摘 要:随着煤矿开采深度的增加，普通喷射混凝土支护结构易开裂脱落。玄武岩纤维(BF)的加入可以有效地提升喷射混凝土韧性与抑制围岩变形的能力。通过弯曲韧性试验研究了BF对玄武岩纤维喷射混凝土(BFRS)韧性的影响规律，通过核磁共振试验(NMR)研究了孔隙分布对BFRS韧性的影响，并进行了井下现场支护试验。结果表明:BF掺入后，BFRS 7 d与28 d试块抗弯强度分别提高了9.8%，6.8%，且BF对早龄期抗弯强度提升效果更为明显;分别采用DBV与JSCE标准对BFRS韧性进行评价，实验发现最优纤维掺量为4.5 kg/m3，此时
和
分别为29.5 N·m和57.9 N·m，试件弯曲韧性比同时达到最大值0.875;对比可知，DBV多值韧性标准更适合评价BFRS抗弯韧性。通过NMR试验发现纤维掺量对BFRS孔隙结构影响较大，纤维掺量达到3 kg/m3时，BFRS大孔径孔隙占比仅为0.25%，当纤维掺量超过临界掺量4.5 kg/m3，BFRS大孔径孔隙占比增加，喷射混凝土基体内部缺陷增多，韧性降低。进行井下支护试验发现BFRS抑制变形能力优于普通喷射混凝土，其中纤维掺量为4.5 kg/m3时，支护段巷道35 d收敛位移最小，仅为0.21 mm，此时支护效果最好。分布在BFRS基体内部的纤维可以形成稳定的三维承力结构，有效改善BFRS基体内部孔隙结构，增加BFRS韧性，提高被支护巷道抗变形能力。高韧性BFRS可以有效地满足深部大变形巷道支护要求，达到“变形不开裂，开裂不掉落”的效果。
随着煤炭开采量的不断增大，煤矿进入深部开采阶段[1-2]。开采深度增加导致围岩受力增大、变形加剧。普通喷射混凝土强度低、韧性差，采用传统支护方式易造成深部矿井巷道在复杂地质环境和应力条件下开裂变形，情况严重会导致安全问题频繁发生[3-6]。在喷射混凝土中加入玄武岩纤维(BF)可以有效地提升喷射混凝土力学性能，增强其工程性能、疲劳磨损强度、开裂后韧性及荷载承载力[7-9]。
近年来，不少国内外学者对玄武岩纤维混凝土(BFRC)力学性能进行研究。SIM[10]研究表明BFRC与普通混凝土相比，其拉伸强度高0.5～1.0倍，延伸率高3～5倍。张兰芳等[11]发现适量BF的加入可以降低混凝土的脆性，提升混凝土力学性能。李为民等[12-14]发现掺入BF后，BFRC在不同应变率下冲击压缩力学性能得到提升，同时BFRC破坏形态具有一定的韧性特征。赵庆新等[15-16]通过三点弯曲冲击试验发现，BF的加入改善了混凝土的微观结构，改变了混凝土的耗能机制，使混凝土由脆性破坏转变为韧性破坏。DIAS[17]研究了纤维掺量对BFRC断裂韧度的影响，试验结果表明，BFRC梁在破坏前有比普通混凝土更高的极限荷载和挠度。
但是，目前对于BFRC的研究仍局限于实验室环境，研究成果并不能作为井下工程推广应用的依据。因此笔者采用喷射方板法，井下制作试块进行力学性能试验，研究了BFRS韧性演化规律。采用不同的韧性标准对BFRS韧性进行二次评价，通过NMR探究BF对BFRS孔隙结构的影响，并分析孔隙与BFRS韧性的影响机制。最后进行井下工程应用，验证BFRS的支护效果。
本次试验用水泥为P.O 42.5R硅酸盐水泥;粗骨料选用最大粒径为10.0 mm的钙质碎石;细骨料为机制砂，细度模数3.0，粒径0～3.0 mm;试验所用纤维为山西晋投玄武有限公司生产的短切BF，其物理性能参数为长度18 mm;单根纤维直径13 μm;密度2.65 g/cm3;抗拉轻度4 100～4 800 MPa;弹性模量80～100 GPa;断裂延伸率2.7%～3.4%。
试验配合比选取喷射混凝土配合比，按照6种不同纤维掺量(0～7.5 kg/m3)制作喷射混凝土试件，配合比中水泥为440 kg/m3;粗骨料(<10 mm)为880 kg/m3;细骨料为880 kg/m3;速凝剂为17.6 kg/m3;水为260 kg/m3。喷射混凝土试件制作于赵固二矿底部抽采巷道，井下制作尺寸为600 mm×600 mm×150 mm的方板。方板成型后置于巷道养护3 d，运至井上继续养护，使用岩石切割机将养护至规定龄期的喷射混凝土方板切割成标准试件，并将其置于温度为20±2 ℃，湿度>95%的标准养护室养护至28 d。试件制作及切割过程如图1所示。
1.2.1 抗弯强度试验
抗弯强度试验按照《纤维混凝土试验方法标准》(CECS13:2009)[18]中规定进行。抗弯强度试验采用YNS-300微机控制电液伺服万能试验机，精度0.01 kN，量程300 kN。
图1 喷射混凝土试件制作及试验过程
Fig.1 Preparation of shotcrete specimen
1.2.2 弯曲韧性试验
喷射混凝土弯曲韧性试验采用100 mm×100 mm×400 mm试块，试验按照德国韧性DBV-1998标准要求采用四点弯曲加载。底部支座两支点之间的跨度为300 mm，同时在梁表面加装可变差分变压器(LVDT)记录跨中挠度。加载装置及示意图如图1(e)所示。
1.2.3 核磁共振试验
核磁共振试验选取直径35 mm、高度40 mm的圆柱体试块。试验前对试块进行真空负压处理，随后开启扫描仪器并定标，选取合适的参数与标线后进行测试。试验设备为ZYB-II型真空加压饱和装置及Meso ME23-040V-I型岩石微观孔隙结构分析与成像系统，主磁场为0.5 T。试块处理及试验过程如图2所示。
2.1.1 抗弯强度试验结果
BF的掺入对各龄期BFRS抗弯强度均有较大的提升。由表1可知当纤维掺量从1.5 kg/m3增加至7.5 kg/m3，相较于普通喷射混凝土，BFRS 7 d抗弯强度提升率为2.5%～9.8%;28 d抗弯强度提升率为1.6%～6.8%;因此BF的掺入对BFRS早龄期提升幅度更大。
图2 NMR试验试块处理及测试
Fig.2 NMR sample treatment and test
表1 BFRS抗弯性能结果
Table 1 Experimental results of flexural resistance of BFRS
编号纤维长度/mm纤维掺量/(kg·m-3)抗弯强度7 d观测值/MPa强度增加量/%28 d观测值/MPa强度增加量/%003.2303.79 011.53.374.23.90 3.02183.03.559.84.05 6.834.53.528.94.01 5.746.03.384.73.87 2.257.53.312.53.85 1.6
试块初裂后，裂缝处的纤维仍能继续承担荷载，直到纤维逐渐脱黏断裂失效，混凝土试块完全破坏，失去承载能力。因此BF优异的阻裂增韧能力有效地提升了BFRS的抗弯强度[19]。
2.1.2 抗弯试件破坏形态
如图3所示，BF的掺入较大地影响了BFRS抗弯试块的破坏形态。素喷射混凝土抗弯试件破坏时裂纹发展迅速，主裂缝较为平直，破坏呈脆性。BF的掺入使BFRS抗弯试件韧性提升，主裂缝附近出现副裂缝。随着纤维掺量的增加，副裂缝数量及长度增加明显。当纤维掺量超过4.5 kg/m3后，韧性破坏特征愈加明显，主裂缝呈S形发展。
图3 BFRS梁抗弯破坏形态
Fig.3 BFRS beam bending failure mode
跨越裂缝的BF提供的桥连作用可以有效地提升BFRS抗弯试件韧性和最大延伸率，避免BFRS达到峰值荷载后的突然脆性断裂，使抗弯试件从脆性破坏逐渐向韧性破坏过渡。
2.1.3 抗弯荷载-挠度曲线分析
由图4可知，BFRS梁荷载挠度曲线分为2个阶段:峰前上升段和峰后下降段。
图4 BFRS四点弯曲韧性试验结果
Fig.4 BFRS four point bending toughness test results
根据荷载-挠度曲线可知，不同纤维掺量的曲线峰值荷载差别较大，但峰前上升段曲线发展趋势相似。BF掺量为3 kg/m3时BFRS峰值荷载最大，达到13.5 kN。当BFRS抗弯试件达到峰值荷载后，曲线进入峰后下降段。素喷射混凝土试件一裂即断，当跨中挠度达到1.17 mm时，试件即失效破坏。
掺入BF后，纤维优异的增韧阻裂效果使曲线下降趋势趋于平缓。当纤维掺量增加，跨越裂缝的BF数量增多，延缓了主裂缝的延伸与扩展，使BFRS韧性得到提升。因此BF通过抑制裂纹的延伸与发展使BFRS破坏曲线表现出明显的韧性。
2.2.1 DBV抗弯韧性标准
本文选取适于评价低掺量纤维混凝土韧性的DBV-1998标准来评价BFRS的弯曲韧性。该标准用等效抗弯强度和变形能的概念来评价纤维混凝土的韧性及其能量吸收能力，并用梁的能量吸收值Dn和等效抗弯强度feq,n(n=1，2)取代了ASTM-C中的残余强度R和弯曲韧性指数I。
图5为纤维掺量为7.5 kg/m3时BFRS梁抗弯荷载-挠度曲线，在DBV-1998中，弯曲韧性通过4个规定的挠度计算得出(δu，δc=δ+0.3 mm，δ1=δ+0.65 mm，δ2=δ+3.15 mm)，δu为峰值荷载对应的挠度。该标准不仅避免了人为确定初裂点产生误差的情况，还可对不同纤维掺量BFRS的弯曲韧性进行评价。其计算公式为
Dn=
F(δ)dδ
(1)
(2)
式中，Dn 为纤维混凝土梁的能量吸收值，
为混凝土梁开裂前的能量吸收值，kN·mm。
图5 DBV标准弯曲韧性计算图解
Fig.5 Graphical calculation of DBV standard flexural toughness
DBV标准同时定义等效抗弯强度feq，n。
(3)
feq，1=Feq，1L/bh2
(4)
(5)
feq，2=Feq，2L/bh2
(6)
式中，L，b，h分别为梁的长、宽、高;Feq,1为跨中挠度为δ1时的等效荷载，N;Feq,2为跨中挠度为δ2时的等效荷载，N;feq,1为跨中挠度为δ1时的等效抗弯强度，MPa;feq,2为跨中挠度为δ2时的等效抗弯强度，
为当跨中挠度为δ1(δ1=δ+0.65 mm)时纤维对混凝土所贡献的能量吸收值;
为当跨中挠度为δ2(δ2=δ+3.15 mm)时纤维对混凝土所贡献的能量吸收值。
2.2.2 韧性指数分析
BF的掺入使BFRS韧性得到明显的提升。由图6可知，随着纤维掺量的增加，
和均呈稳定上升的趋势。因受试块制作的原因，
表现出较大的随机性;挠度的增加使BFRS韧性表征规律性更加明显。
图6 DBV标准梁韧性指标
Fig.6 DBV standard beam toughness index
纤维掺量为4.5 kg/m3时，BFRS抗弯韧性最强，挠度为δ1和δ2时，能量吸收值最大，达29.5 N·m和57.9 N·m。BF掺量达到4.5 kg/m3后，纤维掺量增加时及持续下降，导致BFRS抗弯韧性降低。结果表明不同纤维掺量的BFRS梁其能量吸收能力遵循以下规律:7.5 kg/m3的BFRS梁能量吸收能力<1.5 kg/m3的BFRS梁能量吸收能力<3 kg/m3的BFRS梁能量吸收能力<6 kg/m3的BFRS梁能量吸收能力<4.5 kg/m3的BFRS梁能量吸收能力。
纤维掺量是影响BFRS等效抗弯强度的重要因素。由图7可知，BF掺量达到4.5 kg/m3，规定挠度下BFRS试件等效抗弯强度分别为4.14 MPa和3.06 MPa，是BF掺量为1.5 kg/m3时梁的2.87倍和1.39倍。等效抗弯强度发展规律与能量吸收韧性指数较为接近，并未呈现正比例关系。纤维掺量超过4.5 kg/m3后，随着纤维掺量的增加BFRS等效抗弯强度持续下降。因此可以确定在本试验条件下BF掺量为4.5 kg/m3时，BFRS梁抗弯韧性最佳。
图7 DBV标准梁等效抗弯强度
Fig.7 Equivalent flexural strength of DBV standard beam
2.3.1 JSCE SF-4弯曲韧性试验标准
选择JSCE SF-4标准对BFRS梁弯曲韧性进行进一步评价。JSCE SF-4以等效抗弯强度fe作为评价纤维混凝土弯曲韧性评价的主要指标，与DBV差别在于，JSCE仅选取挠度为L/150时的弯曲韧性指数进行计算，其计算公式为
(10)
式中,fe 为等效弯曲强度，MPa;Ωk 为跨中挠度为L/150的荷载-挠度曲线下的面积所代表的能量，N·m;δk为跨中挠度为L/150时的挠度值，mm。
将等效弯曲强度与抗折初裂强度fcr的比值，定义为试件的弯曲韧性比Re，即
(11)
(12)
式中，fcr为BFRS的抗折初裂强度，MPa;Fcr为BFRS的初裂荷载，N。
2.3.2 韧性指数分析
BF的掺入有效地提升了BFRS抗弯韧性。由图8可知挠度为L/150时，各掺量BFRS等效抗弯强度略低于实际抗弯初裂强度，4.5 kg/m3时BFRS等效抗弯强度最大，为3.51 MPa。当纤维掺量继续增加，BFRS等效抗弯强度呈现下降趋势，且纤维掺量增加至7.5 kg/m3时，BFRS等效抗弯强度低于掺量为1.5 kg/m3的BFRS抗弯试件。其韧性演化规律如下:7.5 kg/m3的BFRS等效抗弯强度<1.5 kg/m3的BFRS等效抗弯强度<3 kg/m3的BFRS等效抗弯强度<6 kg/m3的BFRS等效抗弯强度<4.5 kg/m3的BFRS等效抗弯强度。
图8 JSCE标准梁韧性指标
Fig.8 JSCE standard beam toughness index
BF掺量增加会使分散在BFRS基体内部的纤维数量增多，使BFRS应变软化段即峰后下降段发展趋势愈加平缓。纤维掺量为7.5 kg/m3时，其弯曲韧性比大于掺量为1.5 kg/m3抗弯试块。当纤维掺量大于最佳纤维掺量4.5 kg/m3，BFRS抗弯韧性呈现下降趋势，因此保持合适纤维掺量对于提升BFRS抗弯韧性有积极意义。
由上文可知，两种评价标准下BFRS韧性发展规律相似，纤维掺量是影响BFRS抗弯韧性的重要因素。图9各选取2种标准中重要韧性指数进行对比分析，结果表明:随着纤维掺量增加，BFRS抗弯韧性均呈现先上升后下降的趋势，其中JSCE标准中BFRS抗弯韧性早期韧性提升幅度较大。
图9 两韧性标准计算结果对比
Fig.9 Comparison of two toughness standard calculation results
基于DBV标准的多值抗弯韧性指数发展趋势较为稳定。JSCE标准主要用于评价高掺量纤维混凝土梁抗弯韧性，对于掺量较低的BFRS，JSCE标准准确性较低。而DBV标准的多值弯曲韧性指数可以从多方面反映BFRS梁在不同纤维掺量与挠度阶段的韧性。因此DBV相较于JSCE更适合评价低掺量BFRS韧性。
BFRS作为非均质复合胶凝材料，BFRS内部缺陷-孔隙会极大地影响其力学性能。核磁共振技术是研究BFRS孔径分布的重要手段，核磁共振T2谱及孔径分布图可以很好地反映出不同掺量BFRS各型孔隙孔径分布[20-21]。核磁共振孔径分布及孔隙类型分布如图10所示。
图10 BFRS孔径及孔隙类型分布
Fig.10 Pore diameter and pore type distribution of BFRS
BF的加入改变了喷射混凝土内部的微观孔隙结构。由图10可知，素喷射混凝土内部孔隙分布较为均匀;加入BF后，三维乱向分布的BF可以阻止连通孔隙的生成，减少BFRS内部缺陷。因此当纤维掺量为1.5～3 kg/m3时，BFRS内部小孔隙占比增加，大孔径孔隙占比降低。当BF掺量超过3 kg/m3时，纤维在搅拌时易结团导致BFRS内部缺陷增加[22]。BF增益效果降低，BFRS韧性随之下降，当纤维掺量达到7.5 kg/m3，如图10所示，BFRS非毛细孔占总孔隙体积的14.03%，大孔径孔隙带来的减益效果使该掺量下BFRS的韧性低于1.5 kg/m3时BFRS的韧性。
均匀分布在BFRS内部的纤维可以抑制微裂纹的产生与发展。混凝土开裂后跨越裂缝的纤维通过桥连作用及三维骨架将应力均匀传递，阻止开裂，使BFRS韧性增加，且该增益效果与纤维掺量成正比例关系。但过多BF的加入易导致纤维结团分布，使BFRS内部缺陷增加，且存在临界最佳掺量4.5 kg/m3。此时，BF增益效果仍占据主导地位。因此合适的纤维掺量可以降低BFRS内部缺陷，增加BFRS韧性[23-24]。
BFRS现场工业性试验地点位于赵固二矿底部抽采巷道1710～1910段。如图11所示现场试验按纤维掺量(1.5～7.5 kg/m3)共分为5个试验段。喷射完成后，对巷道表面支护效果进行监测，对不平整处进行平整处理，待BFRS终凝后，在BFRS试验段埋设5组测点，并在普通喷射混凝土段埋设一组对照测点。
图11 底部抽采巷道试验及收敛测点简图
Fig.11 Test and convergence point of bottom pumping roadway
BFRS可以较快结硬，且表面BF分布均匀，有效地提升BFRS支护性能。如图12(a)所示，现场喷射的BFRS表面较为密实，用灯光照射可以清晰看到均匀分布的BF。将照片图示区域局部放大，得到图12(c)，可以清晰地看到BF在混凝土表面呈三维乱向分布。当巷道发生变形，BF可以通过滑移脱黏做功抑制BFRS裂缝的发育。
图12 BFRS表面纤维分布
Fig.12 Distribution of fiber on BFRS surface
对底部抽采巷道进行35 d收敛变形监测，结果如图13所示。BF的加入使支护结构抗变形能力提升较大。
图13 底抽巷巷道收敛变形量曲线
Fig.13 Curves of convergent deformation of roadway in bottom pumping roadway
素喷射混凝土支护结构前7 d变形量最大为1.44 mm，BF掺量为3 kg/m3和4.5 kg/m3时，前7 d巷道变形量最小仅为0.12 mm。前7 d巷道收敛变形规律如下:4.5 kg/m3的巷道变形量=3 kg/m3的巷道变形量<6 kg/m3的巷道变形量<1.5 kg/m3的巷道变形量<7.5 kg/m3的巷道变形量<0的巷道变形量。后28 d巷道位移收敛速率降低，35 d时素喷射混凝土总收敛位移为2.47 mm，当纤维掺量为4.5 kg/m3时，底抽巷收敛位移最小为0.21 mm。
BF的加入使喷射混凝土抑制变形的能力得到提升。BF与喷射混凝土同属硅酸盐类材料，具有天然的相容性，因此BF与喷射混凝土具有较好的胶结性;在搅拌和喷射过程中，均匀乱向分布的BF会在BFRS基体内部形成稳定的空间网状承力结构[11,16]，增加BFRS力学性能，从而提升巷道抗变形能力。
(1)BF的掺入对BFRS抗弯强度提升幅度较大。随着纤维掺量的增加，BFRS的7 d及28 d最大抗弯强度分别为3.55 MPa和4.05 MPa;相较于普通喷射混凝土，其提升率范围为2.5%～9.8%和1.6%～6.8%。
(2)通过DBV标准及JSCE标准对BFRS抗弯韧性进行评价，结果表明4.5 kg/m3时BFRS韧性最大。这是因为BF可以在喷射混凝土内部形成稳定的空间网状承力结构，跨越裂缝的纤维可以有效地阻止裂缝的延伸与发展，改善基体内部应力分布，使BFRS抗弯韧性提升。
(3)适量BF的掺入会使混凝土内部大孔隙减少，微孔隙及无害孔隙比例增加，利于混凝土性能及韧性的提升。掺量3 kg/m3时的试块结果显示有害的非毛细孔比例仅为0.25%，当BF掺量增加，BFRS非毛细孔比例最大可达14.03%，因此保持合适的掺量对混凝土韧性的提升有积极的帮助。
(4)通过井下现场支护试验发现:BFRS支护效果明显较素喷射混凝土有明显提升，抑制变形能力增强。35 d时素喷射混凝土支护段收敛位移为2.47 mm，而纤维掺量为4.5 kg/m3的BFRS支护段巷道收敛位移仅为0.21 mm。这是因为适量纤维掺入后，可以很好的降低BFRS内部缺陷，BF通过脱黏滑移有效的消耗能量，使BFRS抑制变形能力得到加强。
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Abstract:With the coal mining depth going deeper,the traditional shotcrete support structure is easy to crack and fall off.The basalt fiber (BF) can improve the flexural toughness of shotcrete,which can effectively restrain the surrounding rock deformation.The influence of BF content on the basalt fiber reinforced shotcrete (BFRS) toughness was studied by Bending Toughness Test.The effect of pore distribution on the toughness of BFRS was studied by Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Test,and the underground roadway support test was carried out.The results show that the flexural strength of BFRS at 7 d and 28 d curing ages increase by 9.8%,6.8% respectively,and BF can obviously enhance the early age flexural strength.The flexural toughness of BFRS specimens are evaluated by Standards of DBV and JSCE.At the optimum fiber dosage 4.5 kg/m3,the flexural index 
are 29.5,57.9 N·m,respectively,the bending toughness ratio reaches the maximum value 0.875,which indicates that the DBV multi value toughness standard is more suitable for evaluating BFRS flexural toughness.The NMR results show that the fiber dosage can greatly influence on the pore structure.At the fiber dosage 3 kg/m3,the large pore size ratio is only 0.25%.The proportion of large pore size increases once the fiber dosage beyond 4.5 kg/m3,the shotcrete matrix defects increase,and the toughness property decreases.The BFRS performance is better than that of traditional shotcrete in restraining deformation from the underground roadway supporting test.The 35 d convergence of roadway is only 0.21 mm at the fiber dosage 4.5 kg/m3,which achieves an acceptable result.The fibers distributed in the BFRS matrix can form a stable three-dimensional structure,improving pore structure,increasing flexural toughness,and enhancing the anti-deformation property of the roadway supporting structure.High toughness BFRS is the considerable material for the large deformation roadway supporting in deep mine,which can achieve the performance of “deformation but no crack,cracking but no fall”.
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