河南理工大学：辛亚军——水泥石试件早期损伤特性与后期力学行为分析

创新点

（1）分析了早期水泥石损伤机制及基本特性，引入了早期水泥石损伤系数概念，建立了早期水泥石试件全应力-应变条件下损伤量求解方程，损伤曲线分为压密损伤、损伤累积与损伤爆发三个阶段。

（2）确定了早期水泥石损伤阈值，早期水泥石试件的80%应力比（损伤量为0.48）为损伤阈值，此值前后的早期水泥石损伤试件在二次承载时分别表现为强度增强与强度衰减2种特征。

（3）研究了早期水泥石不同损伤对后期强度、变形、弹性模量及泊松比的关系，随着水泥石早期损伤量增加，后期单轴抗压强度、弹性模量呈先增后减趋势，轴向应变、横向应变与泊松比呈增加趋势。

（4）提出了基于早期水泥石损伤的后期承载失稳模式，水泥石试件失稳模式分为积累贯穿失稳及萌生发散失稳，高损伤试件由单侧破坏导致试件失稳，低损伤试件由块体间失衡导致试件失稳。

1作 者

辛亚军1,2,吕 鑫1,姬红英3,郝海春1,董 帅1

2单 位

1. 河南理工大学 能源科学与工程学院；2. 煤炭安全生产河南省协同创新中心；3. 河南理工大学 资源与环境学院

3研究背景 随着煤矿开采深度的逐渐增加,高应力环境下围岩岩性由脆性向塑性转化,使得深井巷道围岩常出现大变形状态。当然,围岩承载能力的降低易导致支护结构失效,故锚喷联合以发挥围岩自承力并进行协同承载而得到应用,且喷浆层多以峰后承载状态与破碎围岩协同配合。因此,研究喷浆层损伤后的力学行为,将利于深井巷道围岩喷浆参数的合理选取。
深部巷道围岩存在“浅支撑层”和“深支撑层”,其围岩破坏方式特殊,覆岩破坏易形成“类双曲线”形态。高水平应力、高主应力差、巷道埋深大、围岩松软破碎、巷道跨度效应及简单锚杆索支护未能与围岩耦合是巷道围岩支护失效的主控因素,针对此提出了巷道围岩控制的均衡屈服支撑理念,论证了采用锚喷和锚注支护将利于应力向围岩深部的转移,喷浆层不仅封闭围岩,而且也具有自承载能力。锚喷对混凝土性能要求较高,而混凝土需要逐渐硬化从而达到设计强度,因此研究早龄期混凝土的力学性质是选择材料和判断最终支护效果的关键。

4摘 要 水泥石早期强度较低,较小扰动易受到损伤破裂,而早期水泥石损伤特性表现复杂,且不同损伤程度对其后期承载力学行为影响较大。基于对早期水泥石损伤特性的理论分析,采用相同比例水泥浆液预制100mm×100mm×100mm的水泥石试件5组,在实验室利用刚性试验机,对筛选的5组10个水泥石试件进行3d早期不同应力比损伤单轴压缩与28d后期承载力学特性试验。
分析了早期水泥石损伤机制及基本特性,引入了早期水泥石损伤系数概念,建立了早期水泥石试件全应力-应变曲线条件下的损伤量求解方程,确定了早期水泥石损伤阈值,研究了早期水泥石不同损伤(损伤量或应力比)对后期强度、变形的影响规律以及与弹性模量、泊松比的关系,提出了基于早期水泥石损伤的后期承载失稳模式。
结果表明:早期水泥石损伤曲线分为压密损伤、损伤累积与损伤爆发3个阶段,单轴压缩破坏过程中存在典型全应力-应变曲线各阶段特征,水泥石试件完整损伤模型方程可分为两段式进行描述,能较好表征早期水泥石不同应力比条件下的损伤特征。
随着早期水泥石试件应力比增加(75%~100%),早期水泥石试件的轴向应变、横向应变、泊松比与损伤量呈增加趋势,且横向应变增幅大于轴向应变,而弹性模量则表现为衰减趋势。
损伤量0.48(80%应力比)为早期水泥石损伤阈值,早期水泥石试件损伤超过阈值,试件内部裂隙扩展、贯穿至最后失稳,后期水泥石试件则由前期强度增强转为强度衰减;随着水泥石试件早期损伤量增加,后期水泥石试件的单轴抗压强度、弹性模量呈先增加后减小趋势,轴向应变、横向应变与泊松比整体呈增加趋势。
早期水泥石损伤试件的后期失稳模式分为积累贯穿失稳及萌生发散失稳,高损伤水泥石试件由单侧破坏导致试件失稳,低损伤水泥石试件由块体间失衡导致试件失稳。

5部分图片

铰接断裂示意

应力-应变曲线

损伤量曲线

水泥石制样模具

水泥石试件制备成型

试件单轴压缩应力-应变曲线

应力比与部分损伤曲线关系

应力比与损伤量关系

不同应力比与应变关系

应力比与应变均值比率关系

不同应力比与泊松比关系

不同应力比与弹性模量关系

损伤试件单轴压缩全应力-应变曲线

损伤量与抗压强度关系

损伤量与抗压强度比率关系

损伤量与应变关系

损伤水泥石试件泊松比

损伤水泥石试件弹性模量

损伤水泥石破坏形态

损伤水泥石素描

水泥石试件失稳模式

6作者简介

辛亚军，男，河南襄城人，博士，副教授，硕士生导师，河南理工大学优秀教师，煤炭安全生产河南省协同创新中心成员、河南省巷道围岩控制科技创新团队成员、河南省深部岩体力学与工程应用团队成员。主持和参与国家级、省部级及高校、企业委托等课题30余项，其中达到国际先进水平以上6项；第一作者（或通迅作者）发表学术论文近40篇，其中SCI/Ei收录27篇；第一发明人授权发明专利38项，独立出版学术著作3部，主持课题获省部级科技进步二等奖6项、三等奖7项。

研究方向

巷道围岩控制、矿山岩体力学、膏体充填材料

主要成果

致力于深井巷道围岩控制理论与技术的研究，主要包括深井巷道流变控制、大变形巷道强力控制与沿空留巷围岩控制等方向研究，取得了多项创新性成果，形成了系统的深井巷道围岩控制技术。在矿山岩体力学方面，建立了锚固围岩流变本构模型与深井巷道围岩锚固体流变控制模型，分析了锚固岩体、岩石、水泥石、混凝土等不同材料的基本强度特征与流变特性，提出了不同岩体力学试验方法与测试技术，获得了多项发明专利，为煤矿巷道围岩控制提供了理论基础。在膏体充填材料方面，致力于煤矿井下矸石充填技术、泵送混凝土充填技术的研究，开发出了不同强度要求的新型膏体充填材料，获得了多项发明专利与省部级奖励，形成了集充填材料与设计为一体的巷充技术体系。

来源：

辛亚军,吕鑫,姬红英,等.水泥石试件早期损伤特性与后期力学行为分析[J]. 煤炭学报,2020,45(9):3119-3130.

XIN Yajun,L Xin,JI Hongying,et al.Analysis of early damage characteristics and late mechanical behavior of cement specimens[J]. Journal of China Coal Society,2020,45(9):3119-3130.

郭晓炜编辑整理：郭晓炜审 核：常琛

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