膠結充填體與圍巖復合體的力學特性

王 明 旭

(1.武漢科技大學 資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081; 2.惠州市國土資源局，廣東 惠州 516003)

礦山使用的膠結充填體一般以尾砂為骨料，普通硅酸鹽水泥作為膠凝材料，也有各種新膠凝材料的研究成果[1]，其力學變形特性[2-3]差異較大。水泥的使用能夠提高膠結充填體的強度，減少其膠凝時間[4]，同時不同的固化溫度和時間對其強度影響不一樣[5]。為保證充填采礦法連續采礦的安全和高效，有必要對處于早期強度充填體與圍巖之間相互作用，特別是接觸面及接觸帶的相關力學變形破壞特征進行研究。對于接觸面問題，目前研究較多的是土工合成界面的剪切相互作用機制[6]、土與混凝土或金屬接觸面問題，如砂土-結構接觸界面[7-8]、鋼-土接觸面[9]、膨脹土-樁接觸面[10]、碎石土與混凝土接觸面[11]、紅黏土與混凝土結構接觸面[12]、黃土-泥巖接觸面[13]、筑壩料接觸面[14]、巖層之間的不整合面[15]，包括采用ANSYS有限元軟件[16-17]、RFPA2D模擬軟件[18]等進行的接觸面數值模擬試驗。

充填體早期強度的線彈性變形階段與圍巖之間的相互作用，相關研究文獻較少，對于接觸面的表征手段也更少。為了更好研究處于早期強度充填體與圍巖之間的相互作用，代仁平[19]、辛明亮[20]、洪曉斌[21]等提出引入PVC塑料薄片的方式進行監測，這種監測方式在隧道圍巖裝藥結構的保護、管道安全評估和損傷的被測定與定位中應用較廣。楊愛明等[22]研究了PVC塑料片材是否摻CaCO3所引起的增塑劑含量對其裂紋形成的影響。張淑佳等[23]通過研究發現:PVC塑料裂紋擴展是從細小的空洞逐漸發展成為次級裂紋，達到一定損傷積累后，微裂紋與主裂紋貫通導致主裂紋擴展。上述研究成果表明:利用PVC塑料加載之后的裂紋擴展監測圍巖和充填體接觸面的相互作用情況是可行的。而對于接觸帶處的圍巖和充填體，利用單因素分析其微觀幾何定量參數與物理力學參數之間的關系不理想[24]，需要進行多種表征手段的監測分析?；诖?，筆者除了對早期強度的充填體與圍巖接觸面進行裂紋擴展損傷表征外，還引入了PVC塑料薄片監測接觸面的力學特性，通過不同倍數電子顯微成像設備、光學顯微光譜變化、截面電鏡掃描等進行接觸面的裂紋擴展損傷破壞表征。在具體試驗中，通過100倍/1 000倍的電子顯微成像設備、高倍光學顯微鏡、電鏡掃描進行觀察。提出并實施的全精煉的工業石蠟模擬充填體早期強度，引入PVC塑料薄片，借助多種表征手段對加載破壞前后的PVC塑料薄片進行監測表征，理清早期強度充填體與圍巖之間的相互作用。

1 試驗準備

1.1 相似原理

為了試驗的需要，現場取樣巖石只能切割成標準件，不能隨意按照試驗需要進行形狀的切割(經過實驗室的切割機嘗試形狀切割，無法達到試驗需要的形狀要求)，于是選擇采用相似原理，通過實驗室配比試驗模擬圍巖，便于實驗室澆筑試驗模型，開展圍巖與膠結充填體相互作用的力學試驗。

為了模擬早期強度膠結充填體與圍巖的相互作用，運用相似原理開展相關材料的選擇及配比試驗。根據物理幾何相似原理，物理力學模型試驗應滿足的相似判據如下:

(1)

其中，Cσ為應力相似常數;Cl為幾何相似常數;Cγ為容重相似常數。取充填現場充填體與頂板圍巖接觸帶區域為參照，幾何相似縮放同等比例，則相似模擬配比試樣較圍巖的應力和容重比要相等。通過大量的相似配比試樣，最后確定圍巖采用水泥河砂為1∶4的配比試樣，其最大抗壓強度為12.865 MPa，容重為26.49 kN/m3，全精煉的工業石蠟熔化后澆筑的試驗，其最大抗壓強度為0.724 MPa，容重為0.927 kN/m3，而充填現場圍巖最大抗壓強度為20.016～118.5 MPa，容重為41.2 kN/m3，現場膠結充填體后期的最大抗壓強度為1.560～4.615 MPa，容重為2.018 kN/m3?？紤]膠結充填體早期強度在0.8 MPa以內(圖1(a))，而膠結充填體28 d的強度最大能夠達到4 MPa左右，即充填體的早期強度大概是充填體后期強度的1/5，各相應比值近似為1，滿足相原理。

水泥尾砂配比的膠結充填體試樣，具有隨灰砂比增大，其強度逐漸增大的趨勢，但灰砂比并不是影響其強度的主要因素。在砂漿濃度控制在68%的情況下，試樣內部的搗實程度不一，對其影響較大。膠結充填體配比試樣1 d的強度較低，脫模較困難，其中1～9 d的強度由0.1 MPa變化到0.8 MPa。而27～36 d的強度可以達到4.231～4.615 MPa(圖1(b)和(c))。膠結充填體在早期時的應力應變曲線呈現較明顯的規律性應力回彈現象，此時的膠結充填體在較小荷載作用情況下，受到荷載擠壓時其局部發生變形破壞產生臨時卸壓，未破壞區域具備較大的彈性應變能，能夠重新恢復到一定的彈性狀態。處于早期強度的膠結充填體在荷載作用下，應力變化主要存在2種情況：一是比較普遍的線性變化規律，二是快速上升到一定階段之后再呈現線性變化規律。而當膠結充填體處于后期強度時，其應力應變曲線變化較為平滑，在較小荷載作用下，隨著應變的增大，應力變化較為平緩，待應變達到0.002 5左右時，應力開始快速增大，直到將要破壞時趨于平緩。

1.2 試樣制備

本次試驗基于相似原理制作了圓柱體復合試樣，試樣尺寸為:直徑(D)=50 mm，高度(H)=100 mm。試樣按2∶1∶2的幾何比例垂直分為上、中、下3部分，其中上部模擬圍巖(由配比水泥河砂膠結而成)，中部模擬早強充填體(由石蠟澆筑而成)，下部模擬未采動圍巖(由配比水泥河砂膠結而成)。

圍巖與早強充填體的相互作用規律研究，從試驗方案的選擇、材料的模擬及表征手段都是一個難點。為此，選擇了全精煉的工業石蠟模擬充填體，在試驗過程中為了更好模擬圍巖與早強充填體接觸區域的非均勻受力情況，在石蠟中添加玻璃球，即將顆粒狀的工業石蠟加熱熔化后倒入排布好(將玻璃珠沿最外沿均勻布置，然后在中間布置一顆玻璃珠)的含有玻璃球的標準模具的指定刻度線處，待石蠟冷卻固化后，組成的玻璃球石蠟復合體(圖2)作為接觸帶材料的模擬。

圖2 玻璃球+石蠟復合體Fig.2 Glass ball+paraffin complex

考慮接觸帶區域需要進行應變值監測、充填體與圍巖接觸面損傷破壞表征、充填體與圍巖的非均勻受壓，分別構建相應的模型，總共設計3種試驗方案。第1種方案是模擬充填體的石蠟圓柱餅，石蠟圓柱餅的下表面與圍巖接觸面處用AB型環氧樹脂緊密粘貼，上表面與圍巖自由緊密接觸。在充填體與圍巖接觸帶附近設置應變值監測點。第2種方案是在第1種方案基礎上，在石蠟圓柱餅上表面與圍巖接觸面之間放置PVC塑料薄片，用以表征加載情況下的圍巖和充填體相互作用。第3種方案是在第2種方案基礎上，把其中的石蠟圓柱餅換成石蠟+玻璃球的圓柱餅，用以模擬在荷載作用下，接觸面不均勻受力情況下的相互作用，一樣在接觸面之間通過PVC塑料薄片表征損傷破壞情況。實際當中，圍巖存在一定的初始應力，考慮試驗條件的限制，試驗中作了弱化處理。

1.3 試樣加載條件

將上述試樣養護28 d后，在WAW-300微機控制電液伺服系統上進行軸向加載，先是進行位移加載，位移控制速度為0.01 mm/s，待荷載達到0.5 kN后，轉為試驗力控制，控制速度為0.001 kN/s。

為了比較的方便，將3組試樣中的接觸面劃分4個區域，分別標號1,2,3,4(圖3)，在試驗開始前，進行顯微成像，待破壞后再進行顯微成像，以便進行兩者之間的比較。

圖3 試樣及其加載Fig.3 Specimen under different loading

PVC塑料薄片監測早強充填體與圍巖的相互作用，由于充填體處于彈性階段，接觸面變形并沒有形成斷裂和宏觀上的孔洞。為了進一步驗證PVC塑料薄片在高壓加載下的破壞情況，通過在上下型圍巖和上中下型圍巖接觸面布置PVC塑料薄片，借助聲發射儀，將復合體加載至破壞，觀察PVC塑料薄片的裂紋擴展及損傷破壞情況。

2 試驗結果與分析

2.1 應力應變曲線

在上下部分為圍巖，中間為充填體(石蠟模擬)的復合體試樣中，比較放置PVC塑料薄片和未放置PVC塑料薄片2種情況下復合體的應力應變曲線(圖4(a))。從圖4(a)可以看出，PVC塑料薄片的加入并沒有呈現強度改變的規律性變化，說明PVC塑料薄片并不具備改變復合體試樣力學變形特性的作用。通過比較中間石蠟模擬和玻璃珠石蠟模擬情況下的復合體應力應變曲線，玻璃珠的加入大大降低了復合體的強度，使復合體的強度從1.4～1.8 MPa降低到只有0.30～0.45 MPa(圖4(b))，縮小近3/4。

圖4 圓柱體應力應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of cylinder

通過軸向加載，對各復合體試樣配置引伸計進行應力應變曲線的獲得。復合體先是隨荷載的加大，應變不斷增大。而在石蠟中摻入玻璃球之后，在加載過程中，接觸帶區域首先通過玻璃球受力，相比未加玻璃球的石蠟，在較小應變情況下，其應力值增加迅速，達到一定應力之后，較早進入屈服破壞階段。待其應變達到一定程度，有多處應力回彈階段(圖4(b)中標示橢圓圈處)。這是因為膠結充填體與圍巖在荷載作用下，由于圍巖與充填體的強度差別較大，主要是充填體發生破壞。而模擬充填體的玻璃珠石蠟在荷載作用下，如果破壞發生在充填體靠近臨空面處，此時充填體受拉破壞，局部受拉破壞不會引起整個充填體的完全破壞，受拉破壞區還將不斷積累，在不斷產生受拉破壞的積累過程中，形成局部破壞時的泄壓而使充填體出現應力回彈現象。在充填體中加入玻璃珠，雙介質體的充填體在荷載作用下，由于充填體區域非均勻受力，充填體不同區域發生破壞情況不同，當局部出現較大破壞時，玻璃珠具備較強的承載能力，出現的應力回彈現象將繼續隨應變變化而應力逐漸增大。

2.2 裂紋擴展

模擬圍巖的配比試樣和石蠟組成的圓柱復合體，中間層的石蠟圓柱餅在加載情況下會出現裂紋擴展，直至破壞。置于配比試樣和石蠟接觸面的PVC塑料薄片隨之也發生相應的變化。不同的加載方式，不同強度的試樣復合體在加載破壞后PVC塑料薄片的破壞情況不一，有直接的表壁裂紋，也有肉眼不可見的刻痕和壓槽的出現。

2.2.1 石蠟表壁

未加載前，石蠟表壁平整光滑(圖5(a))，加載破壞后，石蠟圓柱餅呈周邊塊狀破壞(圖5(b))。為了更好研究石蠟表壁破壞前后的微觀裂紋演化情況，通過100倍電子顯微成像設備(型號:No.7751W clip-type Microscope)對模擬接觸帶的石蠟圓餅進行加載破壞前后的顯微成像比較。通過前后對比，4個區域出現2種程度的損傷破壞情況。第1種是裂紋的擴展，第2種是較大的損傷破壞的產生(圖5(b)和(c))。

圖5 加載前后石蠟表壁變化Fig.5 Changes of paraffin surface before and after loading

在加載時，如果能夠控制加載速度，特別是加載破壞時的及時卸載，能夠使石蠟圓柱餅保持一定的完整性。從圖5可以看出，石蠟圓柱餅4個區域分別出現了裂紋，區域1出現螺旋式損傷破壞，區域2出現了類平行式損傷破壞，區域3和區域4出現了交叉損傷破壞。

2.2.2 PVC塑料薄片表壁

將PVC塑料薄片放置配比試樣與石蠟接觸面之間。因為PVC塑料薄片的平整性，加壓前進行細觀掃描，加載試驗之后再進行細觀掃描，觀察不同加載情況下的PVC塑料薄片的表壁形貌變化。未加載之前，PVC塑料薄片表壁的顯微成像光滑平整(圖6(a))。加載破壞之后，PVC塑料薄片表壁存在應力集中現象，多處出現石蠟擠壓緊貼現象，表壁刻痕增多。而在玻璃球加石蠟的接觸帶非均勻受力作用下，PVC塑料薄片表壁出現的石蠟粘貼現象更明顯，且刻痕相較均勻受力的石蠟接觸帶要多。用以標記成像參照點的黑色墨跡的數字標記(圖6(c))由于摩擦擠壓作用而已經面目全非，且表壁較為模糊。

圖6 PVC塑料薄片加載Fig.6 PVC plastic sheet under different loading

從礦山現場選取不同水平的圍巖制成D=50 mm，H=50 mm試件后，將PVC塑料薄片放置在兩個試件之間，用AB環氧樹脂緊密粘貼并進行加載破壞試驗。由于圍巖中存在微小節理裂隙等原因，導致傳遞至圍巖接觸面的載荷情況不一，PVC塑料薄片出現了明顯的收縮折痕和損傷破壞現象(圖7)。

圖7 PVC塑料薄片加載破壞Fig.7 PVC plastic sheet failure under different loading

從試驗情況來看，出現這些折痕和破壞的地方也是圍巖接觸面的圍巖發生內部錯動和產生較大破壞的區域，特別是破壞沿著節理裂隙面展開，從而也有力證明了PVC塑料薄片表征接觸面損傷破壞情況的合理性。

將D=50 mm，H=50 mm的兩個圓柱體花崗巖在鉆孔切割打磨后，再用小型角磨機對接觸面進行細微打磨平整，將相同大小(D=50 mm)的PVC塑料薄片通過微機控制電液伺服萬能試驗機加載至不同荷載時停止，再通過1 000倍電子顯微成像設備觀察，各顯微成像差異性較大(圖8)。從圖8可以看出，在不同載荷作用下，PVC塑料薄片的表壁微觀顯微結構存在差異，隨著荷載的加大，由于內部結構發生壓密或拉伸，顏色形態從未加載時的透明狀變化到加載較大荷載時的顏色加深，且表壁逐漸毛糙。

圖8 PVC塑料薄片表壁不同荷載作用下的電子顯微成像微觀圖Fig.8 Microscopic view of PVC plastic sheet under different loading

為了更好弄清PVC塑料薄片在加載過程中的內部刻痕情況，將加載后的塑料薄片在高倍光學顯微鏡下進行顯微成像觀察(圖9(a))。從圖9(a)可以看出，PVC塑料薄片內部各處因為加載情況的不同，內部疏密程度不同，所引起的光的折射與反射情況不一，呈現出不同的光斑。不同受力情況下，各條狀光斑顏色呈現較大差異。

PVC塑料薄片加載后，橫斷面的內部結構也發生了較大變化。從JSM-6610型電鏡掃描圖像來看，PVC塑料薄片未加載時，截面上下表壁較為平整。

圖9 PVC塑料加載后微觀圖Fig.9 Mircograph of PVC plastic loaded

加載后，PVC塑料薄片截面各處窄寬不一，其受壓區壓密變形，受拉區拱起。隨著荷載作用的加大，特別是荷載達到45 kN后，內部出現了明顯的微小孔洞。當荷載加到60 kN時，內部出現分層現象。待載荷加到70 kN時，截面出現多處大小孔洞，大的尺寸達到60 μm×40 μm(圖9(b))。

2.3 接觸帶區域應變變化

除了對接觸面進行細觀損傷觀察外，在石蠟接觸帶附近進行了不斷加載作用下的應變值監測，分別設置3個監測點(圖10(b))。

圖10 加載過程中各監測點處的應變變化Fig.10 Strain variation at each monitoring point under different loading

通過圖10(a)中3個監測點處的應變值變化情況來看，在加載前期，3個監測點的應變值都在不斷增加，石蠟上部的CH3號監測點應變值在短期內增長較快，之后處于較平穩的動態平衡階段，最后受到石蠟充填體破壞的影響，應變值變化趨于零;而CH4號和CH5號監測點的應變值在加載前期處于穩定的線性增長階段，待應變值增長到一定程度，CH5號監測點應變值出現較快速的增長，并保持增大趨勢，而中部CH4號監測點應變值急速增長，最后因石蠟充填體破壞，應變值突降。圖10(c)中3個監測點在加載前期增長規律一樣，在玻璃球+石蠟的圓柱餅充填體存在作用下，CH4號監測點的應變值不穩定，出現了拉壓應變的往復現象。

2.4 聲發射變化規律

DS2系列全信息聲發射信號分析儀可提供到達時刻、幅度、持續時間、上升時間、振鈴計數、上升計數、能量、RMS值、ASL值及峰值頻率等完整的聲發射信號參數，通過相關測量，定位復合體試樣內部AE點分布及加載過程中的振鈴計數和振鈴計數累加值隨加載時間的變化情況。在圍巖的加載過程中，礦山研究水平的充填體現場圍巖夾石含量較豐富(平均含量達到20.33%，加載圍巖夾石主要為硬石膏，也有石英長石斑巖、閃長玢巖、花崗巖、花崗斑巖、矽卡巖、大理巖、角巖等)，相應弱化了圍巖的抗壓強度。圍巖試件的試驗力隨著位移的增長，在加載前期變化緩慢，當位移達到0.35 mm左右時，試驗力-位移曲線斜率快速增大并趨于動態恒定，直到試件發生破壞。從AE點的分布來看，其主要發生在試件的表壁夾石分布處(圖11)。

圖11 試樣的試驗力-位移曲線Fig.11 Test force-displacement curve of specimen

從圖12(a)可以看出，10 mm厚度的石蠟充填體模擬層，因為充填體的強度遠小于圍巖，致使應力集中造成的破壞主要發生在充填層。在應力集中過程中，因為充填體的應力轉移和吸收，導致應力不會產生較大集中，相應的AE振鈴計數變化沒有出現集中的突變現象。在圖12(b)中，當充填體厚度增大一倍，提高到20 mm時，在加載過程中，在復合體將要破壞時，AE振鈴計數發生了集中的突變，其值達到826。說明充填層高度的增加，提高了充填體層的儲能能力和抵抗應力變形的能力，復合體產生了破壞前的應力集中，相應產生的振鈴計數發生突變。

圖12 圍巖的振鈴計數-振鈴計數累加值-應力-時間曲線Fig.12 Ringing count-the ringing count cumulative value-the stress-time curves of the surrounding rock

3 結 論

(1)通過石蠟模擬充填體早期強度，進行圍巖與充填體之間的相互作用試驗研究，較好的達到了試驗效果，為圍巖和早強充填體相互作用的研究提供了一種新的研究手段。

(2)引入PVC塑料薄片監測接觸面的應力集中及變形情況，通過其損傷破壞建立不同荷載作用下的對應關系，具備一定的可行性。

(3)通過實驗室試驗，在不斷加載過程中，接觸帶裂紋萌生、擴展至最后破壞，存在3種不同情況的損傷特征:① 螺旋式損傷破壞，② 類平行式損傷破壞，③ 交叉損傷破壞。加載過程中，接觸帶的石蠟應力值增加較快，對接觸帶上部的圍巖應力影響明顯。通過聲發射儀監測顯示，復合體試樣內部破壞首先發生在存在節理或夾石處，進而導致充填體接觸面發生非均勻受力而產生相應的變形破壞，造成PVC塑料薄片加載前后的微觀成像和電鏡掃描圖像存在較大差異。