巷旁高水材料充填带能满足采面顶板活动规律要求，能有效控制巷旁位移变形。谢辉等[5]运用MTS815测试高水材料变形破坏特征，发现含水率的变化对结石体变形破坏特性影响显著。蒋源等[6]利用不同粒径的骨料对高水材料掺杂改性，发现掺入骨料明显提高高水材料强度。

虽然高水材料作为一种充填开采技术的充填材料有着诸多优点，但是高水材料也存在着强度相对不高、峰后强度迅速下降以及峰后破坏变形较快的缺点，过快的变形不利于采空区上部岩体应力的稳定释放。本项目在研究高水材料的基本物理力学特性的基础之上，结合前人的研究成果，针对高水材料峰后强度不高、峰后破坏变形较大的特性，利用纤维的高伸长率和牵连作用，对高水材料进行掺杂改性研究。

1 试验设计

1.1 试验设计方案

纯高水材料由A、A-A、B、B-B这4种材料按 1∶0.1∶1∶0.04的质量比配合而成，试验采用5∶1固定水灰比，所以试验应保持4种材料质量比和水灰比不变，试验所需高水材料各组分含量如表1所示。

表1 试样材料配比Table 1 The material ratio of sample g

试验所采用的纤维材料为聚丙烯纤维(PP纤维)，该纤维是一种抗酸碱性、高弹模、安全无毒的非连续束状单丝材料，掺量按体积比设置0、0.25%、0.5%、0.75%和1.0%共5个比例，掺杂质量按公式(1)计算获得。

Mpp=ρpp·α·V

(1)

式中，Mpp为掺杂纤维质量，g；ρpp为掺杂纤维密度，g/cm3；α为掺量体积比；V为试样体积，cm3。

设置3、6、12和18 mm共4个纤维长度值，其中掺杂纤维0的试样为纯高水材料，作为对比组。各个长度的纤维材料性质及掺量见表2。

表2 纤维材料性质及掺量Table 2 Properties and dosage of fibrous material

1.2 试样的制作及养护

将A、A-A、水搅拌混合后得到A浆液，B、B-B、水搅拌混合后得到B浆液，将A浆液和B浆液充分搅拌混合，按《水利水电工程岩石试验规程》[7]规定，取试样的高径比约为2∶1，加入纤维掺料后倒入φ50 mm×100 mm的模具中，静置于室内进行养护，24 h后进行脱模标号处理，见图1。将试样置于20 ℃左右的水环境中养护7 d，然后进行试验。

图1 试样脱模标号Fig.1 Stripping and labeling for sample

1.3 加载方式

试验采用ETM104B电子万能试验机(如图2)，该设备具有全数字闭环控制、多通道采集、数据处理准确和操作简单等特点。试验过程采用位移控制，加载速率为3 mm/min。

图2 电子万能试验机Fig.2 Electronic universal testing machine

2 单轴抗压强度变化规律分析

不同的纤维长度、掺量下的试样7 d单轴抗压强度如表3所示。试验结果表明，纤维对试样强度有明显的补强作用。随着掺量的不同，3 mm纤维掺杂下的试样强度增幅为4%～17%；6 mm纤维掺杂下的试样强度增幅为4%～22%；12 mm纤维掺杂下的试样强度增幅为11%～27%；18 mm纤维掺杂下的试样强度增幅为22%～49%。总体上看，随着掺量的变化，试样的7 d单轴抗压强度随之变化。分析表3可知，相同纤维长度下，随着掺量的增加，试样的强度明显增加；相同掺量下，随着纤维长度的增加，试样的强度增加。

分析其原因，一方面高水材料的主要水化物钙矾石为柱状和针状，相互搭接形成空间网状结构，这些结构容易形成空隙和微裂隙，内部充满自由水[8]，掺杂纤维能够阻止高水材料原有微裂隙的扩展；另一方面，高水材料试样在受压时会有新裂纹的产生，而由于纤维与结石体之间的黏结力，同时纤维在结石体变形破坏所受牵连拉力，纤维会延缓新裂隙的产生。由此可见，掺杂纤维试样的强度增加主要是由于纤维的补强效应，即纤维的阻裂效应，减少了裂缝产生和扩展的几率，试件得以保持较好的完整性和连续性，从而间接地促进了试件强度的增长。除此之外，纤维能阻止高水材料浆液在凝固过程中集料的离析沉降，使试样更均匀，导致其受力表现更好。当掺量较低时，纤维对高水材料结石体的包裹不足；当纤维长度较短时，纤维之间的相互缠绕不足。低掺量和短纤维都会导致纤维的阻裂效应不明显，试样均一性更差，故低掺量、短纤维下的掺杂试样强度增加不明显。反之，当掺量较高、纤维较长时，对高水材料结石体的包裹程度较好，纤维的阻裂效应明显增强，试样均一性更好，进而提高试样的强度。但高掺量时，纤维长度越长，纤维自身越容易缠绕成团，越不容易和高水材料浆体均匀混合，越不容易充分包裹高水材料结石体，故在18 mm、1%掺杂下的试样强度相对于18 mm、0.75%掺杂下的试样强度增强不明显，即纤维对试样强度的增幅有限。

表3 养护7 d后的单轴抗压强度Table 3 Uniaxial compressive strength after 7 days of curing

如图3所示，选取掺量0.75%时各纤维长度下的应力—应变曲线为代表，分析纤维对试样的应力—应变曲线关系影响。由图3可以看出，不同纤维长度、相同掺量下的应力—应变曲线相似，试样的破坏特征基本相同，随着荷载增大，试样出现压密阶段、弹性阶段、塑性变形阶段、破坏阶段。可以明显看出，在0.75%的掺量下，随着纤维长度的增长，试样的单轴抗压峰值强度和峰后强度随之增长。更加显著的，纯高水材料的应力—应变曲线在峰后阶段出现了“折线”式下降，而掺杂纤维的试样其峰后阶段的应力—应变曲线变化平缓。这说明掺杂纤维的试样塑性更加良好，体现出一定的塑—蠕变性质。

3 峰后残余强度分析

18 mm纤维掺杂下的应力—应变曲线关系如图4所示，从图4可知，掺杂试样与纯高水试样在塑性变形阶段、峰后破坏阶段有较为明显的区别：掺杂试样有更为明显的塑性变形阶段，随着掺量的增加，试样在应力—应变曲线上塑性变形区增大；在峰后破坏阶段，随着荷载的增加，应变不断增加，而掺杂试样的应力保持比较稳定。这是由于纤维的掺入增加了结石体的联结，增强了试样的整体性，使得试样破裂后高水材料块体不会立即彻底分离，纤维的阻裂效应延缓了裂缝的继续扩展。选取应力—应变曲线中试样破坏后近似水平状态部分对应的强度作为其残余强度值，分析纤维对高水材料的峰后残余强度影响。

图3 0.75%掺杂下的应力—应变关系Fig.3 Stress-strain relationship with addition of 0.75% fiber

图4 18 mm纤维掺杂下的应力—应变关系Fig.4 Stress-strain relationship under addition of 18 mm fiber

不同掺杂情况下，试样的峰后残余强度如图5所示。

图5 峰后残余强度与掺量关系Fig.5 Relationship between post-peak residual strength and fiber content◆—3 mm;■—6 mm;▲—12 mm;●—18 mm

从图5中可知，在掺杂体积比为0.25%时，试样的峰后残余强度提升较少，约为7.2%～17.0%；随着纤维掺量的增加，掺杂试样峰后强度下降的越慢，残余强度随着掺量的增加而增加，且相同掺量下随着纤维长度的增加而增加；结合表3可以看出，试样的残余强度占峰值强度的比值高达65%～84%，且占比随着纤维掺量的增加而显著增加；掺杂3 mm纤维试样残余强度提升约7%～40%，掺杂6 mm纤维试样残余强度提升约10.4%～44.8%，掺杂12 mm纤维试样残余强度提升约13.3%～72%，掺杂18 mm纤维试样残余强度提升约15%～100.7%，可以明显看出纤维越长，掺量越大，试样的残余强度也就越强。究其原因，尽管由于峰后阶段时裂隙较多，纤维抑制新裂隙产生的作用减弱，但是越长、掺量越大的纤维掺杂，纤维抑制高水材料试样裂隙扩展的作用越明显。此时纤维的阻裂作用明显，纤维承受了一部分试样劈裂破坏所产生的拉力，同时纤维抑制集料沉淀的作用也越好，试样均匀性越好，故掺杂试样的残余强度随着掺量和纤维长度大幅提升。

纤维的阻裂效应没有使得试样的破坏形式发生变化(如图6)，试样仍然是以劈裂—“X”型剪切组合破坏为主：在单轴压缩荷载作用下，试样上端先发生“X”型剪切破坏，产生的滑裂面扩展贯穿试样，使试样上端形成倒圆锥体，同时对圆锥体以下部分块体产生拉伸作用，出现竖向裂缝形成劈裂破坏。而由于掺杂纤维对裂缝有搭接牵连作用，抑制了裂缝的扩展，试样在破坏后，高水材料块体并没有完全脱离试样(图6(b))，试样仍然保持较好的完整性。

图6 高水材料在单轴压缩作用下的破坏形式Fig.6 Destruction form of high water material in the uniaxial compression

由图6可知,纯高水材料是一种脆性材料,材料破坏后呈现碎裂的块体,而由于纤维的牵连作用增强了试样的整体韧性，使纤维高水材料试样在受力过程中裂而不断并能进一步承受荷载，使试样保持了较高的峰后残余强度，这和应力—应变曲线所反映的结果是相符的。

4 结 论

(1)纤维并不能增强高水材料的强度，只能补强高水材料试样的强度。掺杂纤维能够阻止高水材料试样原有微裂隙的扩展和延缓新裂隙的产生，补强了高水材料试样的力学特性，使得试样在受力过程中保持较好的完整性，因而高水材料试样能发挥出更好的抗压性能。纤维掺量越多，试样强度越高，纤维越长，试样强度越高。但是由于纤维自身的缠绕成团，纤维对高水材料强度的增强幅度有限。

(2)高水材料在凝固过程中有一定集料的沉淀，造成一定的浆体不均匀，这会影响高水材料试件的力学性能。而掺杂纤维起到了支撑集料的作用，阻止了集料的离析，使浆体更加均匀，试样均一性更好，从而导致其力学性能更好。

(3)纤维并不能改变高水材料试样的破坏形式，掺杂后试样仍然是“X”型剪切—劈裂组合破坏。但是纤维会影响高水材料试样的裂缝扩展，尤其是对劈裂破坏有抑制作用，从而提高了高水材料试样的峰后残余强度。

(4)纤维可以明显提高高水材料试样的峰后整体性和受压稳定性，使得其受压后变形稳定发展，同时纤维高水材料试样又能保持更高更稳定的强度，有利于采空区上部岩体应力的释放，说明纤维高水材料适合做采空区充填体。

[1] 冯 波，刘长武，谢 辉，等．改性高水材料尺寸与形状效应研究[J].工程科学与技术，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] 贾凯军，冯光明．煤矿超高水材料充填开采技术及其展望[J] .煤炭科学与技术，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] 钱鸣高，许家林，廖协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报，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] 冯光明．高水材料巷旁充填矿压观测与研究[J].矿山压力与顶板管理，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] 谢 辉，刘长武．含水率对高水材料结石体变形特性的影响分析[J].四川大学学报：工程科学版，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] 蒋 源，刘长武，谢 辉，等.掺杂改性高水充填体主要物理力学参数测试分析[J].四川大学学报：工程科学版，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] 长江水利委员会长江科学院.SL264—2001 水利水电工程岩石试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，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] 张 印，刘长武，谢 辉，等．水灰比对高水材料力学特性影响的试验研究[J] .工程科学与技术，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.