刘娟红1，2，3，周昱程1,2,3,纪洪广1，2，3
(1.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083; 2.北京科技大学 城市地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083; 3.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)
摘 要:针对深部地下工程条件的结构混凝土过早失效，易在高应力集中区产生类似“岩爆”现象的破坏等问题，通过不同种类混凝土单轴加卸载和声发射试验，研究典型种类混凝土的能量耗散和释放过程。结果表明:C70钢纤维混凝土和非蒸养型超高性能混凝土(UHPC)的滞回环更加趋于饱满，耗能能力更强。C70普通混凝土易积聚能量，在达到峰值强度时，储存的能量突然间释放，形成混凝土“岩爆”现象;钢纤维混凝土在加载过程由于塑性变形较大，导致损耗大量能量的同时会造成井壁混凝土的片裂行为;UHPC通过自身均匀的小损伤耗散较多的能量，且破坏之后仍能保持一定的完整性，其延性较好，不会引起能量瞬间涌出的“岩爆”破坏。能量耗散促使混凝土黏聚力劣化，能量释放导致混凝土的最终破坏，UHPC的结构自适应能力很强，可以有效抵御深地高地应力的作用，保护矿井的安全作业。
关键词:能量耗散;能量释放;岩爆;超高性能混凝土
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刘娟红，周昱程,纪洪广.单轴加卸载作用下井壁混凝土能量演化机理[J].煤炭学报,2018,43(12):3364-3370.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0330
LIU Juanhong,ZHOU Yucheng,JI Hongguang.Energy evolution mechanism of shaft wall concrete under uniaxial loading and unloading compression[J].Journal of China Coal Society,2018,43(12):3364-3370.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0330
中图分类号:TU528
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)12-3364-07
收稿日期:2018-03-11
修回日期:2018-05-31
责任编辑:常 琛
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600803)
作者简介:刘娟红(1966—)，女，江苏苏州人，教授，博士。Tel:010-62334055，E-mail:juanhong1966@hotmail.com
LIU Juanhong1,2,3,ZHOU Yucheng1,2,3,JI Hongguang1,2,3
(1.School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2.Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 3.State Key Laboratory of High-efficient Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)
Abstract:In terms of the fundamental problems,such as the premature failure of structural concrete in deep underground engineering conditions and the phenomenon of rock burst in high stress areas,the energy dissi-pation and release process of different kinds of concrete were studied by uniaxial loading and unloading compression and acoustic emission tests.The results show that the hysteretic loop of C70 steel fiber reinforced concrete and UHPC tends to be fuller and the capacity of energy dissipation is stronger.C70 ordinary concrete is easy to accumulate energy,when the peak strength is reached,the stored energy is suddenly released,forming the phenomenon of rock burst of concrete.The plastic deformation of steel fiber reinforced concrete is larger in the loading process,which will lead to the formation of flaky fragments when the energy dissipation of concrete.UHPC will dissipate more energy through its own fine cracks,and still maintain a certain degree of integrity after destruction.The ductility of UHPC is better,so it will not cause the destruction of the instantaneous energy.Energy dissipation leads to the deterioration of concrete cohesion and energy release leads to the ultimate destruction of concrete.The adaptive ability of UHPC structure is very strong,which can effectively resist the role of deep high ground stress to protect mine safety.
Key words:energy dissipation;energy release;rock burst;ultra high performance concrete
随着矿场资源需求的日益增大和开采强度的不断增加，浅部资源已濒临枯竭，开采相继转入深部地区。随着开采深度的不断加深，高应力的问题也逐渐展露。深部复杂的地质条件和应力环境导致冲击地压等动力灾害频繁发生，这对我国深部矿产资源开发提出了前所未有的挑战。在此种状况和岩体自身非均质性耦合条件下，经典的弹塑性理论和破坏准则已很难有效地判断岩体复杂的强度变化和整体破坏行为。于是，诸多学者将目光聚焦于热力学定律，试图用能量的方法，分析岩体的破坏行为[1-5]。谢和平等[6-8]系统地阐释了岩体变形破坏过程中能量的耗散与释放特征，进而说明能量的观点较应力-应变曲线能更好地描述岩石破坏这一特性，并给出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于能量的释放的整体破坏准则;赵忠虎和谢和平[9]在此基础上从微观角度研究表明，岩石存储能量还是向外界释放能量取决于应变硬化与软化竞争的结果，能量耗散导致岩石强度的劣化，而能量释放是岩石破坏的真正原因;陈旭光和张强勇[10]通过能量耗散和释放原理，分析岩石剪切破坏过程中的能量演化过程;张志镇[11]以红砂为例，研究岩石能量演化的非线性特性，并提出岩石的预警判据。
在矿井中，为避免周围岩石发生破裂、坠落或岩爆现象对矿井内部工作造成影响和破坏[12]，混凝土井壁起到了不可或缺的作用，但若是用于井壁的混凝土本身具有冲击倾向性[13]，那对矿井中的人员便具有致命威胁。混凝土材料是由颗粒状的中心质，凝胶态的介质和孔隙形式的负中心质构成的具有蝴蝶效应的混沌体[14]。在不同龄期和环境中，混凝土受力后，微细观结构和宏观强度的演变规律趋于复杂，难以准确描述。处于深部工程服役的矿井，其强度变化和破坏行为更加近似于岩体。井壁混凝土在深部高地应力作用下，外部环境输入的能量一部分以塑性变形和自身的损伤、摩擦的形式得以耗散，另一部分积聚在混凝土内部，如果这些能量在某一瞬间突然释放，则会形成混凝土“岩爆”现象。而对于混凝土冲击倾向性及其能量演化的机理研究目前还是空白。
笔者通过对C70普通混凝土，C70钢纤维混凝土和非蒸养型UHPC3种抗压强度相近的混凝土单轴加卸载和声发射试验研究，探索井壁混凝土在深地应对高应力时，内部微结构变化和能量演化机理，提出深地环境最适宜的混凝土种类，以保证混凝土井壁能够正常稳定地服役，对保护整个矿井的安全生产具有重要意义。
原材料选用金隅公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，其28 d的抗压强度为51.1 MPa，掺合料采用Ⅰ级粉煤灰，S95、S105矿粉和硅灰。细骨料为细度模数2.8的天然河砂，粗骨料为5.0～26.5连续级配的碎石。石英砂，粒径为2.05～0.85，0.42～0.18，0.18～0.15 mm三级的比例为1.00∶0.68∶0.56。纤维选用河北轩伟钢纤维厂生产的钢丝端钩型钢纤维，安平县光跃丝网制品贸易有限公司生产的镀铜微丝钢纤维，其规格见表1。减水剂为含固量为15%的聚羧酸减水剂。
表1 纤维规格
Table 1 Fiber specifications
随着深度的增加，深部地应力也不断上升，因此，本试验设计了3种均满足C70强度等级的不同类别混凝土，配比及28 d抗压强度见表2，其中钢纤维混凝土的纤维掺量为总体积的1%。
混凝土的单轴加卸载试验采用50 mm×100 mm混凝土圆柱体试件，由AW2000型单轴液压伺服机和引伸计完成。声发射试验采用沈阳计算机技术研究设计院生产的AE21C声发射检测系统。伺服刚性压力机采用应变循环加卸载，加载速率为0.02 mm/min，卸载速率为0.04 mm/min，在试块上安置声发射探头，在加卸载过程中，对混凝土破裂的声发射信号进行采集并分析。
表2 3种混凝土配合比
Table 2 Mix ratio of three kinds of concrete
在测定混凝土强度时一般强度大于等于60 MPa时，试验加载速度取0.8～1.0 MPa/s[15]，而在用单轴伺服机完成试验时，加卸载的速度远远小于标准。测定混凝土强度的标准试件为150 mm×150 mm×150 mm的立方体，而本次试验的圆柱试件较小，其不均匀性引起的尺寸效应，所以测得的数值均整体低于实际值，但不影响强度与能量的演化规律。
单元在外力作用下发生变形，没有产生热交换，则可认为外力作用产生的能量转化为耗散能和可释放的弹性应变能[7]。如图1所示，ODE所围成的面积表示耗散能，DEF围成的面积表示弹性势能。
图1 单轴加卸载能量耗散与释放
Fig.1 Dissipation and release of uniaxial loading and unloading energy
由热力学第二定律，能量耗散是不可逆的，单向的，而储存的弹性势能是双向可逆的。因此本试验的耗散能为此单次加卸载的耗散能与其前所有的耗散能之和，输入总能量为此单次加卸载的总能量与其前所有的耗散能之和。通过耗散能占总输入能量的百分比，研究3种混凝土的耗能能力。
对混凝土试块进行单轴受压试验，混凝土内部能量的变化分为不同阶段。
(1)压密阶段:OA阶段是在较低应力水平时，混凝土处于应变软化阶段，原生或次生孔隙裂隙随着应力的加载逐渐被压缩闭合，并且积聚了小部分弹性势能。
(2)弹性阶段:AB段受应变硬化机制，外力输入的能量不断转化为混凝土中的弹性势能，对其卸载，混凝土仍能回到原来的状态。
(3)塑性阶段:当应力超过屈服点后，混凝土从线弹性阶段转为塑性BC阶段，随着应力的增加混凝土产生小幅度的塑性变形并且微破坏不断发展形成损伤、摩擦等，这部分外部输入的能量被混凝土内部的结构改变而耗散。当应力增大至CD段时，塑性变形大幅增加，微破裂不断发展，耗散能占比大幅增大，这个阶段混凝土都属于危险阶段，弹性势能在某一刻便会突然释放。
(4)卸载阶段:DE段应力不断降低，储存在混凝土中的弹性势能缓慢释放出来。
将C70普通混凝土，C70钢纤维混凝土和UHPC每隔一定的荷载进行循环加卸载试验，如图2所示。每一次加卸载均出现滞回环，且随着循环次数的增加，滞回环的面积逐渐增大，可见每次耗散能亦随着荷载增加不断增大。C70普通混凝土滞回环顶端尖锐，形状不饱满，延性差，消耗能量的能力较弱。C70钢纤维混凝土和UHPC的滞回环呈梭形，表明其塑性变形能力很强，具有很好的耗能能力。
由图3(a)可知，C70普通混凝土的耗能比大致在40%～50%之间，且随着荷载的增加耗能比不断降低。图2(a)曲线中，前期循环加卸载，卸载后变形很大，在弹性阶段AB输入的总能量除了转化为弹性势能外大部分被塑性变形消耗。图3(b)中声发射在250，750，1 400，2 300 s左右处出现能量计数，这4次计数几乎不明显，混凝土不易发生损伤，耗散能大部分均属于塑性变形能量。中期循环加卸载，滞回环底部尖端不断向原点偏移，荷载越大，偏移的越大，与前一滞回环的尖端更接近，表明塑性变形减小，越接近峰值强度，应变硬化越明显，因此耗散能比降低。后期循环加载，混凝土在第五次过程中，大约3 500 s附近还未达到卸载的荷载，便发生破坏，此次的声发射的计数特别大，可见，突然间混凝土发生特别大的损伤导致混凝土试件破坏。
图2 混凝土荷载-变形曲线
Fig.2 Load-deformation curves of concrete
图3 C70普通混凝土耗散能比与声发射计数率
Fig.3 Dissipation energy ratio and acoustic emission counting rate of C70 ordinary concrete
在高地应力条件下，突然而来的冲击地压作用下此种类型的混凝土井壁上，混凝土井壁只能通过很小的塑性变形将少部分的能量耗散掉，而大部分能量储存在了混凝土中，当此部分弹性势能超过混凝土单元表面能时，混凝土井壁发生大断面损伤破坏，就会爆裂开来，弹性势能以破裂小混凝土块的形式在巨大的动能席卷下飞射而出，并附带一些摩擦能、热能、辐射能等，造成混凝土“岩爆”现象。
图2(b)中，C70钢纤维混凝土随着荷载的增加耗能比从25%～65%跨度很大。由图2(b)可见，C70钢纤维混凝土随着荷载的增加，混凝土的变形越来越大，前期循环加卸载变形小，前3次的声发射能量计数大约在500，1 000，2 000 s附近且很低，因此相应的耗散能也较小。中期循环加卸载，图4(b)中耗散能陡然升高是由于第4次声发射能量计数很高，损伤增加和混凝土塑性变形的双重作用的结果。后期第5次循环，由曲线图4(a)可知，变形增量特别大而耗散了很多能量，耗散能比达到最高值66%。混凝土在第6次加载的过程中破坏，由第6次声发射释能计数可见伴随着较大的损伤，混凝土在前期有些许的裂缝发展，最后很快达到破坏的单元表面能，裂缝相互贯穿，但钢纤维混凝土在这个过程中塑性变形和损伤耗散了特别多的能量，可释放出的能量较低，不易造成巨大破坏。但是，C70钢纤维混凝土塑性过大,变形达到0.25 mm，随同持续产生裂缝，会不断有片状混凝土剥落，形成片裂现象。
图4 C70钢纤维混凝土耗散能比与声发射计数率
Fig.4 Dissipation energy ratio and acoustic emission counting rate of C70 steel fiber reinforced concrete
图5 UHPC耗散能比与声发射计数率
Fig.4 Dissipative energy ratio and acoustic emission counting rate of UHPC
由图5(a)可得，UHPC随着荷载的增加，耗能比逐渐稳定至55%左右，图2(c)中前期循环加卸载，相邻滞回环底部相距很近，据图5(b)中发现前两次的声发射能量计数虽不是很高，但还是很明显，前期UHPC的耗散能由损伤能占主导地位。中期UHPC每次加卸载的滞回环亦紧紧相挨，混凝土的变形很小，声发射能量计数很大，外部输入的能量主要依靠内部损伤进行消耗。至后期第7次加载时混凝土发生破坏，第7次的声发射能量计数持续很长时间均出现，说明混凝土内部不停有微破裂的发生，不断地施加应力，UHPC具有较高的延性，且很难形成宏观断裂面而强度突降。在这段时间中，混凝土中积聚的弹性势能可以缓慢释放且UHPC中本身积聚的弹性势能就较少，不会发生能量瞬间涌出的“岩爆”破坏，破坏后的试块仍具有一定的完整性。
在加载过程中，混凝土内部各个单元不断达到临界耗散值而发生细小单元破坏，对能量进行耗散，这也是混凝土强度或黏聚力持续弱化最后丧失的一个过程。
石子与浆体的交界处是普通混凝土的黏聚力最弱部位，当外部输入的能量持续转化为弹性势能的过程中，石子浆体界面处积聚的能量率先达到其相应单位表面能，导致了微裂纹的产生。在微裂纹的尖端易积聚弹性势能而促使裂缝不断扩展，最终形成宏观贯穿性破裂面致使损伤后的混凝土无法再度积蓄能量。单位表面能和临界耗散值为材料常数。能量耗散致使混凝土强度的不断弱化，而能量释放是导致混凝土突然破坏的最终原因。
普通C70混凝土在整个过程中大部分的能量以弹性势能的形式积蓄在内部，各个单位的弹性势能几乎同时达到其表面能，及储能水平达到极限时，朝着未受束缚的一端引起宏观突然性碎裂性破坏。可由能量守恒定律计算得出混凝土细小颗粒飞射而出的速度[16]，以表征混凝土井壁破坏程度与危险性。钢纤维混凝土与UHPC在前期不管是由于塑性变形还是损伤，耗散了部分能量，留存在内部的弹性势能较小，造成的迸发性破坏程度很小，其破坏是能量耗散与释放共同作用的结果，而对于普通C70混凝土破坏原因，能量释放占主导作用。
在钢纤维混凝土中基体与纤维间存在着细微间隙，在纤维两端存在着微裂纹等薄弱环节[17]。在应力作用下，纤维与基体产生不同程度的变形，两者的应变差值则形成裂缝的宽度[18]，这些裂缝较多的出现于原本的薄弱环节造成损伤，耗散部分能量，这种损伤会对混凝土强度弱化加剧。
钢纤维的掺入，增加了与基体一起抵抗应力的能力，并且两端都是钩型的钢纤维与基体具有摩擦等效果可起到锚固的作用[19-20]，且在混凝土中掺入钢纤维，可以有效地抑制应力集中于裂缝尖端而导致其迅速发展的现象[21-22]，因而于整体而言与普通混凝土的强度差异不大。这亦如花岗岩中长石与石英，其是易导致破裂发生的薄弱区域，也是阻断长节理裂缝发育的关键部位[23]。在加载过程中，由于钢纤维的作用，形成的裂缝细小而密集[18]，很大程度上提高了混凝土的耗能能力。
钢纤维混凝土破坏后期，宏观微裂缝出现频繁，此种端钩型钢纤维长度偏长，抗弯能力很弱，容易随着损伤的增加造成很大的塑性变形。但是由于纤维与基体的连结，并且应力相互传递的作用，混凝土不易形成宏观大断面，这些损伤和变形只会引起无纤维连结处小范围的边界裂缝，产生片裂剥落现象。这与C70普通混凝土受荷载作用下破坏形成和大部分的岩石相似的与施加荷载平行的贯穿型裂缝迥然不同。
UHPC是混凝土工业中的一项先进技术，根据密实堆积原理，以具有良好级配的石英砂和高强度的微丝镀铜纤维为骨架，相较于钢纤维混凝土和普通混凝土，具有强度高、耐久性优异等特点[24-26]。
UHPC中的胶凝材料体系是由大量的水泥、粉煤灰、矿粉和硅灰组成的，在0.19这种极低的水胶比下混凝土已经较为密实，后期二次水化生成的C-S-H凝胶填补了孔隙，凝胶体系的黏聚力要高于普通混凝土。混凝土进一步致密且颗粒填料具有很强的附着力，UHPC中纤维与基体之间的黏结力极强[27]，不易产生薄弱环节。混凝土受到外作用力下，凝胶之间由于很强的化学键结合力，无法轻易地断裂而开[28]，裂缝的发育只能产生在纤维与基体之间。由于极强的黏结力，纤维从基体中剥离出来需要消耗很大的能量[29-30]。细小而密集的纤维均匀分布，混凝土各个小区域损伤量的叠加使得UHPC能够以自身内部微结构的调整耗散能量。在UHPC中纤维可以阻滞基体的龟裂，而不引起混凝土的整体破坏，且几乎不会出现无纤维搭接的区域而致使片裂。
在深地高应力条件下，具有优异韧性的UHPC可以耗散大部分吸收的能量，且释放能量极为平缓，将UHPC用于应力集中区域的关键部位，可以有效地抵御深地高地应力的作用，保护矿井的安全生产。
(1)C70普通混凝土的滞回环尖锐、扁平，其延性很差;钢纤维混凝土和UHPC的滞回环趋于饱满，耗能能力更强。
(2)能量耗散使得混凝土黏聚力劣化，能量释放导致混凝土的最终破坏。C70混凝土无法通过自身结构的调整耗散能量，内部储存的的弹性势能很快达到各个单位的表面能，引起瞬间爆裂，造成混凝土的“岩爆”现象。
(3)钢纤维的掺入对于混凝土基体能够起到锚固作用，且纤维可以阻断裂缝的发展，通过自身细而密的损伤与塑性变形耗散大量的能量，但是由于钢纤维偏长、抗弯能力较弱的劣势，易在无纤维搭接处出现片裂状况。
(4)UHPC是一种具有优异性能的混凝土，其可以通过自身结构的调整而吸收和耗散能量，且不会造成混凝土的宏观断裂现象，延性极好，能够很缓慢地释放能量，破坏后仍具有一定的完整性。将UHPC应用于矿井中的马头门、箕斗硐室等应力集中的关键部位，可以抵御深地高地应力的作用，保证矿井的安全作业。
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