锚喷支护巷道喷射混凝土力学性能试验研究

方树林

(1.煤炭科学研究总院，北京 100013；2.中煤科工开采研究院有限公司，北京 100013；3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；4.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013)

煤矿锚喷支护应用非常普遍，这项技术包含锚杆(索)支护和喷射混凝土支护两部分[1]。随着锚喷支护技术的日趋成熟和研究的不断深入，近年来对喷射混凝土强度指标的确定和影响因素的分析形成了诸多研究成果[2-8]。李瑞璟等[9]、张晓丹等[10]分别通过试验，测得了高强粉煤灰陶粒混凝土的弹性模量及泊松比和大掺量粉煤灰混凝土的早后期强度；罗金等[11]、赵春孝等[12]分别对磨细矿渣配制大体积混凝土和高强混凝土及喷射钢纤维混凝土的性能进行了试验研究；李建民等[13]研究了煤矿井下喷射混凝土减尘降弹技术；汪在芹等[14]采用自行设计的室内湿喷混凝土性能检测方法，开展了喷射混凝土的力学、抗裂及施工性能试验研究；丁莎[15]围绕微观性能、力学性能、渗透性三个方面，通过试验研究了喷射混凝土不同配合比对其微观结构和宏观性能的影响；王家滨等[16]分别考虑水胶比、粉煤灰和钢纤维影响，研究了喷射混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度经时变化规律以及渗透性、耐久性特点；李培涛[17]研究了20～50℃的不同温度环境下喷射混凝土进行物理性能和强度特性、抗压破坏本构关系模型、粘结性能和耐久性；张戈[18]详细研究了配合比参数、矿物掺合料、聚乙烯醇纤维、速凝剂掺量等因素对掺入无碱速凝剂喷射混凝土性能的影响规律，提出了高性能喷射混凝土组成设计方法；梁巨理[19]研究了矸石基喷射混凝土的力学性能。一般情况下，煤矿喷射混凝土在巷道表面硬化成型后，要受到围岩变形和锚杆、锚索及其构件的多重作用，受力状态极其复杂。实际工程中，喷射混凝土也极少处于简单的单轴受力状态。但由于多轴受力状态下的力学性能十分复杂，难以建立一种不同受力条件下的混凝土强度理论，所以上述大多数试验研究还是以单轴受力的强度作为标准，由此得到的应力应变关系及强度值是衡量喷射混凝土特性的最基本值，简单受力条件下直接由试验测出的强度值仍是喷射混凝土设计理论中的主要依据。因此，本文以煤矿巷道锚喷支护工程为依托，通过从煤矿现场选取原料、实验室制作试块、在压力机上试验的方法，对喷射混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度以及粘聚力和内摩擦角等力学性能指标进行了全面测试，以期通过科学高效的实验方法获得煤矿喷射混凝土的力学参数和性能特征。

1 喷射混凝土试验方案

1.1 试验材料及配合比

表1 喷射混凝土试验材料及配合比

1.2 喷射混凝土试块制作和养护

为了反映喷射混凝土的实际工艺和真实强度，在煤矿井下施工现场进行喷射混凝土试块制作。根据《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范(GB 50086—2015)》[20]，喷射混凝土试块现场取样采用“喷射大板法”，即在井下将混凝土拌合物喷到450mm×450mm×120mm(长×宽×高)的木试模中制成大板，待其初步硬化后脱模，按照试验所需的尺寸将其切割或钻取成标准试块(抗压和抗拉强度试块尺寸100mm×100mm×100mm立方体、抗弯强度试块尺寸100mm×100mm×400mm长方体、抗剪强度试块尺∅50mm×50mm圆柱体)，然后在井下现场环境中养护一定时间，最后采用WE-300B型压力试验机对养护好的试块进行抗压、抗拉、抗弯以及抗剪等系列强度试验。喷射大板法制成的标准试块如图1所示。

图1 “喷射大板法”现场制作混凝土试块

2 喷射混凝土试验原理、过程与结果

2.1 抗压强度试验

2.1.1 试验原理及过程

将100mm×100mm×100mm立方体试块表面擦拭干净，然后把试块置于试验机下压板正中间，保证二者中心垂直对准，开动试验机，使上压板与试块接触，调节压力机油门保持连续均匀加压，加压速度控制在0.3～0.5MPa/s，当试块开始急剧变形、接近破坏时，停止试验机油门，直至试块完成破坏，记录此时试验机油表读数，即为试块的破坏荷载，如图2所示。根据破坏荷载，按照下式计算抗压强度：

fcc=0.95F/A

(1)

式中，fcc为混凝土立方体试块抗压强度，MPa；F为试块破坏载荷，kN；A为试块承压面积，m2。

图2 喷射混凝土抗压强度试验过程

2.1.2 试验结果及分析

以7d为单位，分别测出混凝土试块在养护1d、7d、14d、21d和28d后的受压破坏载荷，试验结果见表2。运用最小二乘法对表2中的五组试验数据进行回归分析后，得到喷射混凝土的抗压强度随时间变化曲线，如图3所示。

表2 喷射混凝土抗压强度试验结果

图3 喷射混凝土抗压强度变化曲线

对曲线进行回归分析后，得到喷射混凝土抗压强度与时间的关系为：

fcc=15.03ln(t)+4.94(t≥1d)

(2)

式中，fcc为喷射混凝土抗压强度，MPa；t为混凝土喷射完成天数，d。

从图3中可以看出：①喷射混凝土的抗压强度随时间呈明显的对数增长规律，即抗压强度随时间增长先快后慢，以7d为间隔，前期第7d比第1d增长19.89MPa，幅度达373%，后期第28d比第21d增长4.76MPa，幅度仅12%；②后期抗压强度增长缓慢，可能与养护湿度降低有关，由于试验所用试块的养护方法是在井下环境中自然养护，随着水分不断蒸发，养护龄期越长，试块湿度越低，从而导致水泥水化速度降低和水化程度不充分，这都在一定程度上影响了强度的增长；③混凝土喷射1d后的平均强度为5.34MPa，28d平均强度为44.28MPa。

2.2 抗拉强度试验

2.2.1 试验原理及过程

采用劈裂法测试混凝土的抗拉强度，试验装置包括垫块、垫条与支架，如图4所示。垫块为半径75mm的弧形钢块，长度与试块相同；垫条为三层胶合板制成，宽度为20mm，厚度为3mm，长度不小于试块长度；支架为钢支架，用于垫块和试块的定位。

图4 混凝土抗拉强度试验装置 (mm)

在100mm×100mm×100mm立方体试块侧面中心位置标上一条开裂标示线，然后将试块放在试验机下压板的中心位置，保证劈裂承压面和劈裂面与试块成型时的顶面垂直；在上、下压板与试块之间垫以圆弧形垫块及垫条各一条，垫块与垫条与试块上、下面的中心线对准并与成型时的顶面垂直安装在定位架上；开动试验机加压，直至试块破坏，最后记录破坏荷载，试验过程如图5所示。根据试块的劈裂破坏载荷，按照下式计算其抗拉强度：

式中，fts为混凝土试块劈裂抗拉强度，MPa；F为试块破坏载荷，kN；A为试块承拉面积，m2。

图5 喷射混凝土抗拉强度试验过程(劈裂法)

2.2.2 试验结果及分析

喷射混凝土抗拉强度试验结果见表3。运用最小二乘法对表3中的数据进行处理后，得到喷射混凝土的抗拉强度随时间变化曲线，如图6所示。

表3 喷射混凝土抗拉强度试验结果

图6 喷射混凝土抗拉强度变化曲线

对曲线进行回归分析，得到喷射混凝土抗拉强度与时间的关系为：

fts=1.09ln(t)+0.25

(4)

式中，fts为喷射混凝土抗拉强度，MPa；t为混凝土喷射完成天数，d。

由此可见：①喷射混凝土的抗拉强度随时间呈明显的对数增长规律，前期增长迅速、后期增长缓慢，第7d的增长幅度高达406%，第28d的增长幅度仅为9%，后期抗拉强度增长缓慢，可能与养护温度和湿度降低有关；②混凝土28d基准抗拉强度为3.04MPa，为抗压强度的7%，说明了喷射混凝土同岩石一样，也属于抗压不抗拉材料，因此工程中要尽量避免混凝土处于受拉的不利状态。

2.3 抗弯强度试验

2.3.1 试验原理及过程

采用三等分法测试混凝土的抗弯强度，试验装置包括支座、压头与垫板，如图7所示。支座采用钢制材料加工而成，配有两个支撑点，跨度为350mm。压头采用直径为30mm、长度120mm的硬钢圆柱，与支座配合使用，达到能使二个相等荷载同时作用在试块跨度三分点处的目的；钢垫板采用机械加工，承压面的平面度公差为0.04mm，表面硬度不小于55HRC，硬化层厚度约为5mm，平面尺寸应不小于试块的承压面积，厚度应不小于25mm。

图7 混凝土抗弯强度试验装置

在100mm×100mm×400mm长方体试块侧面中心位置标上一条弯裂标示线，保证在长向中部1/3区段内不得出现表面直径超过5mm、深度超过2mm的孔洞；安装尺寸偏差不得大于1mm；开动试验机加压，直至试块破坏，最后记录破坏荷载，试块安装及试验过程如图8所示。测出混凝土长方体试块的断裂破坏载荷后，观察试块下边缘断裂位置，若断裂位置处于二个集中荷载作用线之间，则按照下式计算混凝土抗弯强度：

式中，ff为混凝土长方体试块抗弯强度，MPa；F为试块断裂破坏载荷，kN；l为支座跨度，mm；b为试块截面高度，mm；h为试块截面宽度，mm。

图8 喷射混凝土抗弯强度试验过程

2.3.2 试验结果及分析

喷射混凝土抗弯强度试验结果见表4。运用最小二乘法对表4中数据进行处理，得到喷射混凝土的抗弯强度随时间变化曲线，如图9所示。

表4 喷射混凝土抗弯强度试验结果

图9 喷射混凝土抗弯强度变化曲线

对曲线进行回归分析，得出喷射混凝土抗弯强度与时间的表达式为：

ff=-0.07t2+1.27t+0.54(t≥1d)

(6)

式中，ff为喷射混凝土抗弯强度，MPa；t为混凝土喷射完成天数，d。

由此可见：①喷射混凝土的抗弯强度随时间呈明显的抛物线式变化规律，前期增长迅速、后期增长缓慢，21d左右达到峰值，最大抗弯强度约为5.04MPa，之后有下降趋势，28d强度降幅为18%。②后期抗弯强度的下降，可能与喷射混凝土的柔性随时间降低及养护条件(主要是温度和湿度)变化有关。随着时间的增加，混凝土刚性增强，但柔性降低，即弯曲变形能力减小，导致后期混凝土在弯矩作用下易弯断破坏；同时，若养护环境中空气湿度不高(标养湿度92%)，水泥水化作用不充分，会在一定程度上降低抗弯强度；另外，由于井下养护温度偏低，导致抗弯强度增长缓慢，甚至停止增长。③喷射混凝土基准抗弯强度为4.11MPa，是抗拉强度的1.4倍，这说明与抗拉情况相比，喷射混凝土更能抵抗弯矩。

2.4 抗剪强度试验

2.4.1 试验原理及过程

采用变角剪切法测试混凝土的抗剪强度，剪切装置采用变角剪切夹具，如图10所示。利用压力机施加垂直载荷，通过该夹具使试块沿某一截面产生剪切破坏。

图10 变角剪切装置

安装∅50mm×50mm圆柱体试块，调整夹具承压板球形座，使变角剪切夹具受力均匀，安装尺寸偏差不得大于1mm；开动试验机加压，直至试块破坏，最后记录破坏荷载，试块安装及试验过程如图11所示。根据试块的剪切破坏载荷，按照下式计算其抗剪强度：

fτ=F/Asinα

(7)

式中，fτ为混凝土圆柱体试块抗剪强度，MPa；F为试块剪切破坏载荷，kN；A为剪切面积，mm2；α为剪切面与水平面的夹角，(°)。

图11 喷射混凝土抗剪强度试验过程

2.4.2 试验结果及分析

喷射混凝土抗剪强度试验计算结果见表5。同样运用最小二乘法对表5中数据进行处理，得到抗剪强度随时间变化曲线，如图12所示。

表5 喷射混凝土抗剪强度试验结果

图12 喷射混凝土抗剪强度变化曲线

对曲线进行回归分析，得出喷射混凝土抗剪强度与时间的关系为：

fτ=-0.07t2+1.33t-0.57(t≥1d)

(8)

式中，fτ为喷射混凝土抗剪强度，MPa；t为混凝土喷射完成天数，d。

由此可见：① 喷射混凝土的抗剪强度随时间的变化规律同抗弯强度一样，也呈抛物线式变化，即前期增长迅速、后期增长缓慢，21d左右达到抗剪强度峰值(5.26MPa)，之后呈现下降趋势，28d强度降幅为19%；②后期抗剪强度的下降，可能与喷射混凝土养护环境中温度和湿度的变化有关。由于该试验开展的时间正处冬季，试块养护温度较标养温度(20±2℃)偏低，导致抗剪强度增长缓慢，甚至停止增长；另外，养护环境中空气湿度较低(低于92%)，水泥不能进行正常水化反应，甚至停止水化，严重降低混凝土的抗剪强度；③喷射混凝土的基准抗剪强度为4.29MPa，与基准抗弯强度相近，是抗拉强度的1.5倍，说明喷射混凝土也能抵抗一定的剪切外力，这与组成混凝土原材料中的骨料(特别是石子)提供较大摩擦力有关。

2.5 τ-σ强度曲线

根据摩尔-库伦强度理论，材料的抗剪强度与剪切面上的法向应力(正应力)呈正比关系，见式(9)：

τ=C+σtanφ

(9)

式中，τ为混凝土剪切面上的剪应力，MPa；σ为混凝土剪切面上的正应力，MPa；C为粘聚力，MPa；φ为内摩擦角，(°)。

按照式(9)计算得出的混凝土抗剪强度fτ，实际是单个试块在剪切破坏面上的剪应力τ，对于剪切面上的正应力σ可以根据式(10)算得：

fσ=F/Acosα

(10)

式中，fσ为混凝土剪切面上的正应力，MPa；F为试块剪切破坏载荷，kN；A为剪切面积，mm2；α为剪切面与水平面的夹角，(°)。

喷射混凝土剪应力和正应力计算结果见表6。算出剪应力和正应力后，将二者的平均值绘在τ-σ直角坐标系中，可以得到喷射混凝土的τ-σ强度曲线，如图13所示。

表6 喷射混凝土剪应力和正应力计算结果

图13 喷射混凝土τ-σ强度曲线

曲线在τ轴上的截距对应粘聚力C，曲线的斜率对应内摩擦角φ。据此对曲线进行回归分析，得出喷射混凝土的摩尔-库伦抗剪强度表达式为：

τ=0.20+1.18σ=0.20+σtan50°

(11)

由此可得，喷射混凝土的粘聚力C=0.20MPa，内摩擦角φ=50°。

3 结 论

1)采用“喷射大板法”在煤矿井下施工现场进行喷射混凝土试样制作，并通过实验室试验的方法，以养护龄期为单一考虑因素，全面测试了喷射混凝土在不同龄期下的抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度以及粘聚力和内摩擦角等力学参数，得到28d基准抗压、抗拉、抗弯、抗剪强度分别为44.28MPa、3.04MPa、4.11MPa、4.29MPa，后三者分别约为前者的7%、9%、10%，同时得到喷射混凝土的粘聚力约为0.20MPa、内摩擦角约为50°，为喷射混凝土力学性能评估和数值模拟参数选取提供了依据。

2)喷射混凝土的抗压、抗拉强度随时间呈对数式增长规律，前期增长迅速、后期增长缓慢，第7天的增长幅度高达373%～406%，第28d的增长幅度仅为9%～12%。

3)抗弯、抗剪强度随时间呈抛物线式变化规律，前期一直增长，至21d左右达到峰值，之后呈下降趋势，28d抗弯、抗剪强度降幅分别为18%、19%。