1、复合材料科学与工程：.扰动荷载下聚丙烯纤维喷射混凝土力学性能研究贾静恩，张 彬（.郑州工业应用技术学院，新郑；.重庆大学 土木工程学院，重庆）摘要：基于试验对煤巷支护体系中纤维喷射混凝土在扰动荷载作用下的安全性能进行研究，采用非金属超声波测量仪对不同扰动荷载及扰动次数下试件的纵波波速及损伤程度进行测量，利用分离式霍普金森压杆装置对试件开展不同扰动次数下的单轴压缩试验，分析试件纵波波速、损伤度、峰值应力及能量耗散与扰动荷载之间的规律。结果表明：随着扰动次数的增加，试件纵波波速先增大后降低，前期扰动作用会降低试件孔隙率，增加试件整体性，随着扰动次数的增加，试件损伤量累积，损伤程度增大，纵波波速相应
2、降低，扰动气压的增加会增大波速降幅；.扰动气压作用 次时，试件峰值应力分别为.、.、.、.、.，扰动荷载作用次数的增加使试件峰值应力先增大后降低，适当的冲击扰动作用会增大试件峰值应力，随着扰动次数的增加，试件应力降幅显著增加，后期扰动荷载下试件损伤程度会更大；扰动荷载作用会降低试件吸能效果，且扰动荷载越大，作用次数越多，试件吸收能降幅越明显。在煤巷支护体系的运营维护中要定时探查纤维喷射混凝土的安全性能，以保证巷道支护体系的安全性。关键词：扰动荷载；聚丙烯纤维；喷射混凝土；纵波波速；损伤度；峰值应力；能量耗散；复合材料中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，；.，）：，.，.，.，.，.，
3、：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（）作者简介：贾静恩（），女，硕士，讲师，主要从事土木工程、暖通领域方面的研究，.。年第 期扰动荷载下聚丙烯纤维喷射混凝土力学性能研究 前 言目前深部煤巷支护形式多数采用锚网喷支护体系，喷射混凝土的性能对煤矿巷道支护效果存在巨大影响。素混凝土喷层由于存在抗拉强度低、自身质量大、韧性差等缺点，在煤巷围岩发生变形时极易开裂脱落，从而丧失支护效果，对围岩安全稳定性造成极大威胁。为进一步提升喷射混凝土在深部煤巷支护体系中的安全效果，众多学者采用轻型骨料以减轻材料自重，掺入高强、高韧性纤维以提高喷射混凝土力学性能及使用寿命。在诸多纤维种类中，聚丙烯纤维具有价格低廉
4、、抗腐蚀性强、质量轻、力学性能优良等优点，且与混凝土间存在良好的亲和性，被学者们广泛研究。等对聚丙烯纤维再生骨料混凝土力学性能进行研究，结果表明纤维的掺入能够有效提升混凝土的拉伸及弯曲强度。等对聚丙烯纤维增强混凝土抗冻性能进行研究，结果表明纤维的掺入使试件内部孔隙结构和抗冻性得到显著改善，试样的抗裂性和韧性也得到提升。梁树锋在对喷射聚丙烯粗纤维混凝土抗硫酸盐腐蚀性能进行研究中发现，纤维掺量在 左右时，喷射混凝土的抗腐蚀性及力学性能最优。毕远志等发现混杂聚丙烯纤维水泥基材料适合深井巷道围岩支护，当聚丙烯纤维体积掺量为.、钢纤维体积掺量为.时，纤维混凝土喷射围岩稳定性好于素混凝土稳定性。毕永志等通
5、过试验与模拟的方法得出聚丙烯纤维喷射混凝土最佳纤维掺量为.，最佳纤维混凝土喷层厚度为。方江华等通过向喷射混凝土中添加陶粒与聚丙烯纤维制作轻骨料纤维喷射混凝土，并对其动态力学性能进行研究，结果表明纤维的掺入可以明显增强喷射混凝土的韧性。霍建勋等对高性能喷射纤维混凝土配合比进行试验研究，结果表明端钩形钢纤维与聚丙烯纤维复掺对喷射混凝土抗压强度的增强效果最佳。在深部煤层开采过程中，机械掘进开挖扰动及爆破振动等会对巷道支护结构进行多次扰动，从而导致巷道支护结构发生变形，稳定性降低。扰动作用同样会对喷射混凝土造成影响，扰动次数的增加很大程度上增加了喷射混凝土损伤变形量，从而降低支护结构的安全性。在对扰动
6、荷载下岩体损伤破坏研究中，刘闽龙等发现扰动荷载会使红砂岩体应变突增，高应力扰动会引起岩体快速破坏，低应力扰动会导致岩体表现为疲劳破坏形式。张慧梅等对扰动冲击荷载下红砂岩能量耗散及分形维数进行研究，结果表明，与高扰动冲击载荷作用相比，低扰动冲击荷载作用下试件各能量及岩体破碎程度均更高。徐俊等在扰动荷载下单孔大理岩蠕变特性研究中发现，扰动作用会使岩体应变突变，且扰动荷载越大，岩体破坏速度越快。目前岩体在扰动荷载下的力学性能变化研究成果丰富，但喷射混凝土材料在扰动荷载作用下的安全性能研究鲜有涉及，然而深部煤巷喷射混凝土又被广泛应用，因此测试喷射混凝土在扰动荷载作用下的安全性能至关重要。本文利用非金属
7、超声波检测仪及直径为 的分离式霍普金森压杆试验装置对聚丙烯纤维喷射混凝土进行不同冲击荷载扰动后的损伤特性、动态力学性能及能量耗散变化规律进行研究，为深部煤巷支护形式中的纤维喷射混凝土在扰动荷载作用下的安全性提供试验依据。试验概况.试验原材料水泥采用 .，密度为 ，细度为.；细骨料选用细度模数为.的机制砂，堆积密度为 ，表观密度为 ；粗骨料选用粒径为 的集配碎石；水为普通自来水；减水剂为萘系高效减水剂，减水率为；聚丙烯粗纤维采用深圳某公司所生产型号为 的聚丙烯纤维，纤维的主要性能指标如表 所示。表 聚丙烯纤维的性能指标 抗拉强度 直径 弹性模量 密度（）长度.试验方案综合考虑配合比的经济性与适用
8、性，设计基准素混凝土强度等级为，水胶比选定为.，水、水泥、石子、砂的质量配合比为 ，减水剂含量为胶凝材料质量的，聚丙烯粗纤维体积掺量为.。采用二次投料法将各材料搅拌均匀，按选用配合比浇筑 立方体试块，浇筑成型后将试件置于养护湿度、温度保持在（）的养护室进行 的标准养 年 月复合材料科学与工程护。养护结束后将部分试件取芯、切割、打磨加工成直径为、高度为 的标准圆柱体试件，试件单面不平整度在.以内。选取纵波波速相近试件以减少离散性带来的试验误差，每组试验选取三个试块，聚丙烯纤维喷射混凝土基本物理力学参数见表，试验测得试件强度离散度在 以内，选取接近平均值的一组数据进行分析。表 聚丙烯纤维喷射混凝土
9、基本物理力学参数 试件编号密度（）纵波波波速（）抗压强度 抗拉强度 均值 利用霍普金森压杆对聚丙烯纤维喷射混凝土开展动态冲击扰动，由于试件强度较低，为保证扰动冲击荷载下试件不发生破坏，需要对试件进行试冲来确定扰动冲击气压的值。试冲过程中发现，当冲击气压达到.时，试件会发生破碎，因此选用.气压为试件扰动后的破坏气压，并将该冲击气压下破坏试件作为未扰动试件对照组（）。对试件分别进行.、.下的扰动冲击试验，扰动次数分别为、次，来模拟深部煤巷振动荷载对喷射混凝土造成的扰动损伤，测量不同扰动损伤试件的纵波波速，并对其与对照组进行冲击破坏试验，分析扰动荷载对试件损伤度及动态力学性能的影响，具体试验方案如图
10、 所示。图 试验方案流程.试验装置及原理选用 非金属超声检测分析仪对试件纵波波速进行测量，研究表明声波波速是反映工程材料物理力学性能的重要指标，混凝土材料内部结构的整体性与损伤程度可通过纵波波速来反映，试件相对动弹性模量与纵波波速之间的关系如式（）所示。（）式中：为初始波速，；为不同扰动次数后试件纵波波速，。相对动弹性模量的评价参数可用 评定，时表示试件发生破坏，时表示试件产生损伤但并未发生破坏，时表示试件未发生损伤且状态良好。（）利用直径为 的分离式霍普金森压杆装置对聚丙烯纤维喷射混凝土进行动态冲击扰动试验，装置中各压杆均为合金钢，其密度为 ，弹性模量为 ，纵波波速为 。为使采集数据满足精度
11、要求，在入射杆处粘贴 型电阻应变片，电阻值为（.），灵敏度系数为.；在透射杆处粘贴 型半导体应变片，电阻值为（），灵敏度系数为。为保证试件结果的准确性，运用三波法对采集到的动态压缩试验数据进行处理，求得试验所得应变率、应变及应力，其计算过程如式（）所示。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）|（）式中：（）、（）、（）分别为时刻 的入射应变、反射应变、透射应变，无量纲；为试件厚度，；为压杆的纵波波速，；为压杆的弹性模量，；、分别为压杆和试件的横截面积，。在冲击扰动试验过程中，为保证在扰动荷载作用下试件受力两端处于均匀状态，需对每一次冲击 年第 期扰动荷载下聚丙烯纤维喷射混凝土力学性能
12、研究作用的应力平衡进行验证。图 为试件 在第一次扰动荷载作用下的应力平衡图，从图 中可知入射应力与反射应力之和基本等于透射应力，证明此扰动荷载下试件达到应力平衡状态。图 应力平衡曲线.根据一维弹性波理论可求得试件的入射能、反射能、透射能、耗散能，相关计算公式如下：（）（）（）（）（）（）|（）（）（）（）（）（）式中：为入射能；为反射能；为透射能；为耗散能，；为压杆中纵波波速，。为分析不同冲击荷载扰动下喷射聚丙烯纤维混凝土耗能效果，定义试样的能量耗散率，其计算公式如下：（）（）（）试验结果与分析.超声波试验结果纵波波速的变化幅度能够很好地反映出混凝土内部结构的整体性与密实性，结合超声波检测装置
13、对不同扰动次数下试件的纵波波速进行测量，并引进评价参数反映试件损伤破坏程度，测试结果如表 所示，扰动次数与纵波波速的关系如图 所示，与评价参数的关系如图 所示。表 不同扰动次数下试件纵波波速变化规律 试件编号 扰动次数 纵波波速（）相对动弹性模量 评价参数 图 扰动次数与纵波波速的关系.年 月复合材料科学与工程图 扰动次数与评价参数的关系.由表、图 可以看出，随着扰动次数的增加，、组试件纵波波速呈现先增大后降低的趋势。低扰动气压作用时，前期扰动作用增大聚丙烯纤维喷射混凝土整体性，随着扰动次数的增加，扰动作用对试件造成的损伤量不断累积，损伤量不断增大，其纵波波速相应降低，且与低扰动气压相比，高扰
14、动气压作用下试件纵波波速降幅明显更高。结合图 试件评价参数变化规律可以看出，随着扰动次数的增大，试件损伤程度不断增加，损伤量增幅增大，说明后期扰动作用对试件造成损伤程度更高，与低扰动气压相比，高扰动气压作用下对试件造成的损伤程度明显更高。分析原因如下：混凝土结构内部存在大量原生裂隙，外荷载作用一方面会对试件造成损伤，另一方面也会压实原生裂隙，增大试件整体性，；扰动气压下，前期扰动作用对试件造成的压实效果高于损伤量，试件整体性得到提升；随着扰动次数的增加，试件损伤量不断累积，后期扰动作用对试件造成的损伤累积量高于压实效果，试件纵波波速降低；扰动次数越多，试件损伤程度越大，纵波波速降幅也越大。与低
15、扰动气压相比，高扰动气压作用下，对试件造成的损伤量更大，其纵波波速及评价参数降幅显著提高。.扰动荷载作用下试件峰值应力变化规律利用分离式霍普金森压杆装置对试件开展不同冲击气压下的冲击扰动试验，试件在扰动气压及破坏气压下应力应变曲线如图 所示，、试件在不同扰动次数下峰值应力变化规律如图 所示。图 试件扰动荷载及破坏荷载作用下的应力应变曲线.图 不同冲击次数下试件峰值应力.从图 可以看出：扰动荷载作用下试件极限应变变化不大，次扰动荷载下试件峰值应力分别为.、.、.、.、.；破坏荷载作用下试件峰值应力为.，且极限应变显著增加。第 次扰动荷载作用下试件峰值应力存在提升，随着扰动次数的进一步增加，试件应
16、力降低，相较于第 次扰动荷载作用下的峰值应力，第、次峰值应力降幅分别为.、.、.，降幅显著增加；试件在扰动荷载作用下发生损伤，承载能力降低，扰动荷载次数的增加使试件损伤量不断累积，应力持续降低，且后期扰动荷载下试件损伤程度会更大，应力降幅更加明显。破坏荷载作用下试件峰值应力随之增大，这是由于在冲击荷载作用下试件存在明显的应变率效应，应变率的增大使试件峰值应力得到提升。结合图 不同冲击次数下峰值应力变化可知，破坏荷载作用下的峰值应力，未扰动试件低于、年第 期扰动荷载下聚丙烯纤维喷射混凝土力学性能研究，但高于其他试件，试件高于 试件，而、试件高于、试件。结合扰动荷载作用下试件峰值应力变化可知，随着扰动荷载作用次数的增加，试件峰值应力先增大后减小，试件 次扰动荷载下试件峰值应力分别为.、.、.、.、.。分析原因如下：扰动荷载作用下，试件发生损伤的同时会压实原生裂隙，增强试件整体性。已有研究成果也表明适当的冲击荷载对混凝土具有压实作用，有助于提高混凝土强度。相较于破坏荷载，扰动荷载较低，首次扰动作用下对试件强度存在提升效果，与.气压相比，.气压对试件强度提升效果明显更高。破坏荷载作用下的峰值应
