随着煤炭开采量的不断增大，浅部煤矿接近枯竭，煤矿进入深部开采阶段。深部高地应力、高温、高渗透压等复杂的地质环境和应力条件导致冲击地压等动力灾害在煤矿频繁发生[1-3]。冲击地压是由于井巷内的煤岩体内部聚积大量弹性能，当煤岩体在外界荷载的作用下达到强度极限时，能量会突然、猛烈地释放，破坏煤岩体的结构，出现井筒、马头门及硐室等部位的严重变形破坏，同时造成人员伤亡等。
冲击地压问题的日趋严重，促使国内外众多学者对煤矿开采中冲击地压的机理、预测和防治进行了深入研究[4-8]。研究表明，冲击地压与煤岩体自身是否具有冲击倾向性有关，冲击倾向性是用来衡量煤岩体是否具有冲击破坏危险，以及其发生几率大小的主要预测指标。前苏联、南非和波兰等国家的学者对冲击倾向性理论做了较多的研究:KIDYBINSKI A[9]提出利用弹性变形能指数作为评价冲击倾向性的指标，SINGH S P[10-11]提出用能量释放指数评价冲击倾向性。
我国对于冲击倾向性的研究始于20世纪80年代，虽然起步较晚，但发展迅猛，目前已经基本建立了较实用的冲击倾向性评价体系，成为我国煤矿冲击危险性评价的行业标准[12]。其中常用指标包括单轴抗压强度Rc、动态破坏时间DT、弹性能量指数WET、冲击能量指数KE等。
除此之外，很多学者也提出了其他评价煤岩冲击倾向性的指标:张绪言等[13]提出用剩余能量释放速度来评价煤岩的冲击倾向性，该方法把能量和时间结合在一起，单位时间内释放的剩余能量越多，冲击倾向性越强;尹光志等[14]从损伤力学的角度提出冲击地压损伤能量指数，认为损伤耗散能越大，冲击倾向性越小;姚精明等[15]认为盈余能量越大，冲击地压的发生也越猛烈，并利用盈余能量和煤样峰值损伤因子来评价冲击倾向性;蔡武等[16]采用最大损伤率和动态损伤应变这两个新指标评价冲击倾向性，这种方法很好地反映了煤岩体损伤破坏最大时的剧烈程度;唐礼忠和王文星[17]综合考虑岩石的弹性变形能储存能力以及能量的积累和耗散关系，将岩石在峰值前总应变量与峰值后总应变量的比值和岩石单轴抗压强度与单轴抗拉强度的比值相乘，并将其乘积作为评价岩石冲击倾向性的指标;潘一山等[18]从外界作用的岩体应力角度出发，提出了用临界软化区域系数、冲击能量速度指数、临界应力系数来评价冲击倾向性，很好地从外因方面补充评价了冲击倾向性;另外，还有一些学者研究岩石的物质成分[19]、含水率[20]等与冲击倾向性的关系，提出影响冲击倾向性的多种因素。
在深部复杂地质条件下，地下工程结构混凝土也会发生类似于冲击地压的瞬时性破坏，在营盘壕煤矿已经发生过混凝土的瞬时破坏，严重威胁生产和人员安全。但是，现阶段对于混凝土的冲击倾向性、韧性和抗变形能力等方面的研究很少。本文基于煤岩冲击倾向性评价体系，采用煤岩选取单轴抗压强度、动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数等指标，围绕深部地下工程中混凝土出现的瞬时性破坏问题，进行了不同强度等级混凝土的单轴压缩试验，研究了不同强度等级混凝土的冲击倾向性，并基于煤岩冲击倾向性指标进行改进和优化，提出了一套适用评价混凝土冲击倾向性的指标，并对深地复杂应力条件下混凝土瞬时性破坏问题提出了相应的预防措施。
1 试验原材料及试验方法
1.1 试验原材料
水泥:北京金隅牌P.O42.5水泥，其性能指标见表1。
表1 P.O.42.5水泥性能指标
Table 1 Main properties of cement
Ⅱ级粉煤灰:需水量比97.6%，细度(45 μm筛余)6.5%，烧失量4.9%。
S95级矿粉:需水量比96.2%，比表面积495 m2/kg。
细骨料:表观密度2 450 kg/m3，细度模数2.7，含泥量5.2%。
粗骨料:粒径5～20 mm，连续级配碎石，表观密度2 650 kg/m3，压碎指标8.8%。
外加剂:含固量15%的聚羧酸减水剂。
1.2 混凝土的配合比
为研究不同强度等级混凝土的冲击倾向性，本试验选取强度等级为C30，C50，C60，C70，C75的混凝土进行试验，其中C70和C75混凝土都是营盘壕煤矿常用于矿井的混凝土，发生过瞬时破坏的案例，其配合比见表2。
1.3 试验方法
本文混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度试验所采用的试块尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体，采用万能压力试验机完成。
动态破坏时间是指试件在单轴压缩状态下，从极限强度到完全破坏所经历的时间，单位ms，用DT表示[12]，本文试验由DH5937动态应变采集仪和压力试验机完成。
弹性能量指数是一种以弹性能与永久变形耗散能之比作为衡量煤岩冲击倾向性的指数[12]，试验由位移传感器和压力试验机完成。压力试验机以的加载速率为0.5～1.0 MPa/s，当加至平均破坏载荷的75%～85%时，用相同速率卸载至平均破坏载荷的1%～5%，以此反复，直至破坏。
冲击能量指数是指在单轴压缩状态下，在应力应变全过程曲线中，峰值前积蓄的变形能与峰值后耗损的变形能之比，用KE表示[12]，试验用压力试验机和引伸计采集混凝土试件的全应力-应变曲线。
本文采用PCI-2声发射检测系统对高强度混凝土进行声发射监测，该系统可以对声发射特征参数和波形进行实时处理。试验利用不同响应频率的传感器，以便获得同一信号源的高频和低频的声发射特征。高频通道(CH1)传感器的谐振频率为150 kHz，低频通道(CH2)传感器的谐振频率为60 kHz。采样率设定值为1 MSPS，前置放大器的增益为40 dB，门槛值设定为55 dB，以减少噪音对试验的影响[21]。
试验中将混凝土制成与岩石相同的标准尺寸试件，即φ50 mm×100 mm的圆柱体，高径比为2，所有试件断面平行度公差小于0.05 mm。由于混凝土试样的尺寸较小，且取样过程对混凝土强度也有一定的影响，因此混凝土应力的峰值均未达到正常混凝土试样的抗压强度，但应力-应变关系可以被采集下来，足以有效反映混凝土的冲击倾向性指标。
表2 不同强度等级的混凝土配合比
Table 2 Mix proportions of different strength concrete
kg/m3
2 试验结果及分析
2.1 抗压强度和脆性系数
脆性系数是一种评价岩石冲击倾向性的指标[22]，但是由于岩石岩性的不同，脆性系数并不适用所有岩石冲击倾向性的评价。混凝土是一种脆性材料，其抗拉强度远低于抗压强度，其发生瞬时性破坏的原因是混凝土内部储存的能量瞬时释放，而深地混凝土不存在岩性不同的问题，因此脆性系数可以用来评价混凝土的冲击倾向性。
(1)
式中，Rc为抗压强度，MPa;Rt为劈裂抗拉强度，MPa。
岩石的冲击倾向性研究表明:R<14.5时，无冲击倾向性;R=14.5～26.7时，弱冲击倾向性;R=26.7～40.0时，中冲击倾向性;R>40时，强冲击倾向性。
表3中是C30，C50，C60，C70，C75混凝土7,28 d抗压强度以及劈裂抗拉强度。
表3 混凝土的抗压强度、抗拉强度与脆性系数
Table 3 Compressive strength,tensile strength,brittleness indexes of concrete
可以看出，所有混凝土的28 d抗压强度都超过14 MPa且脆性系数R均大于14.5，从某种程度说明混凝土也存在冲击倾向性，从而解释了部分煤矿矿井井壁的混凝土会发生类似岩爆的瞬时性破坏现象。C30混凝土脆性系数是15.5，接近岩石具有冲击倾向性的临界条件。C50以上的高强度混凝土脆性系数比较大，且随着强度等级的增加，脆性系数也越来越大，例如C60混凝土的脆性系数为22.6，C75混凝土的脆性系数就增加到了25.1，这表明高强度等级的混凝土发生冲击破坏的可能性更大。
2.2 动态破坏时间
对不同强度等级混凝土进行动态破坏时间试验，试验中，C60，C70，C75混凝土试件破坏时均伴有爆炸式巨响，而C30和C50混凝土试件则没有，试验结果如图1所示。
图1 不同强度等级混凝土的动态破坏时间
Fig.1 Duration of dynamic fracture of different strength concrete
由图1可以看出，动态破坏时间随着混凝土强度等级的增加而减小，这说明高强度混凝土能量释放的速度较快，能量释放的时间较短，发生瞬时性能量释放的可能性也比较大。C30混凝土的动态破坏时间远大于C50，C60，C70，C75，且大于500 ms(煤岩阈值)，从动态破坏时间的角度上可认为其无冲击倾向性;C50，C60，C70，C75混凝土的动态破坏时间都在500 ms以内，C50混凝土的动态破坏时间在500 ms附近，表明强度等级在C50以上的混凝土存在冲击倾向性。
2.3 弹性能量指数
弹性能量指数WET可以根据加卸载曲线计算，其表达式为
(2)
式中，ΦSF为弹性应变能，其值为卸载曲线下的面积;ΦSP为塑性应变能，其值为加载和卸载曲线下的面积。
对不同强度等级的混凝土进行循环加载试验，分别得到其弹性能量指数，如图2所示。
图2 不同强度等级混凝土的弹性能量指数
Fig.2 Elastic strain energy index of different strength concrete
可以看出，弹性能量指数随混凝土强度等级的增加而增大，C30和C50混凝土的弹性能量指数小于2，C60，C70，C75混凝土的弹性能量指数均大于2(煤岩阈值)，从弹性能量指数的角度可以认为C50以下强度等级混凝土无冲击倾向性，高强度混凝土具有冲击倾向性。但是试验过程中采用的岩石标准试件尺寸对于混凝土来说过小，混凝土离散性较大，循环加卸载使骨料和砂浆界面破坏严重，因此不建议采用弹性能量指数评价混凝土的冲击倾向性，改用脆性系数进行评价。
2.4 冲击能量指数
试验所得不同等级混凝土的应力-应变曲线如图3。
图3 不同强度等级混凝土的应力-应变曲线
Fig.3 Stress-strain curves of different strength concrete
由图3可以看出，几种混凝土的应力值并没有达到其强度，应变值也有差异，分析原因一是加载速率越小，强度值越小;二是试验用混凝土试件的尺寸(高100 mm，直径50 mm)与标准试件(150 mm立方体)有较大差别，小尺寸会造成混凝土的不均匀性，从而影响混凝土的应力应变值。混凝土的应力-应变曲线与岩石非常相似，尤其是C50以上高强度混凝土，峰后释放的能量小于峰前聚集的能量，但C30和C50混凝土峰后无突然下降段，而C60，C70，C75混凝土均存在应变变化不大、应力陡降的阶段，根据曲线可以计算出冲击能量指数KE:
(3)
式中，A1，A2分别是峰前和峰后曲线下的面积。
图4 不同强度等级混凝土的冲击能量指数
Fig.4 Bursting energy index of different strength concrete
图4显示了不同强度等级混凝土的冲击能量指数，可以看出，C50以下低强度混凝土的冲击能量指数小于1.5(阈值)，无冲击倾向性;高强混凝土的冲击能量指数均大于1.5，证明其有冲击倾向性。但冲击能量指数并没有随混凝土强度增大而增加，分析原因可能是混凝土达到峰值应力后的曲线采集存在误差，峰后曲线的采集也是混凝土应力应变曲线的一大难点。
由以上的试验结果可以看出，参照煤岩的冲击倾向性指标，C30混凝土无冲击倾向性，C50混凝土的各项指标均较为接近煤岩的分界阈值，因此可以把C50混凝土的冲击倾向性指标作为判断混凝土是否具有冲击倾向性的标准，即脆性系数小于20、动态破坏时间大于500 ms、冲击能量指数小于1.5的混凝土无冲击倾向性。C60，C70，C75混凝土具有冲击倾向性，且大部分冲击倾向性指标标值随强度等级增加而呈现增大的趋势，混凝土的强度越高冲击倾向性越大，从而也解释了营盘壕煤矿所用的C70和C75深地混凝土在复杂应力条件下发生瞬时性破坏，混凝土也具有冲击倾向性，除对于煤岩等岩石要检测其冲击倾向性，对C60以上的高强度混凝土应该注意冲击倾向性的评价。鉴于混凝土的特性，建议用脆性指数代替弹性能量指数对混凝土的冲击倾向性进行评价。
3 高强混凝土声发射的频率特征
在声发射波的时域图形上，换能器每震荡一次，输出的一个脉冲称为振铃。振铃计数和能量分别反应了声发射的频度和幅度，可以用来评价材料的损伤程度。分别对C60，C70，C75混凝土进行声发射检测，选择振铃计数和能量作为分析参数，作出C60，C70，C75混凝土的振铃计数曲线和能量曲线，如图5～7所示。
图5 C60振铃计数与能量曲线
Fig.5 Curves of ring count and energy of C60
图6 C70振铃计数与能量曲线
Fig.6 Curves of ring count and energy of C70
图7 C75振铃计数与能量曲线
Fig.7 Curves of ring count and energy of C75
从试验结果来看，声发射的振铃计数和能量数值均受混凝土强度的影响，能量数值的影响尤其显著。出现大破裂时声发射能量的数值随混凝土强度的增加而增大，分析原因是混凝土强度增加，导致脆性增大，发生大破裂时所释放的能量就越大。这也说明了高强混凝土有瞬时释放大量能量的可能性，发生冲击破坏的概率较大，冲击倾向性大。
为研究混凝土峰值应力前声发射的变化，在85%峰值应力至100%峰值应力阶段，统计不同应力条件下的峰频值个数，见表4。由此看出，3组混凝土在100%应力下，频率值有了大幅度的提高。高强混凝土在临近峰值应力时，声发射振铃计数和能量数剧增，两通道中低频的声发射信号比例增大，可作为预测混凝土破裂的前兆信息，可以有效的监测高强混凝土冲击破坏的发生。
表4 高强混凝土峰值前不同应力下频率值
Table 4 Counts of frequency values under dierent stresslevels of high-strength concrete
4 高强混凝土冲击倾向性的改善
针对目前矿山出现的混凝土瞬时性破坏的问题，建议从改善材料的角度来预防冲击破坏的发生。由于活性粉末混凝土[23]具有高强度、高韧性、低脆性等特点，可以选用该种材料来降低混凝土发生瞬时性破坏的可能。选用的活性粉末混凝土配合比见表5。
表5 活性粉末混凝土配合比
Table 5 RPC mix proportion
kg/m3
由于对混凝土的强度要求不高，因此无需进行蒸汽养护，采用普通养护28 d试验测得活性粉末混凝土的单轴抗压强度为77.3 MPa，劈裂抗拉强度为10.4 MPa。与普通混凝土采用相同的计算方法得到活性粉末混凝土的冲击倾向性指标数值，并与普通混凝土进行对比，见表6。活性粉末混凝土的全应力-应变曲线如图8所示。
表6 混凝土冲击倾向性指标
Table 6 Bursting liability indexes of concrete
图8 RPC应力-应变曲线
Fig.8 RPC stress-strain curve
可以发现，掺入钢纤维的活性粉末混凝土的冲击倾向性指标较普通的高强度混凝土均有明显的改善，脆性系数7.42远小于20，动态破坏时间1 200 ms远大于500 ms，冲击能量指数0.73小于1.5，属于无冲击倾向性的材料。这是由于钢纤维的掺入，RPC的韧性与抗拉强度明显提高。钢纤维对RPC的作用在于它能够阻碍混凝土基体内部微裂纹的产生、扩展，从而显著提高RPC的韧性、延性和抗弯强度，有效地避免无征兆的脆性破坏的发生。
在RPC中，钢纤维与混凝土界面黏接性能控制着沿纤维纵轴的应力传递。在混凝土开裂前，界面黏接作用使应力从基体传至纤维;基体开裂后，跨越裂缝的纤维承担荷载，界面黏接又使荷载传回到基体未开裂部分，钢纤维的存在，明显地提高了RPC的抗弯强度。钢纤维含量增加，使得混凝土界面负效应范围和效应强度减小，而正效应范围和效应强度增大。界面叠加增强，增强了正效应，减弱了负效应，使得基材中的应力场得到明显改善，从而提高RPC的初裂强度，因此掺入钢纤维的活性粉末混凝土可以有效改善深地高强度混凝土的冲击倾向性。活性粉末混凝土是一种无冲击倾向性的材料，可以用于深地复杂应力条件下的混凝土，但是还需在工程实践中进一步研究其应用。
5 结 论
(1)脆性系数、动态破坏时间、冲击能量指数可以评价混凝土的冲击倾向性，当脆性系数小于20、动态破坏时间大于500 ms、冲击能量指数小于1.5，混凝土不具有冲击倾向性，C50强度等级以下的混凝土无冲击倾向性，强度越高冲击倾向性越强。
(2)随着混凝土强度的增大，出现大破裂时声发射能量的数值有明显的增大，高强混凝土的声发射能量明显增大，高强混凝土在临近峰值应力时，声发射振铃计数和能量参数剧增，通道内低频段信号比例增大，可作为预测混凝土破裂的前兆信息，可以有效的监测高强混凝土冲击破坏的发生。
(3)活性粉末混凝土显著提高了动态破坏时间，降低脆性系数和冲击能量指数，是一种无冲击倾向性的材料，对深地复杂应力条件下混凝土的冲击破坏有明显改善。
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