摘要

隨著采礦作業向地下深部延伸，支護結構面臨的沖擊載荷日益劇烈，柱式支護系統的動態力學性能已成為亟待解決的關鍵問題。本研究采用分離式霍普金森壓桿（SplitHopkinsonPressureBar,SHPB）試驗裝置結合掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscopy,SEM），系統探究了水膠比、碳纖維增強聚合物（CFRP）包裹層數及應變率對CFRP約束高水材料動態抗壓性能與微觀結構演化的影響規律。

研究結果表明：無約束高水材料試樣的動態力學性能具有顯著的應變率相關性，其峰值強度呈現先升后降的變化趨勢；水膠比越低，材料內部結構越致密，強度表現越優異；CFRP約束通過限制材料側向變形，可顯著提升高水材料的峰值強度與抗沖擊能力，優化其破壞模式，并促進更致密水化產物的形成，該約束效應能有效緩解高應變率下材料的微觀結構損傷。

本研究從宏觀與微觀雙重維度闡明了CFRP對高水材料的增強機理，為深部采礦抗沖擊支護系統的設計提供了理論支撐與工程參考。

1.簡介

隨著淺層煤炭資源日益枯竭，采礦作業正迅速向深部轉移。這一轉變導致巖爆事故頻發，目前已對煤礦的安全生產運營構成重大威脅。

當前的防治手段以基于聲發射監測及其他傳感技術的多參數前兆識別系統為主，這類系統通常會與大直徑鉆孔卸壓等卸壓技術相結合，同時搭配錨網支護等用于圍巖控制的巷道支護方式。上述各類技術共同構成了一套集“預警-卸壓-支護”于一體的巖爆綜合防治體系。

為進一步減輕巖爆造成的破壞，研究人員基于多種不同的加固理念，提出了各類新型吸能支護系統。

徐等人創新性地引入鋼蜂窩夾芯板作為吸能裝置，以耗散巖爆產生的沖擊能量。張等人研究了巖石-噴射混凝土界面的節理粗糙度系數及界面形態對巖-混凝土復合材料動態劈裂性能的影響規律。范等人針對煤礦巖爆工況下傳統錨桿的抗沖擊薄弱問題，研發了一種新型膨脹-摩擦復合吸能錨索，顯著提升了錨桿的抗沖擊性能。

除上述加固技術外，豎向支護系統也是地下采礦支護技術的核心組成部分。巴徹勒的研究表明，可泵注式柱體支護的力學性能受外部約束條件與內部填充材料性能的共同影響。在地下礦山支護領域，高水速凝材料憑借其強親水性、高流動性、快凝性及施工便捷性等優勢，已引起廣泛關注；同時，纖維增強復合材料因具有高比強度和優異的耐腐蝕性，被研究人員廣泛采用。為解決傳統纖維增強聚合物（FRP）約束柱體在采礦環境中難以適應大變形的局限性，于等人提出了一種新型復合柱體結構—以FRP管為外層約束，內部填充煤矸石-硫鋁酸鹽基高水膠凝材料。在此基礎上，趙等人進一步探究了纖維類型、約束層數及水膠比對FRP約束高水材料靜力力學性能的影響，結果表明：FRP在受壓過程中為材料提供側向約束，約束效果取決于FRP的類型與厚度，更強的約束作用可同時提升材料的抗壓強度與變形能力；高水材料的排水特性也有助于其實現大變形適應能力。劉等人通過三軸壓縮試驗模擬側向約束環境，系統研究了不同圍壓條件下高水材料的抗壓性能與泌水機理，結果顯示：水膠比對滲流閾值的影響最為顯著，其次是圍壓和養護時間；材料受壓過程先經歷緩慢體積收縮，隨后進入快速壓縮階段并逐漸致密化；水膠比越低，自由含水量越少，需施加更高圍壓以避免水分遷移引發的材料損傷。然而，上述研究多聚焦于靜力工況，高應變率下該類材料的動態力學行為仍有待深入探究。

眾多學者已對纖維增強約束混凝土的動態力學行為開展了大量研究。楊等人采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗裝置，探究了不同芳綸纖維增強聚合物（AFRP）包裹層數與應變率對混凝土動態響應的影響，結果表明：混凝土動態強度與應變率呈正相關關系，AFRP約束混凝土的強度與韌性顯著高于無約束混凝土。熊等人研究了高應變率下碳纖維增強聚合物（CFRP）約束混凝土的抗壓性能，并與無約束混凝土進行對比，發現：無約束混凝土對應變率高度敏感，強度隨應變率增大而提升；約束混凝土的整體強度有所提高，但應變率敏感性降低。郭等人基于試驗數據庫建立了FRP約束混凝土動態抗壓強度的統一計算模型，結果顯示：在特定FRP約束條件下，無約束與FRP約束混凝土的抗壓強度及對應應變均隨應變率增大而提升；且隨著FRP約束比的增加，動態增強系數也隨之增大，但FRP的約束效應在準靜態載荷下更為顯著。動態載荷作用下，混凝土可能在FRP約束完全發揮前即發生破壞，導致約束比與增強效率呈非線性關系。江等人發現FRP約束混凝土在動態壓縮下呈現典型的三階段應力-應變行為：初始上升段、峰值后下降段及二次上升段。試驗驗證了該特征，并指出：動態載荷下材料的側向-軸向應變曲線形態與準靜態工況相似，但玄武巖纖維增強聚合物（BFRP）的約束效應在動態環境中更為突出；應變率歷程分析表明，峰值載荷附近軸向與側向應變率變化不同步，導致動態約束比低于靜態工況，這也是峰值后強度下降的重要原因。為表征該效應，研究引入動態約束比（fl,d/fcd）概念，并提出0.045的閾值以確保約束有效性。盡管上述研究為本課題提供了堅實的理論基礎，但纖維增強復合材料約束高水充填材料的動態力學行為仍缺乏系統研究。

基于此，本研究聚焦CFRP約束高水材料的動態力學行為，通過一系列分離式霍普金森壓桿（SHPB）沖擊壓縮試驗，結合掃描電子顯微鏡（SEM）微觀分析技術，對無約束與CFRP約束高水材料進行測試。試驗設置不同水膠比（1.25、1.5、1.75）、CFRP約束層數（0層、1層、3層）及應變率工況，系統探究了水膠比、約束條件及應變率對CFRP約束高水材料動態抗壓強度與微觀結構特征的影響規律。

2試驗方案

2.1試驗試件

試驗試件主要由高水材料、水、粘結劑及碳纖維增強聚合物（CFRP）布構成。該高水材料由中國揚州中礦新型建材科技有限公司提供，分為A、B兩組分：A組分以鋁酸鈣和硫鋁酸鈣為主要成分，B組分主要由石膏與石灰組成。試件攪拌采用自來水。

粘結劑與碳纖維增強聚合物布分別承擔粘結與約束作用，二者均由中國上海漢馬建筑科技有限公司提供。碳纖維增強聚合物的拉伸性能參數如表1所示。本次試驗所用粘結劑由碳纖維浸漬樹脂（型號HM-180C3P，A組分）與結構環氧樹脂（型號HM-120CP，B組分）按2:1的比例混合配制而成。

表1

如表2所示，本試驗共制備41個圓柱形試件，其中無約束試件20個、CFRP約束試件21個。試驗采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置在沖擊壓縮載荷下進行，分組設計遵循單變量原則。

水膠比（WB）設置為1.25、1.50、1.75三個水平，分別標記為A、B、C組；CFRP約束層數分為0層、1層、3層，對應標識為C0、C1、C3；彈速區間采用“v+區間下限值”的編碼方式，例如4-5m/s區間標記為v4。每個試件通過“水膠比組別-CFRP層數-彈速區間”的組合方式進行唯一標識，例如試件A-C0-v2表示水膠比1.25、無CFRP約束、彈速區間5-6m/s的試件。

表2

試件制備流程如下：按照設計配合比分別稱取高水材料A組分、B組分及兩部分拌合水。先將A組分與第一部分水充分攪拌均勻，B組分與第二部分水攪拌均勻；考慮到兩組分混合后具有快凝特性，需將兩種漿料迅速混合并立即攪拌，混合完成后快速倒入直徑50mm、高度100mm的圓柱形模具中，形成試件基體。

試件完全凝結后進行脫模，并用保鮮膜包裹進行自然養護。養護3天后，開始制備CFRP約束層：裁剪寬度10cm、長度分別為20cm和52cm的CFRP布，分別用于1層和3層約束；采用預先配制好的粘結劑將CFRP布粘貼于試件表面，為防止端部剝離，將CFRP布末端用保鮮膜纏繞固定。待粘結劑完全固化后，完成初始約束。

根據GB/T34108-2017標準要求，分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗試件的高徑比需控制在0.5~1.0之間。為滿足該試驗要求，所有試件均加工至標準尺寸（高度25mm、直徑50mm），以保證試驗條件的一致性和試驗結果的可比性。試件制備詳細流程如圖1所示。

圖1

2.2試驗設備與試驗流程

動態加載試驗采用壓桿直徑為50毫米的分離式霍普金森壓桿（SHPB）裝置開展，該分離式霍普金森壓桿系統的結構示意圖如圖2所示。

圖2

此外，高水材料的聲阻抗顯著低于鋼質壓桿，導致試件-壓桿界面處產生強烈的波反射現象。這一現象會縮短有效加載時間并加速應變累積，使得材料在沖擊載荷作用下易發生快速斷裂，且斷裂往往發生在應力重分布完成之前，進而進一步提高應變率。因此，即便在相同加載速度下，高水材料自身具有的高含水量、結構疏松等固有特性，使其響應速度更快，最終達到的應變率水平顯著高于混凝土材料中常見的應變率范圍。

2.3基于掃描電子顯微鏡的微觀結構觀測

為探究高水材料在沖擊載荷作用后的內部微觀結構，研究人員對分離式霍普金森壓桿動態壓縮試驗后的試件殘余碎片開展了掃描電子顯微鏡（SEM）觀測。試驗從斷裂試件中選取具有代表性的碎片，沿碎片的斷裂面進行劈裂或切割處理，以此暴露出適宜觀測的全新內部橫截面。

隨后采用真空濺射鍍膜儀在選定觀測表面鍍制一層厚度約20納米的金膜，保障觀測所需的良好導電性。濺射鍍膜時間至少保持20分鐘，確保形成均勻的導電鍍層。鍍膜完成后，將樣品放入高真空干燥箱內抽真空30分鐘以上。完成這套標準的掃描電子顯微鏡樣品制備流程后，再把碎片固定在樣品托上，進而開展微觀結構觀測。

3結論

本研究借助分離式霍普金森壓桿試驗裝置，探究了碳纖維增強聚合物約束高水材料在沖擊載荷作用下的動態力學性能及微觀結構演變規律，并系統分析了水膠比、約束層數與沖擊速度（應變率）對該材料性能的影響。主要結論如下：

無約束條件下，高水材料的峰值應力具有應變率敏感性，其隨應變率的升高呈現先增大后減小的變化趨勢。過高的應變率會使材料在內部應力重分布完成前就發生快速粉碎，進而造成強度下降。

水膠比對材料的動態抗壓強度影響顯著。水膠比較低（如1.25）時，水化產物結構更致密，材料的峰值應力更高，吸能能力也更強；而水膠比較高（如1.75）時，材料內部易形成多孔結構，導致其強度與能量耗散能力均有所降低。

對斷裂碎片的分形維數分析表明，應變率和水膠比的提高均會加劇材料的破碎程度，使材料的破壞形式從塊狀斷裂轉變為粉碎性破壞。

碳纖維增強聚合物約束能有效提升高水材料的抗沖擊性能。增加碳纖維增強聚合物的約束層數，可提高材料的峰值應力與峰值應變，抑制材料的側向膨脹，同時將材料的破壞形式由嚴重粉碎轉變為局部開裂。

受碳纖維增強聚合物約束的高水材料試件，其動態應力-應變響應呈現出獨特的三階段變化特征，即初始上升階段、下降階段以及二次上升階段。其中二次上升現象，是由于基體開裂后碳纖維增強聚合物的約束作用延遲啟動所導致的。

在約束條件相同的情況下，水膠比較低的試件可保持較高的峰值應力與致密的內部結構，水膠比較高的試件則強度降低但變形量增大。而碳纖維增強聚合物的約束作用，能夠在一定程度上彌補高水膠比引發的材料強度損失。

掃描電子顯微鏡觀測結果顯示，碳纖維增強聚合物約束可促使鈣礬石形貌由松散的纖維狀轉變為結構更致密的棒狀與粒狀，減少材料內部孔隙并提高密實度。與之相反，無約束試件在高應變率作用下，內部孔隙大量發育，水化產物形成的結構骨架也遭到破壞。