掺聚丙烯纤维尾砂充填体损伤及能量演化特征.pdf

为了探究掺聚丙烯纤维充填体在受载状态下的损伤特性及能量演化规律，对掺不同质量含量的聚丙烯纤维充填体进行单轴压缩试验，得到了掺不同纤维含量充填体优化后的本构模型。结果表明：向充填体添加聚丙烯纤维能够有效提高充填体的力学性能，当纤维含量达到 时，纤维增强充填体的效果最好；对现有的掺纤维充填体损伤本构理论模型进行优化，得到了优化后掺聚丙烯纤维充填体理论曲线，并将理论曲线与试验曲线和文献曲线进行对比验证，发现优化后的理论曲线与试验曲线拟合度更高；构建了损伤与应变能之间的关系，损伤应变能关系曲线能更好地描述掺不同纤维含量充填体的损伤特性，发现纤维增强充填体力学特性的主要机理，即纤维不仅增强了充填体储存应变能的能力，还增大了充填体峰后储能的能力。试验结果对科学指导井下矿体安全开采及充填体灾害预防具有一定意义。关键词：单轴压缩；力学特性；应变能；损伤本构模型；聚丙烯纤维中图分类号：文献标志码：文章编号：（）犇 犪 犿 犪 犵 犲犪 狀 犱犈 狀 犲 狉 犵 狔犈 狏 狅 犾 狌 狋 犻 狅 狀犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳犆 犲 犿 犲 狀 狋 犲 犱犜 犪 犻 犾 犻 狀 犵 狊犉 犻 犾 犾 犻 狀 犵犅 狅 犱 狔犕 犻 狓 犲 犱狑 犻 狋 犺犘 狅 犾 狔 狆 狉 狅 狆 狔 犾 犲 狀 犲犉 犻 犫 犲 狉 ，（，；，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，第期张龙等：掺聚丙烯纤维尾砂充填体损伤及能量演化特征 ，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；我国地表及浅部矿物资源已逐步被开发，进行深部开发已成为不可避免的趋势 。胶结充填采矿法不仅能够有效地控制采场地压，减少矿柱回采的贫损率，还能缓解尾矿库堆存尾砂的压力。充填体作为一种多相复合型材料，其损伤特性比岩石材料更加明显，其力学强度也远不如岩石材料 ，为了提高矿山开采的安全性，在保证矿山经济效益和满足工业试验要求的前提下，应尽量提高充填体的力学性能。在土建工程中，为了提高混凝土的力学强度，会对混凝土加入各种类型的外加剂。国内外学者借鉴掺纤维混凝土的思路，向充填体掺入纤维展开研究，并 取 得 丰 硕 的 研 究 成 果 。张 春 雷等对掺入混合纤维（钢纤维和聚丙烯纤维）充填体进行单轴压缩试验，并结合电镜扫描观测破坏后的充填体发现，混合纤维的加入对充填体的破坏模式有明显的影响，在单轴压缩破坏下，无纤维充填体试件主要以剪切破坏为主。而掺混合纤维充填体由于纤维的作用，会使试件在受压时的应力均匀分布，因此当掺混合纤维充填体发生破坏时，四周会产生许多微小次生裂纹。李源等向尾砂掺入不同含量的玄武岩纤维，对固化物进行抗压、微观以及干湿侵蚀响应实验，发现高黏尾砂掺入 的玄武岩最合适。掺入纤维会导致固化物产生微细裂隙，增加固化物的持水能力。徐文彬等在制备充填体时掺入含量不同的聚丙烯纤维作为加筋材料，以此改善胶结充填体性能，对试件进行无侧限抗压实验并借助 进行分析。结果表明：掺入纤维会改变充填体的破坏方式，通过 发现：掺入纤维的加固效果主要通过纤维与尾砂水泥基体界面之间的黏结和摩擦作用控制。等 采用声发射（）监测技术，研究了不同配比和不同类型纤维的充填体在单轴压缩条件下，纤维对 材料的力学提升机制破坏过程中的比能特征。研究表明：纤维的止裂作用和桥联作用抑制了 内部断裂趋势的扩展，从而增强了 的抗压强度和峰后损伤韧性；试件中灰砂比越高，试件力学性能越强，材料破坏所需能量越高，单位体积耗散的能量越大；振幅时间序列和 时间序列均具有良好的分形特征，与无纤维充填体相比，纤维增强充填体的幅值和 关联维数曲线对称性更明显，峰后分布更密集，关联维数和犫值在峰值应力处均出现快速下降的趋势，可作为纤维加筋充填体破裂预测的前兆信息。杨晓炳等 在制备含硫尾砂胶结充填体时掺入纤维，研究掺入不同纤维含量对增强充填体力学性能的影响，发现 掺 入 纤 维 含 量 在 为 最 佳 值。赵 康等 对掺不同类型的纤维以及掺不同含量的玻璃纤维损伤本构模型进行了研究。由上述研究成果可知，国内外学者虽对纤维增强充填体的力学性能开展了一定的研究，但有关于掺纤维充填体在受载过程中的能量演化特征和损伤规律方面研究较少。文献 中的研究表明：充填体在受载时，会出现不同阶段的损伤破坏，而在不同阶段的损伤破坏过程中，其能量耗散特点不尽相同。因此，研究掺纤维充填体在受载过程中的能量演化特征和损伤规律，对科学指导井下矿体安全开采及充填体灾害预防具有重要意义。本文拟对掺不同含量的聚丙烯纤维尾砂胶结充填体进行单轴压缩试验，分析掺不同含量纤维的尾砂胶结充填体，在压缩破坏各个阶段的损伤特性和能量耗散变化，构建掺聚丙烯纤维充填体的损伤本构方程，进一步揭示掺聚丙烯纤维尾砂充填体在受载过程中的能量损伤演化规律。掺聚丙烯纤维尾砂充填体力学试验 试件制备及试验方案）试件制备本次试验基于矿山工程实际的充填配比，制备试件的灰砂比为，料浆浓度为（尾砂质量为 ，水泥质量为 ，水质量 ），养护 龄 期 为。聚 丙 烯 纤 维（简称）掺量分为五组（掺量为 试件的质 量 含 量），依 次 为、有 色 金 属 工 程第 卷 ，结合马国伟等 和柏青松等 的研究，为使纤维更加均匀的分布在充填体中，故选用纤维长度为。每 组 制 备 五 个 试 件，采 用 全 尾 砂、的复合硅酸盐水泥作为胶凝材料，与自来水混合以制备 的圆柱型充填体试件。首先将尾砂和 按试验设计量混合干拌，再将水泥按照设计量加入搅拌，搅拌至 不再粘结成团，取下搅拌锅，将料浆浇注至 圆柱型模具中，用小搅拌棒搅拌料浆，使料浆密实，后脱模，并用黑色记号笔做好标记，脱模后移至恒温恒湿养护箱，养护（养护条件设置为：温度（），湿度 左右）。）试验方案使用 电子万能试验机，对掺 含量不同的五组充填体试件进行单轴压缩试验，每组五个试件，试件加载前先将试件上下两面用砂纸打磨平整，并涂上凡士林，确保试件与实验仪器接触界面完全接触。以 的加载速率持续加载，加载期间系统每 自动记录此项数据，每组的加载数据需剔除每组强度最大和最小的试件数据，取余下三组数据的平均值作为有效分析数据。得出掺不同含量 试件的应力应变曲线与单轴抗压强度，试验流程见图（聚丙烯纤维充填体试件简称 、未掺纤维充填体试件简称 ）。图试验流程示意图犉 犻 犵 犛 犮 犺 犲 犿 犪 狋 犻 犮犱 犻 犪 犵 狉 犪 犿狅 犳 狋 犲 狊 狋 犳 犾 狅 狑 力学试验结果分析将强度最大值和最小值剔除后，再将各个不同类型试件的三组强度数据求平均值，试验数据见表。由表可知，向尾砂胶结充填体掺入 会提高充填体的力学性能，根据掺入 含量不同，增强充填体试件强度效果也不一致，随着掺入 含量的逐渐增加，充填体的强度先升高再降低，当掺入 的 时 效 果 最 佳，此 时 试 件 强 度 达 到 ，掺入各个不同含量 的试件较前一含量试件强度增幅也有差别，、两种试件强度增幅最佳，皆为。究其原因，具有优良的物理力学性能，且化学性质稳定，将 掺入胶结充填体试件中，会被水化产物紧紧包裹，并不会与充填体中的物质发生反应。将充填体中的裂隙连接起来，当添加 表试验数据犜 犪 犫 犾 犲犈 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犱 犪 狋 犪 第期张龙等：掺聚丙烯纤维尾砂充填体损伤及能量演化特征的充填体受载时，会将试件受到的荷载有效地传递分散，减少应力集中，由此来减少微裂隙的产生及阻止裂纹的拓展。当 达到最佳含量时，之间会形成立体的网状结构相互连接，使纤维在试件中更加均匀有效的传递分散荷载，形成一种等效围压的作用力，约束试件因在受载过程中产生的侧向变形，使试件的稳定性得到提高。将试验数据进行处理，得到掺入不同 含量的试件的全应力应变关系曲线，如图所示。图掺不同含量犘 犉试件应力应变关系曲线犉 犻 犵 犛 狋 狉 犲 狊 狊 狊 狋 狉 犪 犻 狀狉 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀犮 狌 狉 狏 犲狅 犳 犳 犻 犾 犾 犻 狀 犵犫 狅 犱 狔狑 犻 狋 犺犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 犳 犻 犫 犲 狉犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋由图可知，与 试件在受载时都经历了孔隙压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段、峰后破坏阶段。与 试件在单轴加载条件下的变形破坏特征在峰值应变之前，无太大差别。在微孔隙压密阶段，随着荷载的增加，充填体中的微孔隙被压缩闭合，曲线呈现上凹形；在线弹性变形阶段，应力应变曲线近似一条直线，由于纤维会提高充填体的强度与韧性，试件在线弹性变形阶段的曲线斜率普遍大于 试件；在塑性屈服阶段，曲线呈现下凹形，曲线斜率会逐渐减小直至为，达到峰值强度，在这个阶段，试件中的微裂隙开始逐渐发育，随着应变的不断增加，试件的体积不再被压缩而是转为扩容阶段；在峰后破坏阶段，与 试件区别较大，在达到峰值强度之后，试件应力应变曲线斜率减小的趋势普遍小于 试件，试件峰后破坏阶段表现出一定的延性特征，而且试件会保持较高的残余强度。掺聚丙烯纤维增强充填体损伤本构方程优化刘志祥、赵树果等为了对尾砂胶结充填体在受载损伤之后仍具有残余强度的情况进行修正，将有效损伤率引入充填体常用的损伤模型 。赵康等 借鉴其思路，将有效损伤率引入掺纤维的充填体，虽然取得了良好效果，但得出的损伤本构方程对于掺纤维尾砂胶结充填体强度描述与掺纤维尾砂胶结充填体实际强度相比，仍然有改进空间。损伤本构方程如下：（）犇犈（）犇（）式中，为有效损伤率，且；为有效应力；犈为材料弹性模量；为应变；犇为损伤值。假设充填体材料微元破坏服从 分布，那将有效损伤率引入 分布概率密度方程，可以更好的描述掺纤维尾砂胶结充填体强度，方程为：（）犘 犉犿犉犉犉（）犿 犉犉（）犿犉烍烌烎犉（）式中，犘（犉）为密度函数；犉为有效强度；犉为平均强度；犿和犉均为 分布参数变量。由于应变能更好地表达充填体裂纹变化的过程，故将犉用代替，根据 分布理论和损伤方程推导损伤变量为：犇犛犛 狀犛狀 （）犉犿（）式中，犛犛 狀和犛狀分别是在一级荷载下破坏的微元面积数和微元总面积数，为应变。根据应力应变曲线关系可知几何边界条件，如下：狘狘 烍烌烎（）狘狆狘犇烍烌烎犈（）令 狆狆犈 狆狆犈，并联立上述方程组可求得犿和犉等参数。犉犿 犿狆犿（）犿犿 狆狆犈（）烍烌烎（）根据这些参数可获得 试件的本构方程以及损伤演化方程。犇 犿 （）狆犿（）有 色 金 属 工 程第 卷 犿 （）狆犿（）从图可知，各个不同含量掺纤维充填体试件的犈、，分别为充填体的弹性横量、峰值应力、峰值应变，根据式（）求得犿和犉，将求得的各个参数带入式（）和式（）得到不同类型试件的损伤应力方程以及损伤方程。各不同类型试件的损伤应力方程和损伤方程以及参数见表。表不同类型试件的损伤应力方程和损伤方程以及参数犜 犪 犫 犾 犲犇 犪 犿 犪 犵 犲 狊 狋 狉 犲 狊 狊 犲 狇 狌 犪 狋 犻 狅 狀，犱 犪 犿 犪 犵 犲 犲 狇 狌 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱狆 犪 狉 犪 犿 犲 狋 犲 狉 狊狅 犳犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 狋 狔 狆 犲 狊狅 犳 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀 狊 犈 犿 犇 犈 （）犇 （）犈 （）犇 （）犈 （）犇 （）犈 （）犇 （）犈 （）犇 （）由于篇幅有限，故根据表所示的参数选取纤维含量为 充填体试件绘制试验曲线、文献模型曲线以及优化后模型曲线的对比图，如图所示。图充填体试验曲线、文献曲线和优化后模型曲线犉 犻 犵 犉 犻 犾 犾 犻 狀 犵犫 狅 犱 狔犲 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犮 狌 狉 狏 犲，犾 犻 狋 犲 狉 犪 狋 狌 狉 犲犮 狌 狉 狏 犲犪 狀 犱狅 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犲 犱犿 狅 犱 犲 犾 犮 狌 狉 狏 犲由图可知，优化模型与文献模型的曲线在峰值前阶段的曲线特征几乎是一致的，两模型曲线呈现近乎于一条直线，试验曲线中曲线却呈现上凹形。这是因为充填体试件里含有丰富的孔隙，试件在压缩过程中会经过孔隙压密阶段，在试件受载期间，充填体中的孔隙被压缩直至闭合，导致曲线呈现上凹形；峰值后，优化模型曲线皆大于文献曲线，且对于峰值强度的描绘与试验曲线更加吻合；从整体上看，优化后的模型曲线与文献模型曲线相比，与试验曲线的吻合度更高。由于优化后本构模型曲线和试验曲线拟合度比文献模型曲线高，表明本文建立的优化充填体损伤本构模型更加适用于含掺 充填体的本构关系中，能够更加准确地反映含掺 充填体试件的受力过程，此优化模型对工程参数设计与分析具有一定的参考价值。根据表所示的损伤应力方程绘制不同值下对损伤变量进行修正后理论曲线以及试验曲线，如图所示。由图可知，整体上理论描绘的应力应变曲线与试验应力应变曲线基本一致，有效损伤率（）不同几乎 不 会 影 响 峰 值 应 变 前 的 曲 线，主 要 对 试件峰值后表现的残余强度影响较大，峰值后表征的残余强度会随着增加而减小。不同类型的 试件的试验曲线与之对应的不同的理论曲线相比，峰值后的理论曲线随的变化分布的更加合理，从而使选取的值绘制出来的曲线与试验曲线吻合度更高。由图可知，含量的不同并不会影响有效损伤率对 试件理论曲线与试验曲线的吻合度，当为 时，理论曲线与试验曲线吻合度最佳。结合赵康等 研究可知，掺同种纤维最佳有效损伤率并不会随掺纤维含量不同而发生改变，即每种纤维都有一个最佳的有效损伤率。第期张龙等：掺聚丙烯纤维尾砂充填体损伤及能量演化特征图不同值下的理论曲线与试验曲线犉 犻 犵 犜 犺 犲 狅 狉 犲 狋 犻 犮 犪 犾 犮 狌 狉 狏 犲犪 狀 犱犲 狓 狆 犲 狉 犻 犿 犲 狀 狋 犪 犾 犮 狌 狉 狏 犲狌 狀 犱 犲 狉犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋狏 犪 犾 狌 犲 狊 掺聚丙烯纤维增强充填体能量损伤演化规律结合现有研究可知，掺入的纤维不会与充填料浆发生化学反应，利用纤维改善充填体的力学性能，是物理作用的结果。掺入充填体的 被水泥与尾砂水化产物所包裹，在受载期间，被包裹的 与水泥尾砂胶结体界面产生摩擦作用，提升了充填体储存应变能的能力，从而改善充填的力学性能。因此，对 试件在受载时试件发生变形、破坏的能量演化规律进行分析，能进一步阐述 试件在单轴压缩时能量损伤演化过程。根据能量守恒定律，充填体发生变形、破坏是能量积累和释放的结果，充填体吸收的总能量主要转化为弹性能和耗散能。在进行单轴压缩试验时做功仅是轴向应力，根据能量守恒定律，假设卸载弹性模量（犈 狌）可近似等于弹性模量犈，充填体试件在受载时各部分应变能可表示为：犝犝犲犝犱犝犝犲犈狌烍烌烎（）式中，为上限应变；犝、犝犲、犝犱分别为总应变能、弹性应变能和耗散应变能；为应力。将式（）、（）带入式（）中，可得有关犝与犇的关系方程：犝 犈（）犇（）式（）中，取与试验曲线吻合度较高的值，由表和图可知为 。利用 软件对不同类型充填体理论应力应变曲线进行分析，求出单轴加载下充填体在峰值应力点的应变能，如图所示。由图可知，在进行单轴压缩试验时，当试验压缩至试件的峰值强度时，所消耗的总能量会随着 含量的增加先增大再减小，由此可见 能增强充填体的力学性能；与未掺入 试件相比，掺入 试件破坏时所需的单位体积应变能皆有提有 色 金 属 工 程第 卷图充填体在峰值应力点时各部分的应变能犉 犻 犵 犛 狋 狉 犪 犻 狀犲 狀 犲 狉 犵 狔狅 犳 犲 犪 犮 犺狆 犪 狉 狋 狅 犳 犳 犻 犾 犾 犻 狀 犵犫 狅 犱 狔犪 狋狆 犲 犪 犽狊 狋 狉 犲 狊 狊狆 狅 犻 狀 狋高，含量与充填体的承载能力并不是呈现线性正相关。随着 含量的增加，充填体的承载能力先增大再减小，当 含量为 时，充填体承载能力最佳。在试件的峰值点前，试件的耗散能普遍高于 试件，说明 能提高充填体在屈服破坏时需消耗的能量，体现了向充填体掺入 能增加充填体的屈服强度。图为不同纤维含量充填体试件应变与弹性应变能曲线图。由于弹性应变能可视为充填体在受载情况下充填体储存的应变能，峰值点前纤维含量不同的充填体在受载过程中弹性应变能皆随着应变的增加而增加，即试件储存的应变能增加；在峰值点处也为充填体的储能极限；峰值点之后，含量不同的充填体存储的应变能皆会随着应变的增加而减小，而 试件储存的应变能会下降，逐渐趋于；试件虽然随着应变的增加也会逐渐减小，但图掺不同含量纤维充填体试件应变与弹性应变能关系曲线犉 犻 犵 犚 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狊 犺 犻 狆犫 犲 狋 狑 犲 犲 狀狊 狋 狉 犪 犻 狀犪 狀 犱犲 犾 犪 狊 狋 犻 犮 狊 狋 狉 犪 犻 狀犲 狀 犲 狉 犵 狔狅 犳 犳 犻 犾 犾 犻 狀 犵犫 狅 犱 狔狑 犻 狋 犺犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋 犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋 狅 犳 犳 犻 犫 犲 狉不会降至，某一阶段会趋于稳定，具有一定的储存应变能的能力，说明向充填体掺入 会增加试件在峰后阶段存储应变能的能力，这也间接证明了 试件发生宏观破坏后会有一定的残余强度。由于各不同类型的充填体试件强度大小较为集中，相差强度范围在 以内，传统的应变损伤曲线在进行不同 含量的损伤特性进行对照时，很 难 体 现 其 区 别，故 本 文 结 合 式（），利 用 软件做出不同 含量的充填体试件总能耗与损伤关系图，见图。图不同犘 犉含量试件总能耗与损伤关系犉 犻 犵 犚 犲 犾 犪 狋 犻 狅 狀 狊 犺 犻 狆犫 犲 狋 狑 犲 犲 狀狋 狅 狋 犪 犾 犲 狀 犲 狉 犵 狔犮 狅 狀 狊 狌 犿 狆 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犱 犪 犿 犪 犵 犲狅 犳 狊 狆 犲 犮 犻 犿 犲 狀 狊狑 犻 狋 犺犱 犻 犳 犳 犲 狉 犲 狀 狋犘 犉犮 狅 狀 狋 犲 狀 狋图中各个不同类型试件的能量损伤发展曲线大致相同，皆呈现“抛物线”形线性增长。当犇趋近于时，试件发生宏观破坏，试件的损伤曲线与 试件损伤曲线相比，发生宏观破坏所消耗能量更小；当 含量为 时所消耗的能量最大，曲线也最为平缓；随着应变能的增加，试件损伤增长速度最快，试件损伤增长速度明显要低于 试件，说明 的存在增加了试件的韧性，向充填体添加 能够有效抑制充填体在受载时发生的损伤破坏，进而提高充填体的力学性能及抗变形破坏的能力。结论主要探究了掺聚丙烯纤维充填体在受载状态下的损伤特性以及能量演化规律，优化了有关聚丙烯纤维充填体本构方程，构建了掺聚丙烯纤维充填体损伤值与应变能之间的关系，但受限于试验相关条件，只在静态受压状态下对掺聚丙烯充填体进行了研究。第期张龙等：掺聚丙烯纤维尾砂充填体损伤及能量演化特征）掺入纤维的充填体力学性能普遍高于无纤维充填体，向充填体掺入纤维的含量有最优值，充填体掺入 的纤维增强效果最好。）将有效损伤率引入 分布概率密度方程，可以更好地描述掺纤维尾砂胶结充填体强度。由此建立的本构方程与试验应力应变曲线的吻合度比文献所建立的本构方程与试验应力应变曲线的吻合度更高。）根据文中所建立的本构方程与能量守恒定律，构建了掺纤维充填体损伤值与应变能之间的关系，损伤应变能关系曲线能更好地描述对于掺不同含量纤维充填体的损伤特性；向充填体掺入纤维能增强充填体储存应变能的能力，使充填体在峰值强度之后仍然有较强的承载能力。）而对于掺纤维充填体，仍可深入探讨以下问题：（）向充填体掺入的纤维不同，其充填体的力学性能也不一致，因此可深入研究掺其他纤维充填体的力学性能。（）在实际开采中，充填体会受到爆破荷载的频繁扰动，因此可对掺纤维充填体在动态荷载状态下的力学特性进行研究。（）掺入纤维能增强混凝土的力学性能，抗拉性能的提升比抗压性能更加显著。充填体作为水泥基材料，相较于混凝土，两者在强度、适用范围以及制备方法等方面有较大区别，因此可对掺纤维充填体的动静态抗拉性能进行探究。参考文献：谢和平深部岩体力学与开采理论研究进展煤炭学报，（）：，（）：程海勇，吴爱祥，吴顺川，等金属矿山固废充填研究现状与发展趋势工程科学学报，（）：，（）：侯永强，尹升华，曹永，等单轴压缩下不同养护龄期尾砂胶结充填体损伤特性及能量耗散分析中南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：陶博识，刘卫星掺纤维加筋水泥基充填材料力学性能及流动性能研究矿业研究与开发，（）：，（）：阮竹恩，吴爱祥，付豪，等秸秆纤维对含硫尾砂膏体充填体单轴抗压强度的影响机理中南大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：张春雷，宋学林，付玉华，等含混杂纤维尾砂胶结充填体静态力学性能试验研究有色金属工程，（）：，（）：李源，魏明俐，刘磊，等纤维加筋高钙地聚物固化高黏尾砂的 强 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