靜態破碎劑脹裂含圓孔對稱預制裂隙混凝土試塊

陳立峰,袁瑞甫,董 卓,吳俊杰

(河南理工大學 能源科學與工程學院,河南 焦作 454000)

0 引言

在煤炭開采過程中,許多工作面頂板巖體具有強度高、完整性強、裂隙發育差等特點。 上述煤層頂板在開采后如果不及時放頂,容易造成嚴重的沖擊地壓或瓦斯事故[1-2]。 靜態破碎劑脹裂巖體技術為煤層頂板高效、安全放頂提供了理論基礎和實踐的可能性,該技術將靜態破碎劑按一定的水灰比拌和均勻,裝入鉆孔中,經過一定時間的水化反應產生膨脹壓力使物體開裂[3-5]。 李瑞森等[6]通過在鋼管上面粘貼電阻應變片,研究了靜態破碎劑膨脹壓力隨時間的變化規律。 馬召輝等[7]通過預制切槽鉆孔和空孔實驗表明,如果對圓形孔眼設置切槽,切槽方位對脹裂裂縫的方向會產生顯著影響。

在上述研究的基礎上,通過制作含圓孔對稱預制裂隙混凝土試樣,探究預制裂隙長度與試樣強度對破碎效果的影響規律,該研究對提高井下堅硬頂板放頂效率、降低工程費用具有重要意義。

1 靜態破碎劑脹裂混凝土試件原理

混凝土材料的抗壓強度一般為15 ～50 MPa,抗拉強度約為3 MPa,是一種典型的脆性材料[7]。 由于脆性材料自身抗拉強度較低,靜態破碎劑產生的膨脹力作用在試件孔壁上,當孔壁承受的徑向膨脹力達到材料的拉應力極限時,孔壁上開始出現裂縫,進而裂縫持續發育,最終裂縫貫穿,宏觀表現為約束體破碎。 圓孔內膨脹力的分布情況如圖 1 所示。

圖1 單孔膨脹致裂應力分析圖

式中:q(t)為施加于孔壁的膨脹力,MPa;R為充填孔的半徑,mm;r為任意一點至充填孔孔壁的距離,mm。

對于含圓孔對稱預制裂隙混凝土試樣,根據斷裂力學理論,在孔內膨脹力作用下預制裂隙尖端將產生明顯的應力集中現象;當預制裂隙尖端的應力強度因子大于混凝土試件的斷裂韌度時,試樣將產生脹裂裂縫。 單孔含預制裂隙模型如圖 2 所示。

圖2 含圓孔對稱預制裂隙

式中,x2=a/(a+R),mm;a為預制裂隙長度,mm;R為圓孔半徑,mm。

2 試驗概況

混凝土靜態破碎劑脹裂試樣尺寸如圖3 所示,其中,圓孔直徑為40 mm,預制裂隙長度分別擬定為0、10、30、50 mm。

圖3 混凝土試樣尺寸設計圖

根據《混凝土骨料配合比手冊》獲得相應混凝土配合比,見表1。 在該配合比條件下混凝土的設計抗壓強度分別為50 MPa 和45 MPa。

表1 混凝土、砂漿骨料配合比

混凝土試樣經過 28 d 標準養護后,對試樣進行力學性質測試。 混凝土試樣與力學性質測試過程如圖4 所示,試樣力學性質測試結果見表2。

圖4 混凝土試件及力學測試過程

表2 試件巖石力學參數

試驗采用江西萍鄉生產的SCA-Ⅱ 膨脹劑,通過電阻應變測量法(按照水灰比為0.3 配制膨脹劑,將攪拌均勻的膨脹劑漿體灌入高度為500 mm、內徑為40 mm、外徑為50 mm 的鋼管中,通過粘貼在鋼管外表面的應變片獲得靜態破碎劑的環向膨脹力)獲得靜態破碎劑的膨脹力-時間曲線,如圖5 所示。

圖5 膨脹力-時間曲線圖

3 試驗結果與分析

3.1 破碎效果分析

混凝土試樣上粘貼應變片位置如圖6 所示,灌注膨脹劑混合液并進行連續監測,收集混凝土試樣靜態破碎全過程的應變數據。

圖6 應變片布置示意圖

預制裂隙長度與試樣強度對破碎裂縫發育程度的影響如圖7 所示。 由圖可知,當預制裂隙長度為0 mm(不含預制裂隙)及10 mm 時,經過靜態破碎后試樣脹裂裂縫發育最多,在垂直于試樣四邊方向形成4 條宏觀脹裂主裂縫。 當預制裂隙長度為30 mm 時,對稱預制裂隙的導向作用逐漸增強,宏觀脹裂主裂縫將沿著預制裂隙尖端發展,同時在垂直試樣上邊緣方向形成一條宏觀脹裂主裂縫。 當預制裂隙長度進一步增加(50 mm),其導向作用進一步增強,即預制裂縫尖端產生較強的應力集中現象(應力強度因子增大),因此,靜態破碎后的宏觀脹裂主裂縫僅沿著預制裂隙尖端發展,最后將試樣劈裂為兩部分。 通過分析不同試樣強度下的宏觀脹裂主裂縫發育特點,可以看出試樣強度對靜態破碎后宏觀脹裂主裂縫發育情況影響較小。

圖7 混凝土試樣靜態破碎效果

3.2 應變結果分析

不同預制裂隙長度與試樣強度條件下記錄得到的應變數據如圖8 所示。 由圖8 可知,在不同預制裂隙長度與試樣強度條件下,在靜態破碎試驗前期與中期應變隨時間的變化趨勢基本相同,均表現為較為平緩的變化趨勢,此時宏觀脹裂主裂縫尚未形成。 而在靜態破碎試驗后期應變隨時間的變化趨勢隨著預制裂隙長度的增加呈現不同變化趨勢。由圖 8(a)可知,當試件強度為40 MPa 且預制裂隙長度為50 mm 時,預制裂隙長度較長,因此隨著破碎時間的增加,在預制裂隙尖端產生較強的應力集中現象(應力強度因子逐漸增大),當預制裂隙尖端的應力強度因子達到混凝土試樣的斷裂韌度時,在預制裂隙尖端形成脹裂裂縫,同時伴隨著能量釋放,由此引起應變片1、2 和3 數值發生顯著變化。隨著預制裂隙長度的變化,其應變隨破碎時間的變化趨勢基本相同,即隨著破碎時間的增加,能量逐漸釋放,導致相應應變顯著增加。 通過分析圖8 可知,預制裂隙越長的試樣在破碎時的應變變化趨勢越陡峭(a=50 mm),而當預制裂隙長度為10 mm時,試樣破壞時的應變變化較為平緩。 這是由于在同等膨脹力作用下,預制裂隙尖端的應力強度因子隨著裂隙長度的增加而增大,應力強度因子越大越容易達到其斷裂韌度,因此其能量釋放越突然,如圖8(a)所示。 而預制裂隙越短,由于需要更多的膨脹時間和膨脹力來使預制裂隙尖端應力強度因子達到其斷裂韌度,因此其破碎過程表現為較為明顯的能量釋放過程,如圖8(c)所示。 圖8(d)為試樣強度為48 MPa 且預制裂隙長度為10 mm時,應變隨破碎時間變化的趨勢。 通過與圖8(c)對比分析可知,試樣強度越高,宏觀脹裂主裂縫在形成過程中應變的變化趨勢越陡峭,說明在脹裂過程中能量的釋放越突然。

圖8 應變-破碎時間曲線

3.3 預制裂隙長度對破碎時間和破碎應力的影響

試樣強度為40 MPa 時預制裂隙長度對其破碎時間及破碎應力的影響如圖9 所示。 根據圖9(a)可知,當預制裂隙長度為0 mm(不含預制裂隙)時,試樣的破碎時間為1 070 min。 同時隨著預制裂隙長度的增加,試樣破碎時間逐漸縮短;與不含預制裂隙試樣相比,預制裂隙長度為10 mm、30 mm 和50 mm 的試樣破碎時間分別縮短了18.58%、22.12%、50.44%。 通過圖9(b)可知,試樣的破碎應力隨著預制裂隙長度的增加逐漸降低。 由式(3)可知,裂隙尖端的應力強度因子隨著預制裂隙長度的增加而逐漸增大,說明在相同膨脹力作用下越容易達到試樣的斷裂韌度,從而產生宏觀脹裂裂縫,因此,預制裂隙越長,其破碎壓力越低。

圖9 預制裂隙長度對破碎時間和破碎應力的影響

4 結論

通過對混凝土試樣進行靜態破碎試驗,探究了預制裂隙長度及試樣強度對宏觀脹裂主裂縫數目、破碎時間及破碎應力的影響。 具體研究成果如下:

1)不含預制裂隙的混凝土試樣靜態破碎試驗形成4 條宏觀主裂縫,隨著預制裂隙長度增加,其導向作用逐漸增強,宏觀脹裂主裂縫逐漸減少;同時試樣強度對靜態破碎后宏觀脹裂主裂縫發育情況影響較小。

2)在靜態破碎過程中應變隨破碎時間的變化趨勢為隨著預制裂隙長度和試樣強度的增加逐漸變得陡峭,說明此時的能量釋放越突然。

3)試樣破碎時間和破碎應力隨預制裂隙長度的增加逐漸降低,表明含圓孔對稱預制裂隙模型能顯著提高破碎效果。