高水巷旁充填材料单轴压缩变形破坏与能耗特征分析*

熊祖强 , 刘旭锋 , 王　成 ,王雨利, 丁子文

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454000；2.河南理工大学 材料科学与工程学院，河南 焦作 454000；3.煤炭安全生产河南省协同创新中心，河南 焦作 454000)

在煤矿开采过程中，采用沿空留巷技术可以实现无煤柱护巷，能够减少煤柱损失与巷道掘进率，并且可以实现工作面“Y”型通风，从根本上解决了上隅角瓦斯积聚等诸多问题[1]。巷旁支护材料作为沿空留巷技术的关键部分，一直是国内外专家学者的研究重点，先后形成了矸石、混凝土、高水材料等多种巷旁支护材料。高水巷旁充填材料(以下简称“高水材料”)最初于上世纪70年代末在英国研制成功，并成功应用于沿空留巷工程[2]。我国于上世纪九十年代初也成功研制出多种新型高水材料，以中国矿业大学研发的高水速凝材料为代表[3]。由于高水材料具有结石体增阻速度快、支承能力大，变形性能优良、施工机械化程度高、劳动强度小等一系列优点，目前被广泛应用于沿空留巷工程中。

针对高水材料的力学性能，许多学者展开了研究。孙恒虎等[4]研究了高水材料强度与变形指标随龄期及水灰比的变化关系；杨宝贵等[5]研究了高水材料的抗冲击特性；周华强等[6]研究了不同水灰比高水材料的单轴及三轴压缩强度特征。颜志平[7]研究了高水材料单轴及三轴压缩下的变形性能；王秋分[8]研究了钢管高水材料的短柱轴心受压力学性能；孙春东等[9]采用自行研制的大尺寸蠕变实验系统研究了高水材料的蠕变特征。以上综述成果主要倾向于对高水材料的强度及基本变形性能的研究，受高水材料研究起步相对较晚的制约，当前对高水材料力学性能研究的系统性不足，而且对高水材料破坏及能耗特征的研究鲜有文献报道。随着新型切顶技术及装置的研发与推广[10]，高水材料沿空留巷工程有望在高瓦斯、易自燃发火及厚煤层矿井中得到进一步推广应用，因此有必要针对高水材料的力学特性展开系统研究。

1　试验过程与结果

试验在中科院武汉岩土力学研究所研制的RMT-301岩石与混凝土力学试验机上完成。该设备为计算机控制的多功能电液伺服试验机，其有效测力范围10～1 500 kN，精度优于0.5%，位移传感器测量精度优于0.3%，能够很好满足试验要求。本次试验加载方式采用位移控制，位移速率为0.005 mm/s，采用2支5 mm位移传感器测量轴向变形。

由于不同水灰比的高水材料力学性能差异较大，结合现场沿空留巷工程实践，参照MT/T420-1995标准，分别按照1.3∶1，1.5∶1，1.8∶1，2.0∶1，2.3∶1及2.5∶1水灰比制备高水材料双液料浆，然后将其充分混匀后浇筑入φ50 mm×100 mm的圆柱形试模，待1 h后脱模并将其置于温度为20℃，相对湿度大于95%的标准养护箱中养护28 d。全部试样均采用同批次材料配制。各组试样达到要求龄期后，参照有关标准[11]，用磨石机将试样端面磨平，端面不平整度小于0.05 mm。

表1为不同水灰比试样单轴压缩试验强度及变形参数测定结果，表中：RC为单轴抗压强度，Eav，Es和Er分别为弹性模量、割线模量及弱化模量，ε0为峰值应变，相关变形参数在下节解释说明。由表1可知各指标离散系数较小，其中单轴抗压强度RC及平均模量Eav离散系数均小于7%，除峰后弱化模量离散系数明显偏高外，其余各指标离散系数均小于12%，表明各水灰比高水材料的力学性能指标均质性较好，能够反应水灰比变化对高水材料力学性能的影响。

表1　强度及变形参数试验结果

2　高水材料的微细观结构

由于高水材料的微细观结构关系着试样的力学性能，因此有必要对其展开相关研究。取高水材料试样单轴压缩破坏后的碎块，用导电胶将其固定并对其镀金处理以增强导电性。样品制作完成后，采用QuantaFEG-250型场发射扫描电镜(SEM)对其进行观察，图1即为高水材料试样在不同放大倍数时的微细观形貌。

图2　不同水灰比试样的全应力-应变曲线Fig.2　Complete stress-strain curves of different cement water ratio samples

图1(a)为放大500倍下试样表面的微细观形貌，由图示可以清晰看出试样表面存在气孔、裂纹及微缺陷。其中气孔多是由搅拌、浇注过程中引入，孔径多在0.5 mm以下，呈封闭圆形孔。微缺陷多为未水化的残留物相或凝胶体干缩形成。这些气孔或微缺陷处应力集中程度大，往往成为裂纹源。 图1(b)为放大5 000倍下试样表面的微观形貌，由图中可以看出针柱状的钙矾石晶体在空间中呈放射状析出，晶粒间相互交叉、搭接形成空间网状结构，构成了材料的强度骨架。与岩石材料微观结构相比，高水材料空间密实度较差，结构相对疏松，在钙矾石晶体之间存在较大的间隙，这些间隙多被自由水填充[12]。材料水灰比越大钙矾石晶体的间隙越大，自由水含量越高，在部分区域自由水蒸发后便形成开放的毛细孔，多由空气填充。因此，高水材料结石体呈固、液、气三相构成的多孔海绵状结构。

图1　高水材料SEM微细观形貌Fig.1　SEM microstructure morphology of high-water materials

3　变形特征

单轴压缩试验是实验室常采用的研究材料力学性质的方法，单轴压缩全应力-应变曲线包含丰富的力学信息，反应了试样在整个压缩过程中的强度及变形特性。如图2中(a)～(f)分别为1.3～2.5∶1水灰比高水材料单轴压缩全应力-应变曲线，与一般岩石的变形特征相似，高水材料的应力-应变曲线也可大致划分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段以及峰后应变软化阶段。由于高水材料是一种人造复合材料，其内部含有大量的空隙、气孔及微缺陷。在试样加载初期，内部孔隙受挤压逐步密实，应力-应变曲线呈上凹形。随着荷载增加，材料进入线弹性阶段。该阶段通常采用弹性模量来描述试样的变形特性。这里给出平均模量Eav及割线模量Es的测定结果。平均模量Eav又称为弹性模量，为峰值应力之前应力-应变曲线近似直线段的斜率，试验系统默认为峰值应力30%与70%两点割线的斜率。割线模量Es取自试样峰值应力50%处应力、应变的比值，两指标均由试验系统自动获取。

图3给出了不同水灰比试样弹性模量及割线模量与水灰比的关系。从图3可以看出：材料弹性模量Eav与割线模量Es均随水灰比的增大而减小，表明在较高的水灰比下材料内部孔隙率较大，大量的孔隙结构使材料受压后抗变形能力减弱，引发材料变形参数的不断弱化。通过对数据拟合发现，两参数与水灰比均呈指数函数关系。通过计算可知各水灰比下材料的弹性模量Eav与割线模量Es的综合离散系数，分别为0.026和0.061，后者即割线模量的综合离散系数是前者的2.3倍，离散性相对较大，这可能是由于试样加载初期压密阶段变形量差异较大所造成的。因此，利用弹性模量更能表征不同水灰比下材料弹性特征。

图3　试样弹性模量与割线模量随水灰比的变化规律Fig.3　Variation of Eav and Es to the sample with cement water ratio

随着荷载的进一步增加试样进入屈服阶段，此时应力-应变曲线偏离直线，呈现下凹形并逐渐逼近于峰值应力，试样内部将发生损伤，首先沿应力集中程度较高的孔隙结构处产生微裂纹，引发材料内部结构不断劣化。随着荷载的增加，微裂纹逐步贯通，产生不可逆转的塑性变形。在达到峰值应力后，应力-应变曲线出现短暂的屈服平台。之后试样发生应变软化，产生宏观裂隙，表现为试样的承载能力下降，应力-应变曲线开始出现跌落，不同水灰比高水材料的峰后应力-应变曲线差异显著。取峰后应力-应变曲线近似直线段的斜率定义为弱化模量Er，该指标表征试样破坏弱化快慢程度[13]，其值越大表明应力跌落速度越快，材料脆性越强，反之则塑性越强。如图4所示，随着水灰比增大，试样的弱化模量呈指数函数关系急剧下降，表明试样由脆性逐步向延性过渡，水灰比越大，塑性变形能力越强。

图4　试样弱化模量随水灰比的变化规律Fig.4　Variation of Er to the sample with cement water ratio

图5　试样单轴压缩强度随水灰比的变化规律Fig.5　Strength of uniaxial compression to the samples with cement water ratio variation

4　强度及破坏特征

高水材料的强度是沿空留巷工程中充填墙体参数设计最为关心的指标，图5为高水材料试样单轴压缩强度与水灰比的关系。由图5可以看出，试样的单轴压缩强度随水灰比的增大而下降，在较高的水灰比情况下，强度下降趋势有所变缓。通过对试样单轴压缩强度与水灰比数据的拟合发现，二者呈高度相关的指数函数关系，关系式为y= 67.974e-1.171x，相关系数R2为0.992 7。

由岩石材料的破坏形态可知，在单轴压缩情况下，岩样多呈现与轴向近乎平行的劈裂破坏，文献[14]将岩样的破坏方式归纳为单一断面剪切、端面圆锥张裂等5种形态。与岩样的破坏形态相似，高水材料的破坏形态也可归为以上几种。图6列举了部分试样典型的破坏特征，图中(a)～(f)分别为1.3～2.5∶1水灰比试样的破坏形态。由图6可知高水材料的破坏形态较为复杂，但总体上呈现为低水灰比下的剪胀破坏，高水灰比下的劈裂破坏。随水灰比的增大，试样宏观裂缝数量及宽度逐步减小，破坏后试样完整性逐渐增强。这可以解释为试样在加载过程中吸收能量并积蓄大量的弹性能。低水灰比高水材料的峰值强度、弹性模量较大，脆性较强，吸收较大的能量导致试样在达到峰值应力后发生快速失稳破坏，并伴随有尖锐的劈裂声响，部分块体发生弹射脱落，致使低水灰比试样宏观破坏裂缝数量较多，宽度较大且分布较为复杂。而较高水灰比的材料由于其孔隙率较大，峰值后具有突出的塑性变形能力，吸收的弹性能能够以塑性变形的方式所耗散，致使试样在达到较大应变的情况下依然较为完整，宏观破坏裂缝数量较少且宽度较小。

图6　高水充填材料单轴压缩破坏形态Fig.6　Failure states of different cement water ratio high-water materials by uniaxial compression

5　能耗特征

试样受压变形破坏的过程，实质上是能量交换过程的反应，试验机对高水材料试样施加载荷，试样吸收外界能量发生变形，一部分用于空隙的压密，裂纹生成、贯通、屈服、断裂等，另一部分则用于内部结石体以及孔隙结构的弹性变形，前者是以耗散能的形式所消耗，后者则以弹性应变能的形式储存于试样中[15]。当载荷超过材料屈服极限时将引发材料内部裂纹的生成、演化，最终导致试样发生破坏，承载能力降低。

图7　试样水灰比与应变能的关系Fig.7　Relations of strain energy with samples’ cement water ratio

图7为各组试样应变能与水灰比的变化关系曲线，从图中可知随着水灰比增大，试样吸收的总应变能及可释放弹性应变能均呈指数函数关系下降。然而耗散能总体上随水灰比变化幅度不大，1.3～2.0∶1及2.3～2.5∶1水灰比试样耗散能基本上处于同一水平，分别约为7.5 kJ/m3，4.0 kJ/m3。从图8可知，试样的弹性应变能与总应变能的比值随水灰比提高呈下降趋势并逐渐趋近于0.5，二者之间的关系可用幂函数描述。表明在较高的水灰比下，峰值应力前试样所消耗的能量与储存的可释放弹性能所占比重趋于一致。这些现象说明了高水材料的水灰比对能量交换特征有着重要影响。结合材料的微观形貌与变形破坏特征可知，随着水灰比的提高，试样内部的孔隙率增大，致密性减弱。在低水灰比情况下，试验机对试样输入的能量仅有少部分消耗于内部孔隙的压密及裂纹的生成与贯通，其余大部分主要用于水化结石体的弹性变形，使得试样的可释放弹性能比率处于高位，达到峰值时大部分能量瞬间得到释放，使得试样宏观破坏形态较为复杂。在高水灰比情况下，试样内部孔隙率较大，强度及抗变形能力较低。在试验机持续加载过程中孔隙结构不断被挤压、屈服，试样耗散应变能比率增大。

图8　试样水灰比与应变能比率的关系Fig.8　Relations of strain energy ratio with samples’ cement water ratio

6　结论

1)高水材料试样存在气孔、裂纹等微缺陷，其微观形貌呈现出由针柱状钙矾石构成的空间网状结构，与岩石相比，高水材料结构较为疏松，呈固、液、气构成的多孔海绵状结构。

2)高水材料的应力-应变曲线与岩样相似，也大致可分为压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段以及峰后应变软化阶段，采用弹性模量Eav较割线模量Es更能描述其变形特征，二者随水灰比提高均呈指数函数关系下降。

3)随着水灰比提高，高水材料的单轴压缩强度峰值及峰后弱化模量均呈指数函数关系下降，试样由脆性破坏逐步过渡到延性破坏。总体上呈现低水灰比下的剪胀破坏，高水灰比下的拉伸破坏。随水灰比的增大，试样宏观裂缝数量及宽度逐步减小，破坏后试样完整性逐渐增强。

4)随着水灰比增大，试样吸收的总应变能及可释放弹性能均呈指数函数关系下降，耗散能总体上随水灰比变化幅度不大。试样弹性应变能比率随水灰比增大呈幂函数关系下降，逐渐趋近于0.5，表明水灰比对高水材料的能量交换有着重要的影响。

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