改性高水材料充填支柱尺寸效应及破坏特征分析

王 ,熊祖强,2,苏承东,2

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003；2.煤炭安全生产河南省协同创新中心,河南 焦作 454003)

0 引 言

充填支柱作为一种新型的支护方式，工艺简单、支护强度高、易于采煤机直接切割，能有效控制巷道顶板稳定，可代替木垛、单体支柱等用于井下临时或永久支护，是综采工作面过空巷、回采煤柱经济可行的支护技术[1]。充填支柱一般可分为混凝土充填支柱和高水材料充填支柱。迄今为止，高水材料充填支柱使用最广泛[2-3]。国内外学者从材料和承载性能等方面对高水材料充填支柱进行了大量研究。张印等[4]研究了不同水灰比对高水材料力学特性的影响；文献[5-6]通过聚丙烯纤维改性高水材料力学性能的试验研究发现，纤维改性的高水材料具有较好的承载连续性；文献[7-8]通过高水材料充填支柱单轴压缩试验，从峰值载荷、支柱刚度和残余载荷等方面分析了充填支柱承载性能，上述研究完善了高水材料充填支柱的基础力学特性体系。然而在实际工程应用中，高水材料充填支柱需要根据不同巷道断面的支护需求设计不同高径比，但目前鲜有对于高水材料充填支柱尺寸效应研究的力学试验，缺乏对不同高径比充填支柱承载性能的分析以及关于纤维改性后相关力学特性的对比研究。

鉴于此，通过对比不同高径比改性高水材料充填支柱试样及未改性材料试样的单轴压缩对照试验结果，分析其尺寸效应；通过对比2组试样的破坏过程和破坏后的形貌，分析其破坏特征，最后通过扫描电镜(SEM)对2组试样微观结构的分析，进一步讨论试验结果，以期能为实际工程应用提供一定的理论依据。

1 试验材料及方案

高水材料由A和B两种无机粉体组分构成，主要表现为快凝、早强、高渗透性、结石率高、凝结时间和强度可调等特性。聚丙烯纤维具有良好的阻裂效果，常作为水泥等材料的阻裂添加剂。试验中高水材料充填支柱中添加长度为10 mm，掺量为质量分数0.2%聚丙烯纤维的试样，称为试验组；未添加聚丙烯纤维的支柱试样，称为对照组。

两组高水材料充填支柱试样的水灰比(质量比)均为1.2∶1。浇筑试样时，首先将A和B两种无机粉体按配比称量，然后分别加水搅拌，最后混合搅拌均匀后浇筑入300 mm×300 mm×300 mm的试模中，1 h后脱模并将其置于温度为20 ℃、相对湿度大于95%的标准养护箱内养护7 d。采用密集钻孔取芯，按照直径50 mm，高径比为1∶1～5∶1钻取圆柱试样，两端平行度±0.02 mm，垂直度±0.25°，满足规程[9]要求，每种尺寸3个试样，部分试样如图1所示。

图1 部分试样

2组试样制备完成后，选用RMT150-B电液伺服加载试验系统开展单轴压缩试验。试验采用位移控制的方式，轴向加载速率为0.005 mm/s，垂直方向选用量程100 kN的力传感器；垂直方向用量程5 mm位移传感器测量试样的轴向变形，水平方向用2个量程2.5 mm位移传感器测量试样的横向变形。

2 试验结果分析

2.1 试验结果

表1为2组不同高径比试样的单轴抗压强度及变形参数测定结果，H/D为高径比；RC为单轴抗压强度；MPa;εC为轴向应变峰值，%；EC为弹性模量，GPa；μ为泊松比。

表1 单轴压缩试验结果

续表

由表1可知，随着试样高径比增大，支柱试样的单轴抗压强度及轴向峰值应变逐渐降低，弹性模量逐渐增大。由于试样的泊松比与高径比的关系不明确，因此不用来表征高水材料充填支柱的力学特性。

将上述试验结果整理，对每组高径比试样相同参数结果取平均值，从单轴抗压强度，轴向应变及弹性模量3方面分析改性高水材料充填支柱的尺寸效应和承载性能。

2.2 强度特征

高水材料充填支柱2组试样的单轴抗压强度随高径比增大的变化特征如图2所示。

由图2可得，两组高水材料充填支柱试样单轴抗压强度随着高径比增大逐渐降低，两者之间可以材料对数函数来表征。高水材料充填支柱试样的内部缺陷结构会随着高水材料充填支柱试样高径比增大相对增多，从而导致支柱的峰值强度降低。随着高径比从1∶1～5∶1，RU从14.69 MPa降低至13.20 MPa，RX从16.32 MPa降低至14.56 MPa，2组试样高径比-强度特征曲线呈现相同的变化趋势。改性后高水材料充填支柱强度均大于未改性材料，但相同高径比试样的强度差异不大，即同高径比改性试样的峰值强度RX高于RU约10.78%。

RX、RU—试验组、对照组试样单轴抗压强度；R2—决定系数

2组试样的函数拟合度较高，均符合对数函数特征。随着高径比增大，单轴抗压强度的降低趋势渐平缓，2组试样高径比在大于4∶1后，高径比-强度特征曲线变缓较为明显。

2.3 变形特征

高水材料充填支柱试样的变形特征也随着高径比增大呈现规律性的变化。试样的轴向应变峰值随高径比增大变化特征曲线如图3所示。

由图3可得，高水材料充填支柱轴向应变峰值随着高径比增大逐渐降低，两者之间采用对数函数来表征。高水材料充填支柱轴向峰值应变随着高径比增大而逐渐降低，改性后高水材料充填支柱应变特征呈现相同的变化趋势。随着高径比增大，εU从0.625%降低至0.414%，εX从0.726%降低至0.57%。改性试样轴向峰值应变εX均大于εU，相同高径比εX均高于εU，约28.62%。2组试样高径比大于4∶1后，高径比-应变特征曲线变缓较为明显。

εX、εU—试验组、对照组试样轴向峰值应变

由于单轴抗压强度和轴向峰值应变均随着高径比增大而减小，因此弹性模量也会呈现规律性变化。弹性模量的变化特征曲线如图4所示。

EX、EU—试验组、对照组试样轴向弹性模量

如图4所示，高水材料充填支柱弹性模量随着高径比增大逐渐降低，两者之间采用对数函数表征为。EX与EU具有相同的尺寸效应特征，随着高径比增大，EU从2.37 GPa增大至3.19 GPa，EX从2.28 GPa增大至2.60 GPa，2组试样均呈现相同的变化趋势。同高径比的EX均小于EU，降低约为13.20%，当高径比大于4∶1后弹性模量增长趋势变平缓。

综上可知，改性高水材料充填支柱具有尺寸效应， 单轴抗压强度及轴向峰值应变均随着高径比的增大而减小，弹性模量随着高径比增大而增大，变化特征均符合对数函数变化特征。高径比大于4∶1后，各项力学参数变化趋势减缓；同时改性后高水材料试样的单轴抗压强度提高约10.78%，轴向应变峰值提高约28.62%，具有更好的承载性能。

2.4 破坏特征

2.4.1 应力-应变特征曲线

试样单轴压缩全应力-应变曲线能够反映试样整体从受压直至破坏过程中的力学特性[10-16]。选取同一种高径比的2组试样，对比分析试样的破坏特征。图5为高径比是4∶1两组试样的全应力-应变曲线。

由图5a可知，对照组试样为典型的脆性材料，弹性阶段不明显，应变较小，到达峰值强度后立即破坏，完全失去承载能力；由图5b可知，改性后高水材料充填支柱试样在塑性变形阶段、峰后破坏阶段有较为明显的区别，试验组试样有更为明显的塑性变形阶段，塑性变形区明显，并且在峰值破坏后表现出良好的残余强度。

图5 高径比4∶1试样应力-应变特征曲线

高径比过小时，端部剪切效应会相互叠加，试样均会呈现残余强度，使对比效果不明显。因此选取高径比从3∶1～5∶1部分试样的全应力-应变曲线，对比分析不同高径比两组试样力学性质，如图6所示。

由图6a可知，对照组试样具有明显的尺寸效应，RU与εX均随着高径比增大而减小；试样达到峰值强度后立即失去承载能力，试样不表现残余强度特征。由图6b可知，改性后的试样，也具有明显的尺寸效应，RX和εX均随着高径比增大而减小，且由于试验组试样中的纤维能够阻止高水材料原有微裂隙的扩展，使试样得以保持较好的完整性和连续性，从而表现出较高的残余强度，且高径比越小残余强度越高。

图6 不同高径比试样应力-应变曲线

2.4.2 破坏形貌特征

由支柱试样的全应力-应变曲线分析可知，试验组表现出较对照组更好的塑性特征，峰值应变增大的同时，有良好的残余强度，因此从其破坏形态进一步分析改性后高水材料充填支柱力学性质变化的原因。不同高径比的试样破坏形态如图7所示。

图7 高水材料充填支柱单轴压缩破坏形态

图7a为对照组试样，以“X”—劈裂型剪切组合为主要破坏特征，端部先发生“X”形剪切破坏[17-20]，随着载荷进一步加载，裂隙沿滑裂面发育，最后贯穿整个试样，使端部呈倒圆锥体状；中部块体由于拉伸出现竖向裂隙，形成劈裂破坏，并且随着高径比增大，劈裂特征越明显，裂隙更加发育。

图7d-图7e为试验组试样，支柱试样没有出现贯通性的裂隙，端部仍表现为“X”形的剪切破坏。根据分析可知，由于纤维的联结作用，改性后试样的整体韧性增强，试样在受力过程中裂而不断，从而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一致的。

由上述分析可知，两组试样的破坏类型相同，不受高径比和纤维的影响。纤维的阻裂作用明显，改性试样整体性和连续性增强，试样破坏后块体不会立即彻底分离，改性后高水材料充填支柱的受压稳定性与峰后承载能力显著提高。

3 SEM微观分析

高水材料的微细观结构能侧面反映改性后高水材料充填支柱的力学性能发生变化的原因。对2组试块取样，用导电胶将其固定，同时通过镀金处理增强导电性。制作完成后，采用QuantaFEC-250型场进行扫描电镜(SEM)观测，得出2组试块不同放大倍数下的微观形貌特征。图8为2组试样各放大50倍和1 000倍微观形貌。

图8 对照试验试样材料微观形貌

由图8可知，高水材料内部会有细小的微观裂隙和极少的气孔和缺陷，是由于搅拌过程中少数气体进入导致。针状的钙矾石在空间中呈放射状，晶粒相互搭接形成网状结构形成了高水材材料主要的强度骨架，晶体间充斥着大量的胶状物质。改性后，即掺入纤维后的高水材料微观裂隙减少，只有少量气孔生成，钙矾石生成更加致密。改性后高水材料具有更稳定钙矾石骨架结构，纤维与钙矾石结构体之间的黏聚力，能阻止原有裂隙发育，同时纤维在结石体变形破坏所受牵连拉力，会延缓新裂隙的产生，从而间接地提高了试样强度，使试验组试样具有更高的强度和较大的应变，表现更好的承载性能。

4 结 论

1)改性高水材料充填支柱试样与未改性试样尺寸效应特征一致：随着高径比增大，支柱试样的峰值强度单轴抗压强度、轴向应变峰值逐渐降低，弹性模量逐渐增大。

2)改性高水材料充填支柱试样中的聚丙烯纤维改善了高水材料中钙矾石骨架结构，使试样的承载性能得到提高，单轴抗压强度提高10.78%，轴向应变峰值增大28.62%。两组试样的破坏特征不受高径比和改性纤维的影响，均呈现“X”—劈裂型剪切组合特征。

3)改性后高水材料充填支柱的钙矾石骨架结构更稳定。由于纤维的阻裂效应，延缓了试样原有裂隙及新生裂隙的发育，是间接促进材料强度及应变增长的主要因素，使改性高水材料充填支柱具有较高的受压稳定性和残余强度。