碳纤维增强聚合物约束高水材料的动态抗压性能

摘要

随着采矿作业向地下深部延伸，支护结构面临的冲击载荷日益剧烈，柱式支护系统的动态力学性能已成为亟待解决的关键问题。本研究采用分离式霍普金森压杆（SplitHopkinsonPressureBar,SHPB）试验装置结合扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscopy,SEM），系统探究了水胶比、碳纤维增强聚合物（CFRP）包裹层数及应变率对CFRP约束高水材料动态抗压性能与微观结构演化的影响规律。

研究结果表明：无约束高水材料试样的动态力学性能具有显著的应变率相关性，其峰值强度呈现先升后降的变化趋势；水胶比越低，材料内部结构越致密，强度表现越优异；CFRP约束通过限制材料侧向变形，可显著提升高水材料的峰值强度与抗冲击能力，优化其破坏模式，并促进更致密水化产物的形成，该约束效应能有效缓解高应变率下材料的微观结构损伤。

本研究从宏观与微观双重维度阐明了CFRP对高水材料的增强机理，为深部采矿抗冲击支护系统的设计提供了理论支撑与工程参考。

1.简介

随着浅层煤炭资源日益枯竭，采矿作业正迅速向深部转移。这一转变导致岩爆事故频发，目前已对煤矿的安全生产运营构成重大威胁。

当前的防治手段以基于声发射监测及其他传感技术的多参数前兆识别系统为主，这类系统通常会与大直径钻孔卸压等卸压技术相结合，同时搭配锚网支护等用于围岩控制的巷道支护方式。上述各类技术共同构成了一套集“预警-卸压-支护”于一体的岩爆综合防治体系。

为进一步减轻岩爆造成的破坏，研究人员基于多种不同的加固理念，提出了各类新型吸能支护系统。

徐等人创新性地引入钢蜂窝夹芯板作为吸能装置，以耗散岩爆产生的冲击能量。张等人研究了岩石-喷射混凝土界面的节理粗糙度系数及界面形态对岩-混凝土复合材料动态劈裂性能的影响规律。范等人针对煤矿岩爆工况下传统锚杆的抗冲击薄弱问题，研发了一种新型膨胀-摩擦复合吸能锚索，显著提升了锚杆的抗冲击性能。

除上述加固技术外，竖向支护系统也是地下采矿支护技术的核心组成部分。巴彻勒的研究表明，可泵注式柱体支护的力学性能受外部约束条件与内部填充材料性能的共同影响。在地下矿山支护领域，高水速凝材料凭借其强亲水性、高流动性、快凝性及施工便捷性等优势，已引起广泛关注；同时，纤维增强复合材料因具有高比强度和优异的耐腐蚀性，被研究人员广泛采用。为解决传统纤维增强聚合物（FRP）约束柱体在采矿环境中难以适应大变形的局限性，于等人提出了一种新型复合柱体结构—以FRP管为外层约束，内部填充煤矸石-硫铝酸盐基高水胶凝材料。在此基础上，赵等人进一步探究了纤维类型、约束层数及水胶比对FRP约束高水材料静力力学性能的影响，结果表明：FRP在受压过程中为材料提供侧向约束，约束效果取决于FRP的类型与厚度，更强的约束作用可同时提升材料的抗压强度与变形能力；高水材料的排水特性也有助于其实现大变形适应能力。刘等人通过三轴压缩试验模拟侧向约束环境，系统研究了不同围压条件下高水材料的抗压性能与泌水机理，结果显示：水胶比对渗流阈值的影响最为显著，其次是围压和养护时间；材料受压过程先经历缓慢体积收缩，随后进入快速压缩阶段并逐渐致密化；水胶比越低，自由含水量越少，需施加更高围压以避免水分迁移引发的材料损伤。然而，上述研究多聚焦于静力工况，高应变率下该类材料的动态力学行为仍有待深入探究。

众多学者已对纤维增强约束混凝土的动态力学行为开展了大量研究。杨等人采用分离式霍普金森压杆（SHPB）试验装置，探究了不同芳纶纤维增强聚合物（AFRP）包裹层数与应变率对混凝土动态响应的影响，结果表明：混凝土动态强度与应变率呈正相关关系，AFRP约束混凝土的强度与韧性显著高于无约束混凝土。熊等人研究了高应变率下碳纤维增强聚合物（CFRP）约束混凝土的抗压性能，并与无约束混凝土进行对比，发现：无约束混凝土对应变率高度敏感，强度随应变率增大而提升；约束混凝土的整体强度有所提高，但应变率敏感性降低。郭等人基于试验数据库建立了FRP约束混凝土动态抗压强度的统一计算模型，结果显示：在特定FRP约束条件下，无约束与FRP约束混凝土的抗压强度及对应应变均随应变率增大而提升；且随着FRP约束比的增加，动态增强系数也随之增大，但FRP的约束效应在准静态载荷下更为显著。动态载荷作用下，混凝土可能在FRP约束完全发挥前即发生破坏，导致约束比与增强效率呈非线性关系。江等人发现FRP约束混凝土在动态压缩下呈现典型的三阶段应力-应变行为：初始上升段、峰值后下降段及二次上升段。试验验证了该特征，并指出：动态载荷下材料的侧向-轴向应变曲线形态与准静态工况相似，但玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）的约束效应在动态环境中更为突出；应变率历程分析表明，峰值载荷附近轴向与侧向应变率变化不同步，导致动态约束比低于静态工况，这也是峰值后强度下降的重要原因。为表征该效应，研究引入动态约束比（fl,d/fcd）概念，并提出0.045的阈值以确保约束有效性。尽管上述研究为本课题提供了坚实的理论基础，但纤维增强复合材料约束高水充填材料的动态力学行为仍缺乏系统研究。

基于此，本研究聚焦CFRP约束高水材料的动态力学行为，通过一系列分离式霍普金森压杆（SHPB）冲击压缩试验，结合扫描电子显微镜（SEM）微观分析技术，对无约束与CFRP约束高水材料进行测试。试验设置不同水胶比（1.25、1.5、1.75）、CFRP约束层数（0层、1层、3层）及应变率工况，系统探究了水胶比、约束条件及应变率对CFRP约束高水材料动态抗压强度与微观结构特征的影响规律。

2试验方案

2.1试验试件

试验试件主要由高水材料、水、粘结剂及碳纤维增强聚合物（CFRP）布构成。该高水材料由中国扬州中矿新型建材科技有限公司提供，分为A、B两组分：A组分以铝酸钙和硫铝酸钙为主要成分，B组分主要由石膏与石灰组成。试件搅拌采用自来水。

粘结剂与碳纤维增强聚合物布分别承担粘结与约束作用，二者均由中国上海汉马建筑科技有限公司提供。碳纤维增强聚合物的拉伸性能参数如表1所示。本次试验所用粘结剂由碳纤维浸渍树脂（型号HM-180C3P，A组分）与结构环氧树脂（型号HM-120CP，B组分）按2:1的比例混合配制而成。

表1

如表2所示，本试验共制备41个圆柱形试件，其中无约束试件20个、CFRP约束试件21个。试验采用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置在冲击压缩载荷下进行，分组设计遵循单变量原则。

水胶比（WB）设置为1.25、1.50、1.75三个水平，分别标记为A、B、C组；CFRP约束层数分为0层、1层、3层，对应标识为C0、C1、C3；弹速区间采用“v+区间下限值”的编码方式，例如4-5m/s区间标记为v4。每个试件通过“水胶比组别-CFRP层数-弹速区间”的组合方式进行唯一标识，例如试件A-C0-v2表示水胶比1.25、无CFRP约束、弹速区间5-6m/s的试件。

表2

试件制备流程如下：按照设计配合比分别称取高水材料A组分、B组分及两部分拌合水。先将A组分与第一部分水充分搅拌均匀，B组分与第二部分水搅拌均匀；考虑到两组分混合后具有快凝特性，需将两种浆料迅速混合并立即搅拌，混合完成后快速倒入直径50mm、高度100mm的圆柱形模具中，形成试件基体。

试件完全凝结后进行脱模，并用保鲜膜包裹进行自然养护。养护3天后，开始制备CFRP约束层：裁剪宽度10cm、长度分别为20cm和52cm的CFRP布，分别用于1层和3层约束；采用预先配制好的粘结剂将CFRP布粘贴于试件表面，为防止端部剥离，将CFRP布末端用保鲜膜缠绕固定。待粘结剂完全固化后，完成初始约束。

根据GB/T34108-2017标准要求，分离式霍普金森压杆（SHPB）试验试件的高径比需控制在0.5~1.0之间。为满足该试验要求，所有试件均加工至标准尺寸（高度25mm、直径50mm），以保证试验条件的一致性和试验结果的可比性。试件制备详细流程如图1所示。

图1

2.2试验设备与试验流程

动态加载试验采用压杆直径为50毫米的分离式霍普金森压杆（SHPB）装置开展，该分离式霍普金森压杆系统的结构示意图如图2所示。

图2

此外，高水材料的声阻抗显著低于钢质压杆，导致试件-压杆界面处产生强烈的波反射现象。这一现象会缩短有效加载时间并加速应变累积，使得材料在冲击载荷作用下易发生快速断裂，且断裂往往发生在应力重分布完成之前，进而进一步提高应变率。因此，即便在相同加载速度下，高水材料自身具有的高含水量、结构疏松等固有特性，使其响应速度更快，最终达到的应变率水平显著高于混凝土材料中常见的应变率范围。

2.3基于扫描电子显微镜的微观结构观测

为探究高水材料在冲击载荷作用后的内部微观结构，研究人员对分离式霍普金森压杆动态压缩试验后的试件残余碎片开展了扫描电子显微镜（SEM）观测。试验从断裂试件中选取具有代表性的碎片，沿碎片的断裂面进行劈裂或切割处理，以此暴露出适宜观测的全新内部横截面。

随后采用真空溅射镀膜仪在选定观测表面镀制一层厚度约20纳米的金膜，保障观测所需的良好导电性。溅射镀膜时间至少保持20分钟，确保形成均匀的导电镀层。镀膜完成后，将样品放入高真空干燥箱内抽真空30分钟以上。完成这套标准的扫描电子显微镜样品制备流程后，再把碎片固定在样品托上，进而开展微观结构观测。

3结论

本研究借助分离式霍普金森压杆试验装置，探究了碳纤维增强聚合物约束高水材料在冲击载荷作用下的动态力学性能及微观结构演变规律，并系统分析了水胶比、约束层数与冲击速度（应变率）对该材料性能的影响。主要结论如下：

无约束条件下，高水材料的峰值应力具有应变率敏感性，其随应变率的升高呈现先增大后减小的变化趋势。过高的应变率会使材料在内部应力重分布完成前就发生快速粉碎，进而造成强度下降。

水胶比对材料的动态抗压强度影响显著。水胶比较低（如1.25）时，水化产物结构更致密，材料的峰值应力更高，吸能能力也更强；而水胶比较高（如1.75）时，材料内部易形成多孔结构，导致其强度与能量耗散能力均有所降低。

对断裂碎片的分形维数分析表明，应变率和水胶比的提高均会加剧材料的破碎程度，使材料的破坏形式从块状断裂转变为粉碎性破坏。

碳纤维增强聚合物约束能有效提升高水材料的抗冲击性能。增加碳纤维增强聚合物的约束层数，可提高材料的峰值应力与峰值应变，抑制材料的侧向膨胀，同时将材料的破坏形式由严重粉碎转变为局部开裂。

受碳纤维增强聚合物约束的高水材料试件，其动态应力-应变响应呈现出独特的三阶段变化特征，即初始上升阶段、下降阶段以及二次上升阶段。其中二次上升现象，是由于基体开裂后碳纤维增强聚合物的约束作用延迟启动所导致的。

在约束条件相同的情况下，水胶比较低的试件可保持较高的峰值应力与致密的内部结构，水胶比较高的试件则强度降低但变形量增大。而碳纤维增强聚合物的约束作用，能够在一定程度上弥补高水胶比引发的材料强度损失。

扫描电子显微镜观测结果显示，碳纤维增强聚合物约束可促使钙矾石形貌由松散的纤维状转变为结构更致密的棒状与粒状，减少材料内部孔隙并提高密实度。与之相反，无约束试件在高应变率作用下，内部孔隙大量发育，水化产物形成的结构骨架也遭到破坏。