碳纤维复合砂浆约束煤样力学增强与破裂感知方法研究

Research on the mechanical reinforcement and fracture sensing of coal samples constrained by carbon fiber composite mortar

摘要

针对井下煤柱失稳易诱发动力灾害的防控需求，开发了一种基于碳纤维复合砂浆材料的约束增强与损伤监测方法.综合运用理论分析、COMSOL电场模拟、电阻监测及单轴压缩试验等方法开展了系统研究，深入分析了不同碳纤维掺量下复合砂浆约束煤样的力学强度、电阻变化率及损伤特征.研究表明：碳纤维在砂浆基体中能够形成连续网状结构，增强复合砂浆的力学强度及导电性能，抑制可溶性带电离子的迁移，促使材料的导电方式由离子导电转变为电子导电，从而显著降低电阻监测过程中的噪声干扰；碳纤维掺量为2.0%时，复合砂浆电阻率较纯水泥砂浆降低了4个数量级，电阻率监测的噪声峰峰值较纯砂浆试件减少了5个数量级，且抗压/抗拉强度分别提高了136.6%和135.1%.采用碳纤维复合砂浆包裹约束煤样，可对煤样施加环向约束力并增强其力学强度；同时，复合砂浆能在煤样表面形成优势导电通路，对裂隙扩展感知更加敏锐；采用2.0%碳纤维掺量的复合砂浆约束煤样后，其单轴抗压强度较纯煤样提升25.0%，应力灵敏度较纯砂浆约束煤样提升了1.94倍；复合砂浆约束煤样出现破裂时，应力-应变与电阻变化率同步跌落，可通过捕捉电阻突变信号准确识别煤样破裂信息.采用碳纤维复合砂浆约束煤样，能够同步实现煤样力学增强与破裂过程的实时、无损监测.研究成果扩展了碳纤维复合材料在矿业领域的应用维度，为井下煤体损伤监测提供了新的技术路径.

Abstract

To address the prevention and control needs for dynamic disasters easily induced by instability of underground coal pillars， a constraint-enhancement and damage-monitoring method based on carbon-fiber composite mortar was developed. A systematic study was conducted by integrating theoretical analysis， COMSOL electric-field simulations， resistance monitoring， and uniaxial compression tests to thoroughly examine the mechanical strength， resistance change rate， and damage characteristics of coal specimens confined with composite mortars at different carbon-fiber contents. The results show that carbon fibers form a continuous network structure within the mortar matrix， enhancing the mechanical strength and electrical conductivity of the composite mortar， suppressing the migration of soluble charged ions， and shifting the conduction mechanism from ionic to electronic conduction， thereby significantly reducing noise interference during resistance monitoring. At a carbon-fiber content of 2.0%， the composite mortar’s resistivity is reduced by four orders of magnitude compared with plain cement mortar， the peak-to-peak noise in resistivity monitoring is reduced by five orders of magnitude relative to plain mortar specimens， and the compressive/tensile strengths increase by 136.6% and 135.1%， respectively. Wrapping coal specimens with carbon-fiber composite mortar applies circumferential confinement and enhances their mechanical strength； meanwhile， the composite mortar establishes preferential conductive pathways on the coal surface， making it more sensitive to crack propagation. With 2.0% carbon fiber content， the uniaxial compressive strength of the confined coal specimen increases by 25.0% compared with plain coal， and the stress sensitivity is 1.94 times that of coal specimens confined with plain mortar. When composite-mortar-confined coal specimens fracture， the stress‑strain response and resistance change rate drop synchronously， enabling accurate identification of fracture events by capturing abrupt resistance signals. Using carbon-fiber composite mortar to confine coal specimens achieves simultaneous mechanical reinforcement and real-time， non-destructive monitoring of the fracture process. These findings expand the application scope of carbon-fiber composite materials in mining and provide a new technical pathway for damage monitoring of underground coal bodies.

Graphical abstract

关键词

碳纤维复合砂浆 / 损伤监测 / 煤柱加固 / 力学增强 / 电阻变化率

Key words

carbon fiber composite mortar / damage monitoring / coal pillar reinforcement / mechanical enhancement / resistance change rate

井下煤柱长期处于高应力反复扰动环境，其内部损伤不断累积易突然失稳，引发覆岩垮落、地表塌陷、动载矿压等灾害^［1‑5］.因此，如何提高煤柱的力学强度并监测其稳定性^［6‑9］，成为保障煤矿生产安全的重要问题.

现有工程常采用锚杆、锚索加固煤柱，将破碎煤体与煤柱内部弹性核区连接，使煤柱形成一个整体，以提高煤柱的承载能力^{［10‑12］}.部分研究提出了充填墙加固、条带充填等方法^{［13‑14］}，通过给煤柱提供侧向约束力，使其转化为三向受力状态，限制煤柱横向变形并提高承载能力.近年来，有研究采用碳纤维布等材料包裹煤柱以增强其强度^{［15‑16］}.相比传统的煤柱加固方式，碳纤维布具有质量轻、耐腐蚀、施工简便等优势^{［17‑18］}，成为目前研究的热点.

煤柱应力及变形监测常采用锚杆（索）拉力计、钻孔应力计等设备，通过监测煤体应力、变形等参量评估煤柱的稳定性^［19］.部分研究通过布设高精度微震监测系统，捕捉煤柱失稳前的煤岩体破裂信号^{［20‑21］}.此外，通过在井下布置分布式光纤，能够监测煤柱裂纹萌生至贯通过程中的微应变演化规律^［22］.然而，这些研究多侧重于煤柱加固或稳定性监测，存在力学增强与损伤监测分离的痛点.

近年来，碳纤维复合材料在土木工程中的应用为破解该难题提供了新思路^{［23‑24］}.将碳纤维掺入水泥基材料中，一方面可以起到桥联裂缝、增强材料强度的作用^{［25‑28］}；另一方面，碳纤维相互搭接形成的导电网络对材料内部裂隙发育较为敏感，具有显著的损伤自感应特性^{［29‑32］}.此类材料已广泛应用于桥梁、公路等基础设施的健康监测中^{［33‑34］}.例如，在意大利罗维戈，研究人员使用短切碳纤维及骨料制作了智能路面传感器，并用于工业道路重型车辆的载荷监测^［35］；美国肯塔基州，工程技术人员使用碳纤维复合材料对桥梁进行补强加固，以修复桥梁损伤^［36］.此外，国内学者提出采用碳纤维混凝土浇筑梁、柱、板等关键部位，从而实现对结构挠度及损伤程度的实时监测^{［37‑38］}.

目前，尚未有研究将碳纤维复合材料用于井下煤体的加固及损伤破裂监测.针对这一空白，本研究提出一种基于碳纤维复合砂浆材料的约束增强与损伤监测方法.通过向砂浆中掺入碳纤维，制备具有损伤自感应功能的碳纤维复合砂浆，并将其用于约束煤样.该方法不仅能提升煤样的承载能力，还可通过实时监测复合砂浆的电阻变化，反映煤体损伤演化过程.

与现有监测方法相比，采用碳纤维复合砂浆约束煤柱实现力学增强与破裂感知的优点在于：可直接利用井下现有的喷浆设备施工，成本低、操作简便；适用于煤柱表面破碎、难以布设监测装置的复杂工况；无需额外布设传感器，即可通过电阻率变化连续感知裂纹的萌生与扩展；将碳纤维复合砂浆喷涂于整个煤柱表面，监测范围能够覆盖整个煤柱.

为验证上述设想，本研究综合采用理论分析、COMSOL电场模拟、电阻监测、单轴压缩试验等手段，建立了碳纤维复合砂浆约束煤样力学‑电学协同作用模型，探究了碳纤维掺量对复合砂浆力学与导电性能的增强作用，验证了碳纤维复合砂浆对煤柱的约束增强及破裂监测效果.研究成果将碳纤维复合砂浆的应用拓展至煤矿工程领域，为井下煤体健康监测提供了新的技术路径.

1 复合砂浆约束煤样力学-电学协同作用原理

1.1 复合砂浆约束煤样力学-电学协同作用模型

碳纤维复合砂浆作为约束层附着于煤样表面时，其力学与电学协同作用如图1所示.在外界载荷作用下，复合砂浆约束层与煤样同步变形，其内部形成拉伸应力场并对煤样施加约束力，从而增强煤样的强度.电学上，由于复合砂浆的电阻率明显低于煤体的电阻率，电流将优先流经复合砂浆约束层，形成连续、稳定的低电阻导电通路.

如图1b所示，当复合砂浆‑煤样组合体产生破裂时，裂纹会破坏部分导电路径，造成试样电阻增加.随着裂纹数量逐渐增多，复合砂浆的受损程度逐步加重，使试样的电阻值持续升高.

根据损伤力学理论，任意时刻t的损伤变量可定义为

D_t=\mathrm{1}-\frac{A_t}{A_{\mathrm{0}}}，（1）

式中：D_t 为损伤变量（0≤D_t ≤1），当D_t =0时煤样为无损伤状态，当D_t =1时煤样完全破坏；A_t 为时刻t的有效承载面积，m²；A₀为煤样原始横截面积，m².

对于一维导电材料，电阻R与A_t 的关系为

A_t=\frac{\rho l}{R}，（2）

式中：ρ为材料的电阻率，Ω·m；l为电极间的长度，m.

对于同一种材料，可假设破坏过程中电阻率ρ不变，并且忽略l的变化.由此可得任意时刻损伤变量D_t 的计算公式：

D_t=\mathrm{1}-\frac{\rho /R_{t}l}{\rho /R_{\mathrm{0}}l}=\mathrm{1}-\frac{R_{\mathrm{0}}}{R_t}，（3）

式中：R₀为初次测量的电阻，Ω；R_t 为时刻t测量的电阻，Ω.

式（3）表明，复合砂浆约束煤样的电阻与其损伤变量间存在函数关系，因此可将材料电阻作为定量表征材料损伤情况的中间值.基于这一机理，结合试样加载过程中电阻的变化情况及破坏瞬间的电阻值，可以判断当前材料的受力状态及破坏风险.此外，通过在煤样表面布置多个电极，可以实现不同区域的损伤定位.

1.2 复合砂浆约束煤样力学增强机制

为了分析复合砂浆对煤样的约束作用，将复合砂浆‑煤样组合体简化为图1c所示力学模型，将约束层视为受均匀径向压力的厚壁圆环.令应力边界条件为

\left\{\begin{array}{l}{\left({\tau }_{r\phi }\right)}_{r=a}=\mathrm{0}，\\ {\left({\tau }_{r\phi }\right)}_{r=b}=\mathrm{0}，\\ {\left({\sigma }_r\right)}_{r=a}=-q，\\ {\left({\sigma }_r\right)}_{r=b}=\mathrm{0},\end{array}\right.（4）

式中：a，b分别为圆环内外半径，mm；r为半径，mm；\tau_rφ 为环向切应力，MPa；q为最大约束压力，MPa.

将式（4）代入平衡方程并按照逆解法求解，可得圆环的环向应力σ_φ 与径向应力σ_r ：

\left\{\begin{array}{l}{\sigma }_r=-\left(b^{\mathrm{2}}{r}^{-\mathrm{2}}-\mathrm{1}\right)/\left(b^{\mathrm{2}}{a}^{-\mathrm{2}}-\mathrm{1}\right)q,\\ {\sigma }_{\phi }=\left(b^{\mathrm{2}}{r}^{-\mathrm{2}}+\mathrm{1}\right)/\left(b^{\mathrm{2}}{a}^{-\mathrm{2}}-\mathrm{1}\right)q.\end{array}\right.（5）

由于砂浆材料抗拉强度有限，根据砂浆拉应力最大值σ_max计算可施加的最大约束压力.同时，σ_φ 在圆环内部边界处达到最大.因此，令ρ=a，σ_φ =σ_max可求得最大约束压力q：

q=\frac{{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\left(b^{\mathrm{2}}-a^{\mathrm{2}}\right)}{b^{\mathrm{2}}+a^{\mathrm{2}}}.（6）

依据莫尔‑库仑（Mohr‑Coulomb）强度准则，煤样受压状态下的极限抗压强度为

{\sigma }_{\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{2}c\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\phi }{\mathrm{1}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi }+{\sigma }_{\mathrm{3}}\frac{\mathrm{1}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi }{\mathrm{1}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi }，（7）

式中：φ为煤样的内摩擦角，（°）；c为煤样的黏聚力，MPa；σ₃为煤样所受水平应力，MPa；σ₁为煤样所受垂直应力，MPa.

联立式（6）及式（7），令煤样所受水平应力σ₃=q，可求得施加约束后的煤样强度为

{\sigma }_{\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{2}c\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\phi }{\mathrm{1}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi }+\frac{{\sigma }_{\mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x}}\left(b^{\mathrm{2}}-a^{\mathrm{2}}\right)}{b^{\mathrm{2}}+a^{\mathrm{2}}}\frac{\mathrm{1}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi }{\mathrm{1}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\phi }.（8）

按照单轴压缩试验标准煤样尺寸及常用煤的内摩擦角，设定参数：φ=30°，b=27 mm，a=25 mm.根据计算，碳纤维复合砂浆的抗拉强度σ_max每增加1 MPa，煤样的单轴抗压强度增加0.23 MPa.可见，碳纤维复合砂浆对煤样具有约束增强效果.

1.3 复合砂浆约束煤样损伤破裂感知电学模拟

为揭示碳纤维复合砂浆约束煤样的损伤破裂感知机制，采用COMSOL软件构建了模型，如图2所示.模型为二维轴对称结构，煤样直径为50 mm，外层复合砂浆厚度为2 mm.将煤样与水泥砂浆简化为均匀各向同性材料，电阻率分别设定为2 000和200 Ω·m.模型两侧边界设置电极并施加0.5 V的恒定电压.为分析裂隙发育扩展对复合砂浆约束煤样损伤破裂感知性能的影响，在煤样内部设置长轴和短轴分别为7.5×10^-3，0.5×10^-3 mm的椭圆形裂隙.

图3a和3b分别为纯煤样及复合砂浆约束煤样的电流密度云图.在无裂隙状态下，纯煤样中部截面的平均电流密度为1.967 mA/m²；在复合砂浆约束煤样中部截面上，平均电流密度为5.225 mA/m²，较纯煤样提升了165.0%.得益于碳纤维复合砂浆的低电阻特性，在煤样表面形成了优势导电通路，使电流主要通过复合砂浆约束层流动，优化了试样的导电性能.

图3c和3d中，裂隙扩展到碳纤维复合砂浆边界.此时纯煤样中部截面的平均电流密度为1.943 mA/m²，降幅为1.2%.复合砂浆约束煤样的平均电流密度为5.102 mA/m²，降幅为2.3%.复合砂浆约束煤样的电流密度降幅大于纯煤样.

当裂隙长度为5 mm时，裂纹完全切断碳纤维复合砂浆约束层，如图3e及3f所示.纯煤样中部截面的平均电流密度降至1.930 mA/m²，降幅为1.9%.复合砂浆约束煤样中部截面的平均电流密度下降至4.447 mA/m²，降幅为14.9%，电流密度降幅是纯煤样的7.84倍.这表明复合砂浆约束煤样对裂隙扩展的感知能力显著高于纯煤样，可利用这一特性实时监测煤样的损伤破裂过程.

1.4 力学-电学协同作用试验方案

为分析碳纤维掺量对复合砂浆导电性能及力学强度的影响，并验证复合砂浆约束煤样在力学增强与破裂监测中的作用，设计了5组不同碳纤维掺量的试验方案，如表1所示.碳纤维掺量为碳纤维质量占复合砂浆总质量的百分比.每组分别制备6个碳纤维复合砂浆试件，用于测试复合砂浆基体的力学强度与导电性能；2个碳纤维复合砂浆约束煤样，用于研究约束力学增强及损伤破裂感知性能.此外，设置3个纯煤样为对照组.

试验采用日本东丽公司生产的6 mm短切碳纤维，抗拉强度达3 800 MPa，电阻率为100 Ω·m.根据国标GB 8076—2008《混凝土外加剂》规定，选用混凝土外加剂检验专用的P.I 42.5硅酸盐基准水泥；选用粒径小于0.420 mm的河砂，按水泥和砂的质量比为0.66、水灰比为0.45制备碳纤维复合砂浆试件.

制备步骤如下：1）采用超声波将碳纤维分散在水中，形成均匀分散液.2）按照预定质量配比，将河砂、水泥及碳纤维分散液放入搅拌机中搅拌3 min.3）将润滑油均匀涂抹在单轴抗压试件模具、巴西劈裂法试件模具的内壁，随后将碳纤维复合砂浆倒入模具中，制备成碳纤维复合砂浆试样（图4a）.将脱模后的试样置于室温25 ℃和室内相对湿度50%条件下养护28 d.

碳纤维复合砂浆约束煤样的制作方法为：将直径为50 mm、高度为100 mm的标准煤样放入定制模具（直径为54 mm、高度为100 mm）中，在煤样表面浇筑2 mm厚的约束层，振捣密实后刮平表面.脱模后养护28 d，并对制取试件进行打磨，最后在试件表面涂覆导电凝胶粘贴碳纤维电极.图4b为所制备的碳纤维复合砂浆约束煤样.

试验采用图4c所示试验系统.试验机采用位移控制模式，加载速率为0.03 mm/s.试件电阻率监测采用同惠LCR数字电桥，测量所用的交流电频率为2 000 Hz，采样率为10 Hz，监测电压为0.5 V.为避免试件与试验机金属出现短路，采用绝缘纸将试件与试验机隔开.

为表示单轴压缩试验中裂隙发育造成的电阻变化，定义试件的电阻变化率R_rc为

R_{\mathrm{r}\mathrm{c}}=\frac{R_t-R_{\mathrm{0}}}{R_{\mathrm{0}}}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}.（9）

由于宏观裂纹扩展会引起碳纤维复合砂浆电阻的突变，因此通过相邻监测时段电阻变化率的差值来表征破裂事件的发生.定义2次监测数据间的电阻变化率突变值ΔR_rc为

\mathrm{\Delta }{R}_{\mathrm{r}\mathrm{c}}=\left|\frac{R_{\mathrm{r}\mathrm{c}(i+\mathrm{1})}-R\mathrm{r}\mathrm{c}(i)}{R\mathrm{r}\mathrm{c}(i)}\right|，（10）

式中：R_rc（i+1）为第i+1次测量的电阻变化率；R_rc（i）为第i次测量的电阻变化率.

2 碳纤维复合砂浆力学与导电性能增强作用

2.1 碳纤维复合砂浆电化学阻抗谱和等效电路

为探究碳纤维对复合砂浆导电性的影响，测试了不同碳纤维掺量的砂浆试样电化学阻抗谱^［39］.试验使用德国Zahner PP211型电化学工作站，施加频率范围为0.1~10⁵ Hz、幅值为10 mV的正弦交流电压，测定各组试样的阻抗参数.测试体系为三电极结构：直径4 mm的玻碳电极作为工作电极，铂电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极.

所得复平面阻抗图（Nyquist图）及等效电路模型如图5所示，各参数的拟合结果如表2所示.图中，R_s为溶液电阻；R_ct为电极的电荷转移电阻；R_f为膜层电阻；C_dl由双电层电容C_d和弥散指数n_d组成；Q_f由膜层电容C_f和弥散指数n_f组成.

膜层电阻R_f的大小反映砂浆表面对离子迁移的阻碍作用.根据表2的拟合数据，纯砂浆（碳纤维掺量为0）与0.5%碳纤维掺量样品的R_f最小，分别为180.2，175.5 Ω.当碳纤维掺量为1.0%时，R_f迅速增大至443.3 Ω.当碳纤维掺量为1.5%和2.0%时，R_f分别增大到2 579.0和2 366.0 Ω，相较于纯砂浆提升了1个数量级.这表明随着碳纤维掺量的增加，复合砂浆材料表面对带电离子的阻力有所增强.特别是掺量大于1.0%时，带电离子难以渗透砂浆基体.

电荷转移电阻R_ct则反映由离子移动限制而导致电流流动的阻力.未掺入碳纤维的砂浆中，R_ct值最小为2.1×10⁴ Ω，说明此时电荷转移相对容易.当碳纤维掺量为0.5%时，R_ct增大到8.5×10⁴ Ω，此数值约为纯砂浆试样的4倍.当碳纤维掺量提高1.0%，1.5%及2.0%时，R_ct分别为6.2×10⁴，6.7×10⁴及5.3×10⁴ Ω，数值虽略有回落但仍远高于纯砂浆试样.这证明碳纤维的掺入显著提高了电荷转移的阻力，从而有效抑制溶液中离子电荷转移过程.

2.2 碳纤维掺量对复合砂浆导电性能影响

水泥基材料的导电方式主要为离子导电、电子导电^［29］.离子导电源于基体中带电离子的定向迁移，因此电阻率易受环境温湿度、养护龄期等因素影响，波动幅度较大.相较而言，电子导电不依赖于液体介质，在潮湿环境中依然具有较好的稳定性.因此，采用50~10 000 Hz交流电测试了0~2.0%碳纤维掺量砂浆试件的电阻率，结果如图6所示.

图6a中，在频率为50 Hz时未掺入碳纤维的砂浆电阻率为1.28×10⁷ Ω·m，在频率为10 000 Hz时降低至5.34×10⁵ Ω·m，下降幅度高达95.8%.碳纤维掺量为1.0%时，50~10 000 Hz频域内电阻率由1.91×10⁴ Ω·m减小到1.64×10⁴ Ω·m，仅降低了14.1%.碳纤维掺量提高到2.0%时，50~10 000 Hz频域内电阻率由293.34 Ω·m降低至290.48 Ω·m，整体下降幅度仅为1.1%.这一变化表明，随着碳纤维掺量增大，试样的电阻率与电源频率的相关性逐渐减弱，试样中的电子导电路径逐渐占据主导地位.

图6b为2 000 Hz频率下不同碳纤维掺量砂浆试件的电阻率测试结果.无碳纤维的砂浆试件平均电阻率为1.70×10⁶ Ω·m.当碳纤维掺量为0.5%时，平均电阻率下降至1.67×10⁴ Ω·m.当碳纤维掺量增加到1.0%时，平均电阻率骤降至1 125.25 Ω·m，减小了1个数量级.碳纤维掺量进一步增至1.5%和2.0%时，电阻率降幅明显趋缓，分别降至630.11和289.36 Ω·m，相较纯水泥砂浆电阻率降低了4个数量级.

为定量评估复合砂浆导电稳定性，分别对各掺量试样施加2 000 Hz交流电，进行了时长为15 s的电阻率监测，并计算了噪声峰峰值（即电阻率时域波形中最大值与最小值之差），结果如图7所示.由图7可知，未掺碳纤维的水泥砂浆试样电阻率剧烈波动，最小值及最大值分别为2.58×10⁵，7.86×10⁶ Ω·m，噪声峰峰值达1.79×10⁶ Ω·m.掺入碳纤维后，电阻率的波动范围显著减小，碳纤维掺量为0.5%，1.0%，1.5%及2.0%时的电阻率波动范围分别为242.32，128.02，36.50，8.17 Ω·m，噪声峰峰值降低了5个数量级.

综合电阻率拐点与噪声峰峰值变化趋势可知，1.0%碳纤维掺量是形成连续导电网络的阈值.此时，不仅电阻率显著下降，导电方式完成从离子主导到电子主导的转换，噪声峰峰值也出现大幅下降.碳纤维掺量达到2.0%时，电源频率对试样电阻率的影响基本消失，电子导电路径高度完善，信号稳定性最为理想.

2.3 复合砂浆试样力学强度和破坏模式

为研究碳纤维掺量对砂浆力学强度及破坏特征的影响，测试了碳纤维掺量为0，0.5%，1.0%，1.5%和2.0%时的砂浆试件抗压强度与抗拉强度，同时记录了试样的破裂形态，结果如图8所示.

由图8a~8c可知，随着碳纤维掺量的增加，试件的抗压强度与抗拉强度均显著增大.当碳纤维掺量由0增至2.0%时，试件抗压强度由4.39 MPa提升至10.39 MPa，增大了136.6%；抗拉强度则由1.85 MPa增长至4.35 MPa，增大了135.1%.

观察试样的破坏形态可发现，图8d中纯砂浆试件为拉伸破坏，形成贯穿试样的竖直裂缝并伴随大块基质剥落.当碳纤维掺量为0.5%时，试件仍为拉伸破坏，但主裂缝周边可见纤维连接碎块，如图8e所示.当碳纤维掺量达到1.0%时，试件出现斜切破坏，纤维连接的碎块进一步增多，如图8f所示.图8g及图8h为碳纤维掺量增至1.5%和2.0%时的试件破坏形态，此时试件出现端部剪切破坏，形成的破碎块体更小，在破坏后仍保持较为完整的状态.

2.4 复合砂浆微观结构与增强机制分析

基于前述章节研究，碳纤维对复合砂浆导电性能与力学强度具有显著影响.为深入探究其作用机理，采用扫描电子显微镜（SEM）观察了碳纤维复合砂浆的微观结构，结果如图9所示.

图9a为复合砂浆未损伤破裂时的微观形貌.可见碳纤维在砂浆基体中呈随机、多向分布，纤维相互搭接形成贯穿基体的连续导电网络结构.由于碳纤维具有较好的导电性，该网络结构可为电流提供低阻通路，从而显著降低复合砂浆的电阻率并提高其导电稳定性.

图9b中，复合砂浆在破坏后其微观形貌发生显著变化.原本随机搭接的纤维趋向于同一方向，导致原有连续导电网络结构破坏.这是由于破坏过程中碳纤维主要承受轴向拉应力，因此被牵拉至受力方向.对破裂试样进一步放大，可以清晰看到碳纤维的拉拔沟槽与部分断裂纤维的断面，如图9c所示.这表明碳纤维在复合砂浆破坏过程中承担了较大的拉力.

综合对复合砂浆破坏模式的分析可以确定，碳纤维通过桥联作用有效抑制了裂纹的扩展，将破碎的块体连接在一起，防止大块碎片完全脱离基体.因此，随着碳纤维掺量的增加，试件破坏模式由拉伸破坏向剪切破坏转变，且试件中的贯穿裂缝逐渐被细小裂隙所替代；在试件完全破坏后，碳纤维依然能发挥作用，维持砂浆试件的连续性和完整性.

3 复合砂浆约束煤样力学增强及破裂感知

3.1 单轴压缩试验力学-电学响应特征

为研究复合砂浆约束煤样的力学强度及破裂感知性能，开展复合砂浆约束煤样单轴压缩试验，并同步监测其破裂过程中的电阻变化率，所得结果如图10所示.

图10a为无约束煤样的单轴压缩试验结果.煤样的单轴抗压强度为8.59 MPa，应力‑应变曲线在达到峰值应力后迅速跌落，试件完全丧失承载能力，呈脆性破坏特征.整个加载过程中，电阻变化率R_rc呈波动递增趋势，在煤样完全破坏后达到最大值175.0%.

图10b为纯砂浆约束煤样单轴压缩试验结果，其单轴抗压强度为9.23 MPa，较无约束煤样增长了7.4%.试件的应力‑应变曲线在达到峰值应力后出现波动下降，持续一段时间后迅速跌落；此过程中，电阻变化率曲线呈现“下降‑回升”变化特征.在加载的初始阶段，R_rc逐渐下降至-98.0%；随着轴向应力增大，R_rc逐渐回升，并在峰值强度时达到最大值148.5%；试件破坏后，R_rc维持在104.0%左右.

随着碳纤维掺量增加，试件抗压强度进一步增大，应力‑应变曲线与电阻变化率变化趋势逐渐趋于一致.以碳纤维掺量为2.0%的复合砂浆约束煤样为例（图10f），此时试件抗压强度达10.74 MPa，相较于纯煤样提升25.0%.在峰值强度前，电阻变化率曲线与应力‑应变曲线呈递增趋势；在峰后阶段，应力每次降低时R_rc相应减小，但随着应力回升R_rc也相应增大，呈现明显的同步跌落现象.

3.2 碳纤维复合砂浆环向约束效应

为探究碳纤维复合砂浆对煤样的约束作用，对比分析不同碳纤维掺量下试件的环向应变峰值，结果如图11a所示.纯煤样的环向应变峰值为0.5%.采用复合砂浆约束煤样后，试件的环向应变峰值随碳纤维掺量增大而增大.在碳纤维掺量为2.0%时，环向应变峰值增大至1.9%，较纯煤样增大2.86倍.这表明碳纤维复合砂浆对煤样形成了有效约束.

图11b为碳纤维掺量2.0%的复合砂浆约束煤样裂纹形貌，可见试件表面产生一条较大裂纹，其他区域保持完整.在裂纹两侧可观察到大量沿水平方向分布的碳纤维束，表明碳纤维在裂缝扩展过程中有效承载并限制裂缝扩展，进一步验证了其对煤样的约束作用.

3.3 约束煤样应力/应变的电阻响应灵敏度测定

为探究复合砂浆约束煤样对载荷及变形的灵敏度，借鉴文献［40］提出的灵敏度计算方法，将灵敏度S定义为电阻率对外部应力/应变的响应程度，其计算公式如下：

S_{\sigma }=\left|\frac{R_{\mathrm{r}\mathrm{c},t}}{{\sigma }_t}\right|，（11）

S_{\epsilon }=\left|\frac{R_{\mathrm{r}\mathrm{c},t}}{{\epsilon }_t}\right|，（12）

式中：S_σ 为应力灵敏度，%/MPa；S_ε 为应变灵敏度；R_rc，t 为t时刻的电阻变化率，%；σ_t 为t时刻沿加载方向的应力，MPa；ε_t 为t时刻沿加载方向的应变，%.

根据表3、图12及图13所示结果，纯煤样的平均应力灵敏度S_{σ_avg}与平均应变灵敏度S_{ε_avg}分别为77.22%/MPa和19.17.采用碳纤维复合砂浆约束煤样后，S_σ 和S_ε 均随碳纤维掺量增加而增大.当碳纤维掺量从0增加到2.0%时，S_{σ_avg}从115.38%/MPa增大到338.83%/MPa，提高了1.94倍；S_{ε_avg}亦由72.05增大到242.98，提高约2.37倍.这表明，随着碳纤维掺量的增大，复合砂浆基体中形成了更密集、更有效的导电网络通路，使复合砂浆电阻率对外部载荷的敏感性增强.

对于1.5%和2.0%碳纤维掺量的试样，随着施加载荷增大，S_σ 及S_ε 呈现先大幅度下降，后趋于平缓的变化趋势.这与内部导电路径的损伤破坏相关：在加载初期，碳纤维导电网络连通性较好且纤维间接触紧密，微小的应力/应变变化、裂隙萌生等即可改变纤维间的接触状态或间距，因此灵敏度较高；随着裂纹扩展及局部断裂增多，新生的局部断裂点对整体导电性能的影响减弱，电阻率的变化速率随之放缓，灵敏度逐渐降低并趋于稳定.

3.4 约束煤样损伤破裂的电阻突变响应特征

根据3.1节研究，复合砂浆约束煤样破裂过程中电阻信号与应力‑应变曲线存在同步跌落现象，因此可以利用这一现象监测试样的破裂过程.对比分析纯煤样、1.0%及2.0%碳纤维掺量复合砂浆约束煤样的电阻变化率突变值ΔR_rc，结果如图14所示.

图14a为纯煤样的应力‑应变曲线及对应的电阻值监测结果.整个加载过程中ΔR_rc平均值为1.3%.随着轴向应变的增加，电阻变化率R_rc呈现波动上升趋势，期间监测到数次电阻突变信号，ΔR_rc最大值达25.0%.但未观测到与ΔR_rc突变所对应的应力跌落现象.

图14b为1.0%碳纤维掺量复合砂浆约束煤样的应力‑应变曲线与电阻突变信号监测结果.在应变1.9%和2.4%处观察到应力波动，但ΔR_rc未出现相应的变化.在峰后阶段，应变达到2.6%时，应力出现明显的跌落现象，同时ΔR_rc达到40.7%，是普通煤样的1.63倍.

图14c为2.0%碳纤维掺量复合砂浆约束煤样的应力‑应变曲线与电阻突变信号监测结果.在应变达到0.9%和1.2%时，观察到应力曲线出现明显波动，ΔR_rc分别为17.8%和23.6%.随着加载进入峰后阶段，ΔR_rc变化幅度显著增大，在峰值应力处激增至55.3%，随后伴随应力跌落呈现多次波动.当应变为3.1%时，ΔR_rc达到99.9%，此时试件完全破坏，最终形成贯通破裂面.

对比试验结果发现，碳纤维掺量低于1.0%时，复合砂浆约束煤样电阻信号对峰前破裂事件响应微弱，仅在峰后阶段出现与破裂事件对应的电阻信号突变.当碳纤维掺量达到2.0%时，电阻信号可响应峰前破裂事件，并完整记录裂隙扩展贯通过程，此时力学增强效果与破裂监测性能均达到最优；当监测到ΔR_rc大于15.0%时，说明结构内部已有较明显损伤、承载能力开始下降，存在潜在破坏风险.

4 结 论

1）碳纤维在砂浆基体中形成连续导电网络，能够增强复合砂浆导电性，并且抑制可溶性带电离子迁移，使材料导电方式由离子导电逐步转变为电子导电.碳纤维掺量小于1.0%时，碳纤维复合砂浆的导电方式以离子导电为主；当掺量达到1.0%时，开始形成电子导电通路，并随着掺量持续增大使电阻率不断降低；掺量达到2.0%时，复合砂浆的导电方式转变为电子导电为主，其电阻率较纯砂浆试件降低4个数量级，电阻率噪声幅值减小5个数量级.

2）随着碳纤维掺量增大，复合砂浆抗压强度及抗拉强度显著提高，破坏模式也从拉伸破坏转变为剪切破坏.碳纤维掺量为2.0%条件下，复合砂浆的抗压强度较纯砂浆提升136.6%，抗拉强度增加135.1%.采用此掺量的复合砂浆约束煤样后，试样单轴抗压强度较纯煤样提升25%，环向应变极值较纯煤样增加2.86倍.

3）碳纤维复合砂浆能够在煤体表面形成优势导电通路，对煤样裂隙扩展、应力变化及变形较为敏感.采用2.0%碳纤维掺量的复合砂浆约束煤样后，对应力的灵敏度较纯砂浆约束煤样提升了1.94倍；复合砂浆约束煤样破裂时，应力‑应变曲线与电阻变化率出现同步跌落现象，且电阻变化率出现明显突变，可通过捕捉这一信号追踪试样的破裂演化过程.

4）碳纤维复合砂浆所具有的低电阻、高稳定性以及对裂纹发育的敏感性，弥补了传统加固材料和监测设备功能单一的不足，实现了力学增强与损伤监测的协同作用.未来研究应深入分析复合砂浆与煤岩界面的黏结性能和影响因素，以及碳纤维与水泥砂浆基体间的界面结构与相互作用，进一步优化碳纤维复合砂浆的力学强度及损伤感知性能.

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基金资助

国家自然科学基金项目(52404148)

国家自然科学基金项目(52174212)