玄武岩纤维支护砂浆动态力学性能

王学鹏,王亮,王浩,葛岩

(安徽理工大学土木建筑学院,淮南 232001)

煤炭资源是中国重要的能量来源,但越来越多的矿井面临严峻的深部开采问题[1]。地底深处的矿井处于高应力状态的围岩环境中,施工作业时易被破坏[2],对工作人员的生命安全存在巨大威胁,因此需要有效的支护方式防止围岩破坏[3]。巷道支护常用于对煤炭的开采作业中,对围岩有着约束变形、改善应力分布、经济高效的特点,巷道支护主要有锚喷支护、砌碹支护、锚杆支护、注浆支护等[4]。一般的锚喷支护可以满足浅层围岩环境的工作要求,但处于深层围岩环境的支护面临受冲击荷载从而崩坏的情况[5],因此深层围岩环境下的作业对支护有着更高的要求。

为解决支护在冲击荷载下易破坏的问题,尝试使用玄武岩纤维(basalt fiber,BF)提高胶凝材料的抗冲击性。BF是自然界中的玄武岩矿石通过1 450～1 500 ℃高温加热、高速拉制等处理后制成的,具有效果很好的耐腐蚀性和耐高温性,弹性模量大,化学性能稳定等特点[6-7]。BF的耐高温性可以保证部分在高温下的作业,同时BF是一种绿色纤维材料,生产技术成熟、成本低[8]。有大量的学者对BF砂浆进行了各种动态力学性能的试验研究。刘雨姗等[9]发现掺加4 kg/m3的BF与粉煤灰配合可以使混凝土的各项性能达到最佳。Tomasz等[10]发现废弃的BF可以在混凝土中替代钢纤维、玻璃纤维等纤维。

材料受到冲击破坏时,由于冲击荷载的影响,材料内部会出现裂纹来吸收这股冲击的能量,当能量过大时,内部的裂纹迅速发展,不断扩大延伸,最终导致材料被破坏。受到冲击气压的不同,最终产生的碎块大小及数量等宏观表现也会不同。沈文峰等[11]发现聚丙烯纤维的掺加会使砂浆的韧性、强度等物理性能一定程度的提高。现将BF掺入支护砂浆中,使用Φ74 mm的霍普金森压杆,采用0.35、0.45、0.55、0.65 MPa 4种气压,对BF砂浆进行冲击测试,主要分析BF砂浆的动态力学性能,为掺加纤维的支护砂浆的应用提供一定的理论依据。

1 试样制备与试验方法

1.1 原材料

所用水泥为八公山牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥;BF长度为9 mm,表面呈褐色;试验用水为淮南市自来水;天然砂来源于淮河河砂,细度模数2.56;硅灰采用高活性硅灰;减水剂采用聚羧酸高效减水剂。

1.2 配合比及制作方法

在以往的学者研究中,为减小冲击试验中的惯性效应与摩擦效应的干扰,试块的长径比在0.5左右较为适宜[12],故选择Φ74 mm×37 mm圆饼。BF按砂浆体积掺量0、0.2%、0.4%、0.6%,相应组别编号为BF0、BF0.2、BF0.4、BF0.6。硅灰代替10%水泥。减水剂为胶凝材料质量的1%。砂浆的制备采用砂浆搅拌机,每次干搅3 min,加水后湿搅2 min,出料后人工插捣﹑装模、震动30 s、抹平,成型静态抗压试块规格为50 mm×50 mm×50 mm立方体;冲击试块规格为Φ74 mm×37 mm圆饼。在(23±2) ℃、湿度≥95%的养护室中静置24 h后脱模,随后继续在养护室中养护。立方体试块在饱和Ca(OH)2溶液中养护,养护龄期3、7、28 d,养护时间到达龄期后,进行单轴抗压强度测试,每组3个试块,测试结果取平均值。冲击所用的圆饼试块养护龄期为28 d。砂浆具体配比如表1所示。

表1 砂浆配比

1.3 SHPB实验装置及试验方法

1.3.1 SHPB实验装置

SHPB装置为安徽理工大学冲击动力实验室变截面SHPB试验系统,该系统包含数据采集系统、压杆系统、加载驱动系统。试验中撞击杆、入射杆、透射杆均为合金钢材质,密度为7.8 g/cm3。装置示意图如图1所示。

图1 霍普金森压杆装置图

(1)

(2)

(3)

式中:εi(t)为t时刻的入射应变;εr(t)为t时刻的反射应变;εt(t)为t时刻的透射应变;l为冲击试块厚度,l=37 mm;C为纵波波速,C=5 190 m/s;E为杆件弹性模量,E=210 GPa;A为杆件横截面积,A=4 299 mm2;As为试块横截面积,As=4 299 mm2。

1.3.2 SHPB试验方法

仪器在试验前需进行调整,确保撞击杆与入射杆、透射杆处于同一水平轴上。调整动态电阻应变仪,增益选择500,桥压4 V,低通100 kHz。为了解决过大的弥散效应同时削弱波形震荡的影响[13],将波形整形片贴在入射杆撞击处,冲击试块进行冲击前需要使用打磨机将试块两面打磨平整,端面平整度在0.05 mm 以内,试块两端需涂抹适量凡士林,保证试块与杆件充分接触并减小摩擦[14]。为确保有应力-应变曲线在多种应变率下的表现,采取0.35、0.45、0.55、0.65 MPa 4种气压,每个气压4个圆饼试块进行试验。由于砂浆的不均匀性,每个试块都有自己的波形,为了减小不均匀性带来的误差,选取动态抗压强度为中间值的曲线进行应力应变分析。

2 试验结果与分析

2.1 静态单轴抗压强度

静态单轴抗压强度结果如图2所示。BF0砂浆在3、7、28 d静态抗压强度分别为20.81、24.92、43.43 MPa。7 d、28 d龄期的BF0.2、BF0.4、BF0.6砂浆呈先上升后下降趋势。BF0.6砂浆强度有所降低,可能是由于BF掺量过多,在搅拌过程中无法均匀的分散,部分BF与砂浆结团,导致砂浆存在内部缺陷,孔隙率增大。

图2 单轴抗压强度

由静态抗压强度可知,3 d时,加入BF后的静态抗压强度和对照组强度接近。7 d时加入BF的强度高于对照组,0.4%掺量相比对照组高出20.48%。28 d时,加入BF的砂浆强度整体低于对照组的强度,其中0.4%掺量与对照组强度基本持平,0.2%掺量与0.6%掺量的强度低于对照组。这是由于BF可以提高早期强度,但BF对砂浆的长期强度有一定的抑制作用[7]。

2.2 动态应力-应变曲线与破碎特性

三波法计算冲击所得的电信号数据,得到的应力-应变曲线如图3所示。应力-应变曲线基本可以分为3个阶段:弹性变形阶段、屈服阶段、破坏阶段。试块在冲击荷载的作用下没有明显的压实阶段。冲击荷载作用在试块上的时间仅有0.2 s左右。试块经过弹性变形阶段时,轴向应力与应变呈线性关系,试块所受到的应力增加,之后进入屈服阶段,部分组别曲线出现应力跌落现象,主要是试块表面不够平整导致,入射杆先接触到试块的不平整表面,试块破裂从而应力跌落,之后未完全破裂试块再接触透射杆,出现应力回升现象。随着试块受到应力的增大,内部产生的微裂纹也不断扩大延伸。当轴向应力达到峰值时,应变继续增大而应力降低,最终在冲击荷载的作用下试块被破坏[15]。试块的多种力学参数,包括峰值应变、平均应变率、动态增长因子、极限韧性如表2所示。

图3 应力-应变曲线

表2 各组别动态力学性能

由图3可知,试块在冲击荷载作用下,未达到破坏之前,动态抗压强度随应变率的增加而增加。冲击荷载产生的能量被试块所吸收,该过程中所吸收的能量大多用于试块内部微裂纹的产生和发展[16]。试块所吸收的冲击能随应变率的增加而增加,但由于冲击时间仅0.2 s左右,能量不能瞬间转移到BF砂浆中。

圆饼试块破碎后,取有代表性的碎块,通过扫描电镜观察试块微观形貌特点,纤维与砂浆裂缝处的形态,如图4所示。可以看出,BF以嵌入的形式与砂浆结合在一起。在冲击荷载作用下,部分BF被拔出或拉断,说明BF能抵消砂浆开裂时的部分拉应力。因此,纤维可以对砂浆产生约束作用,增加砂浆基体的抗开裂性能。纤维表面较为光滑,随着水泥的水化作用进行,水泥水化产物与BF的相溶性变差[17],砂浆与BF的黏结强度较低,在冲击荷载作用下,二者存在相对滑移,有利于提高BF砂浆的韧性[18]。

图4 扫描电镜照片

圆饼试块的破碎形态主要为压碎破坏,图5为各组别冲击试验后的破坏形态图。试块的破坏形态:随着气压的增大,裂缝增多;随着纤维掺量的增加,破碎后的碎块粒度增大。砂浆试块受到的冲击荷载不断增大,由于无法承受该荷载而开裂。纤维可以在试块内部形成拉伸作用,较多的BF掺入后,单根BF受到的力相对减小,试块受到冲击荷载时,BF更难以被拔出或拉断,因此试块破坏后没有产生过多的碎块。

图5 各组BF砂浆试块在不同气压下的破坏形态

2.3 动态抗压强度

图6为冲击试块峰值应变与极限应变随应变率变化的直线,在40～100 s-1的应变率范围内对峰值应变进行线性拟合,得

图6 峰值应力

(4)

(5)

(6)

(7)

该拟合范围内,各组别峰值应变与应变率为正相关关系。在相同应变率下,对照组峰值应力最低,试块的动态抗压强度随纤维掺量的增加先增大后减小。在63 s-1之后,BF掺量0.6%时峰值应力最高,相比BF掺量0%的组别,在60 s-1、70 s-1、80 s-1时峰值应力分别提高了6.52%、10.81%、14.11%。BF性质稳定,不影响砂浆内部的水化过程,但BF的拉伸约束作用可以抑制裂缝的产生与发展,因此在相同应变率下,峰值应力随着纤维掺量增加而增加。BF掺量较少时,拟合直线与对照组的拟合直线接近。0.65 MPa冲击气压的结果中,掺量在0.4%时拥有最大的峰值应力,与静态抗压强度结果一致。BF的添加有效地提高砂浆抗冲击能力,说明BF砂浆拥有成为矿用支护砂浆的潜力。

2.4 极限韧性

极限韧性常用来衡量试块吸收能量的能力,极限韧性越大表示吸收能量的能力越强,一般计算方法是对应力-应变曲线进行积分[18]。为研究极限韧性的变化规律,在40～90 s-1的范围内对各组进行拟合,结果如图7所示。各组极限韧性均随着应变率的增加而增加,应变率效应显著。65～75 s-1范围内,BF0.6砂浆的极限韧性高于对照组,但小于BF0.2砂浆,在65 s-1之后,BF0.6砂浆的极限韧性大于其他各组,说明0.6%掺量的组别韧性较好,与未掺加BF的普通砂浆对比,在受到冲击荷载时能够吸收更多的能量。宏观表现为,在冲击荷载作用之后,纤维的添加明显地减少了碎块数量(图5)。这是由于纤维在砂浆中起到连接的作用,砂浆受到了约束,纤维抑制了更多的裂缝产生,减弱应力集中效应,消除冲击荷载带来的负面影响,说明纤维可以有效地提高砂浆的抗冲击性。

图7 极限韧性

2.5 峰值应变

BF砂浆试块的峰值应变与平均应变率的关系如图8所示。从图8可以看出,峰值应变随着应变率的增大而增大,呈正相关关系,是由于高应变率下的砂浆受到侧向限制,侧向限制随应变率的增大而提高[19]。掺入BF后的各组别峰值应变均大于对照组,0.2%、0.4%、0.6% 3种BF掺量的拟合直线近似相同。75 s-1和80 s-1应变率下,BF0.6砂浆的峰值应变相比对照组分别提升17.78%、19.26%;0.65 MPa冲击气压下各组别的峰值应变相比0.45 MPa冲击气压下的峰值应变平均提高15.21%,提升明显。BF的掺入,使试块在受到冲击荷载时,可以达到更大的应变后再被破坏,有效地提升了试块的韧性,说明掺加BF的砂浆作为支护砂浆时具有更好的保护性。

图8 峰值应变

2.6 动态增长因子

动态增长因子(dynamic increase factor,DIF)是砂浆试块动态抗压强度与静态单轴抗压强度的比值,常用于表示单压试验中平均应变率与动态抗压强度之间的关系[20-21]。各组别的DIF与平均应变率的关系如图9所示。0.6%BF掺量的砂浆比其他组拥有更高的DIF,平均应变率从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,砂浆的DIF增长趋势与对照组明显不同。BF的掺量越多,DIF增长率越大,超过临界应变速率时,DIF的增长更快。与对照组相比,BF0.6砂浆的DIF拥有更高的应变率敏感性,说明0.6%掺量的砂浆拥有更优异的抗冲击性能。

图9 动态增长因子

3 结论

(1)水泥砂浆掺入0.4%BF后动态抗压强度最高提升7.9%。过多的BF会与砂浆结团,静态单轴抗压强度有所下降。BF掺量越多,冲击破坏后形成的碎块粒度越大。

(2)砂浆中掺入BF后。随着应变率的增加,其极限韧性、峰值应力、峰值应变均增加。BF掺量0.6%时,应变率65 s-1之后,BF0.6砂浆的极限韧性大于其他各组;80 s-1应变率下,峰值应变相比对照组提升19.26%;应变率从57.98 s-1到75.52 s-1,DIF提升了38.33%。

(3)BF的掺入可提高水泥砂浆的动态抗压强度,增强水泥砂浆的韧性与抗冲击性。综合动态力学性能与静态抗压强度分析,认为0.6%BF掺量的效果最优,比普通水泥砂浆更能适合作为支护砂浆。