李鵬程， 葉義成，2， 姚 囝， 陳常釗， 鄧興敏， 陳俊偉

(1.武漢科技大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,湖北 武漢430081； 2.湖北省工業(yè)安全工程技術(shù)研究中心,湖北 武漢430081)

在長期地質(zhì)構(gòu)造作用下,地層巖體內(nèi)部普遍存在節(jié)理、裂隙,嚴(yán)重影響巖體強(qiáng)度及工程結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性［1］。 目前注漿加固技術(shù)在強(qiáng)化巷道支護(hù)、改善礦巖體完整性［2］等方面運(yùn)用較普遍,特別是對于含節(jié)理面的巖體加固中,通過向弱節(jié)理面內(nèi)注漿,可提高節(jié)理面的摩擦力和黏結(jié)力,顯著改善含節(jié)理巖體的整體強(qiáng)度及穩(wěn)定性［3-5］。 現(xiàn)有的節(jié)理面注漿加固研究主要集中在注漿后巖體的宏觀力學(xué)變化特征［4-9］。

膨脹型漿體注漿技術(shù)對原有的普通水泥漿體進(jìn)行了改進(jìn),借鑒管縫式預(yù)應(yīng)力錨桿在圍巖中提供法向約束應(yīng)力的支護(hù)思想,既利用漿體自身膨脹產(chǎn)生擠壓力,又具備后期漿體的黏結(jié)效果,以期通過“先擠后黏”的加固思路提高含節(jié)理面巖體的整體強(qiáng)度。 目前國內(nèi)膨脹型漿體的膨脹作用主要用來彌補(bǔ)水泥自身的干縮性,然而對產(chǎn)生強(qiáng)膨脹力、高膨脹性能的漿體研究較少。 靜態(tài)破碎劑(HSCA)水化后體積增大1 ～2 倍,并產(chǎn)生較強(qiáng)的膨脹應(yīng)力,廣泛應(yīng)用于巖石破碎、混凝土構(gòu)筑物拆除等領(lǐng)域［10-11］,可作為膨脹型漿體注漿技術(shù)的首選膨脹源,為節(jié)理面巖體提供擠壓力。

鑒于此,本文嘗試將普通硅酸鹽水泥與靜態(tài)破碎劑混合,開展膨脹型漿體配比試驗(yàn),探究不同配比下漿體的膨脹性能及膨脹后的膠結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度與破壞特征,分析體積膨脹率與力學(xué)強(qiáng)度之間的關(guān)系,為節(jié)理面膨脹漿體注漿加固技術(shù)的推進(jìn)與實(shí)施提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料包括華新牌42.5＃硅酸鹽水泥、HSCA-Ⅱ型靜態(tài)破碎劑、速凝劑,通過X 射線熒光光譜分析儀分析了不同原材料的化學(xué)組成,結(jié)果見表1。

表1 漿體材料主要化學(xué)組成（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

從表1 可知,靜態(tài)破碎劑是以CaO 為主要成分的膨脹材料,其膨脹的基本原理為CaO 與水反應(yīng)生成Ca(OH)2晶體,研究表明生成的Ca(OH)2固相體積要比CaO 固相體積增大97%左右［12］,化學(xué)反應(yīng)式為:

1.2 漿體配比方案

漿體的水灰比一般在0.6 ～1.0 之間。 水灰比過大,漿體離析現(xiàn)象嚴(yán)重,不能達(dá)到體積膨脹的效果；水灰比過小,漿體流動性差,充填作用不明顯。 經(jīng)過多次探索性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)水灰比為0.7 時(shí),漿體能兼顧膨脹與強(qiáng)流動性兩種特征。 膨脹劑摻量直接影響到漿體的膨脹效果,將膨脹劑含量設(shè)為0%、3%、6%、9%等4 個(gè)水平,研究不同膨脹劑摻量下漿體的膨脹特征。 此外加入少量的速凝劑和消泡劑分別提高水泥的膠結(jié)速度及減少漿體內(nèi)部因攪拌產(chǎn)生的氣泡,試驗(yàn)在標(biāo)準(zhǔn)室溫20 ℃條件下進(jìn)行。 拌合水采用清潔的20 ℃自來水,配比方案見表2。

表2 凈漿配比

1.3 試樣制備及數(shù)據(jù)監(jiān)測

1.3.1 試樣制備

按表2 所示配比,稱取一定量的水泥、靜態(tài)破碎劑(HSCA)、速凝劑、水和消泡劑混合,并采用NJ-160 水泥凈漿攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢?5 min。 將攪拌好的漿體倒入標(biāo)準(zhǔn)圓形模具中,放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù),經(jīng)初凝終凝試驗(yàn)結(jié)果得知,水泥漿體一般在8 h 后即達(dá)到終凝,待漿體達(dá)到終凝成型時(shí)脫模。

1.3.2 體積膨脹率監(jiān)測

測量凝固后膠結(jié)體的直徑D與高度h,根據(jù)式(2)計(jì)算膠結(jié)體膨脹后體積比V′:

試樣的體積膨脹率φ為:

式中V0為試樣初始體積,這里統(tǒng)一按直徑D0=50 mm、高度h0=100 mm 的模具尺寸計(jì)算,即V0=196 250 mm3。

2 膨脹特性分析

從試樣成型脫模后每隔一定時(shí)間段監(jiān)測試樣的體積變化,待后期體積變化不明顯時(shí)延長監(jiān)測間隔時(shí)間,不同膨脹劑摻量下試樣在3 d 內(nèi)的體積膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 不同配比下試樣體積膨脹率隨時(shí)間變化特征

由圖1 可知,不同配比下靜態(tài)破碎劑類漿體膨脹試樣體積的膨脹趨勢大致相同,可分為以下4 個(gè)階段:

1) 終凝前緩慢膨脹階段(AB 段)。 該階段試樣處于半固體狀態(tài),整個(gè)試樣在圓柱形模具內(nèi)發(fā)生了水的離析。 當(dāng)膨脹體積小于離析水體積時(shí),試樣會出現(xiàn)體積減小的現(xiàn)象,因此試樣在澆注后的某一時(shí)間段內(nèi)體積膨脹緩慢,其主要原因是靜態(tài)破碎劑與水、水泥接觸時(shí)間不長,內(nèi)部水化溫度低,導(dǎo)致游離的CaO 分子與水反應(yīng)緩慢。 該階段持續(xù)時(shí)間較短,一般在試樣澆注后8 h 內(nèi)完成,此階段結(jié)束后膨脹率分別為0.877%、1.334%和2.257%,分別達(dá)到最終膨脹率的31.7%、14.9%和16.6%。

2) 終凝后加速膨脹階段(BC 段)。 上一階段產(chǎn)生的水化反應(yīng)熱促使試樣內(nèi)部溫度升高,游離的CaO分子與水反應(yīng)速度加快,此時(shí)試樣可塑性強(qiáng),對試樣體積的膨脹束縛能力小,因此宏觀表現(xiàn)為試樣體積加速膨脹。 該階段的持續(xù)時(shí)間隨膨脹劑摻量增加而增加,一般在澆注后8 ～16 h 內(nèi)膨脹效果最明顯,此階段結(jié)束后膨脹率分別為1.932%、7.476%和11.354%,分別達(dá)到最終膨脹體積的75.9%、83.7%和83.8%。

3) 減速膨脹階段(CD 段)。 該階段試樣水及游離的CaO 分子含量減少,水化反應(yīng)速度降低,而且此時(shí)的水泥膠結(jié)劑已凝固,延展性差,抑制了Ca(OH)2晶體在體內(nèi)生長,使試樣體積膨脹速度逐漸減小。 部分試樣因?yàn)樽陨硎チ搜诱剐?繼續(xù)反應(yīng)導(dǎo)致其表面出現(xiàn)膨脹裂紋。 該階段的持續(xù)時(shí)間隨膨脹劑摻量增加而增加,如圖1 所示,膨脹劑摻量3%、6%和9%的試樣緩慢膨脹階段持續(xù)時(shí)間分別為4 h、8 h 和16 h。

4) 穩(wěn)定階段(D 以后)。 該階段試樣內(nèi)部游離的CaO 分子幾乎反應(yīng)完全,試樣體積基本保持不變,處于穩(wěn)定狀態(tài)。 膨脹劑摻量3%、6%和9%時(shí)試樣的最終平均體積膨脹率分別為2.76%、8.92%和13.57%。

3 力學(xué)強(qiáng)度及破壞特征分析

3.1 不同膨脹劑摻量應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

采用WDW-100kN 型單軸壓縮機(jī)測試試樣7 d 時(shí)的力學(xué)強(qiáng)度,結(jié)果見圖2。

圖2 不同配比下試樣單軸壓縮全應(yīng)力-應(yīng)變曲線

單軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為壓密階段、彈性階段、屈服階段、峰值破壞和峰后階段等5 個(gè)階段:

1) 壓密階段(AB 段)。 由圖2 可知,1?！?＃試樣壓密階段的應(yīng)變區(qū)間逐漸增大,且在壓密階段結(jié)束時(shí),其應(yīng)力值依次減小。 因此隨著膨脹劑摻量增加,試樣因膨脹而滋生的裂紋增多,試樣裂隙閉合持續(xù)時(shí)間也越久。

2) 彈性階段(BC 段)。 膨脹劑摻量對膠結(jié)體線彈性階段表現(xiàn)特征影響較大。 純水泥試樣(1＃)表現(xiàn)出明顯的線彈性,且持續(xù)時(shí)間相對較長,說明純水泥試樣具有較強(qiáng)的脆性；隨著膨脹劑摻量增加,線彈性階段逐漸變短,彈性模量逐漸減小,1?！?＃試樣的彈性模量分別為1 629.31 MPa、1 358.57 MPa、654.37 MPa 和434.29 MPa,其中4＃試樣的線彈性階段(B4D4)應(yīng)力應(yīng)變線性關(guān)系較差,說明4＃試樣延性較強(qiáng)。

3) 屈服階段(CD 段)。 從圖2 可以看出,隨著膨脹劑摻量增加,屈服階段逐漸變長,試樣由脆性向延性轉(zhuǎn)變。

4) 峰值破壞(D 點(diǎn))。 1?！?＃試樣破壞時(shí)的最大應(yīng)力值分別為17.74 MPa、15.26 MPa、9.44 MPa 和4.37 MPa,2＃、3＃、4＃試樣體積膨脹后的力學(xué)強(qiáng)度分別為純水泥試樣強(qiáng)度的86.02%、53.21%和24.63%,說明試樣體積膨脹削弱了試樣力學(xué)強(qiáng)度。

5) 峰后殘余強(qiáng)度(DE 段)。 膨脹劑摻量越大,試樣破壞后的殘余強(qiáng)度越小。

綜上所述,從細(xì)觀角度出發(fā),膨脹劑的加入使得試樣體積增加,內(nèi)部滋生了許多微裂紋,改變了試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu),在軸向荷載條件下表現(xiàn)出不同的全應(yīng)力應(yīng)變曲線,伴隨著彈性模量、極限抗壓強(qiáng)度及峰后殘余強(qiáng)度削弱。

3.2 試樣單軸壓縮破壞特征分析

不同配比下試樣單軸壓縮典型破壞特征見圖3。從圖3 可知,1＃試樣與2＃試樣在軸向應(yīng)力作用下表面出現(xiàn)①號拉伸主裂紋,方向大致與軸向平行,且上端面出現(xiàn)了片裂現(xiàn)象②,這表明膨脹劑摻量在3%以下時(shí)膠結(jié)體試樣脆性較強(qiáng)。 當(dāng)膨脹劑摻量增至6%時(shí),3＃試樣表面有較多的膨脹裂紋,受到軸向應(yīng)力作用后,沿某一傾斜面的膨脹裂紋發(fā)育貫通,最終致使試樣發(fā)生單斜面剪切破壞,且與剪切主裂紋①相連的原生膨脹裂紋受到拉伸破壞。 當(dāng)膨脹劑摻量繼續(xù)增至9%時(shí),4＃試樣表面膨脹裂紋明顯增多,在軸向應(yīng)力作用下,原生膨脹裂紋發(fā)生擴(kuò)展,甚至有小塊掉落,試樣中間因泊松效應(yīng)出現(xiàn)了明顯的橫向膨脹,上、下端面因端面效應(yīng)被束縛,最終變成“中間粗、兩頭細(xì)”的形狀,故定義為碎脹型破壞。

圖3 不同配比下試樣單軸壓縮典型破壞特征

綜上可知,隨著膨脹劑摻量增加,膠結(jié)體試樣的破壞特征由拉伸破壞逐漸向剪切破壞轉(zhuǎn)變,最終因膨脹裂紋過多出現(xiàn)碎脹破壞。

4 力學(xué)強(qiáng)度與體積膨脹率關(guān)系探討

研究分析表明,試樣體積的膨脹和力學(xué)性質(zhì)的削弱都是由膨脹裂隙的滋生導(dǎo)致的,換言之,試樣的體積膨脹率與物理力學(xué)性質(zhì)存在內(nèi)部聯(lián)系。 從試樣內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)分析,膨脹漿體內(nèi)部存在兩種水化反應(yīng),一種是由水泥熟料中的C2S、C3A、C4AF 等成分反應(yīng)后構(gòu)成鈣礬石網(wǎng)狀結(jié)晶骨架,另一種是靜態(tài)破碎劑的水化反應(yīng)生成體積增長的Ca(OH)2晶體,致使鈣礬石網(wǎng)狀骨架因體積膨脹而破壞,內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密性變?nèi)?空隙增大,宏觀表現(xiàn)為體積增長,試樣力學(xué)強(qiáng)度遭到削弱,力學(xué)性質(zhì)由脆性向延性轉(zhuǎn)變。

為了進(jìn)一步探究試樣的體積膨脹率與力學(xué)強(qiáng)度之間的關(guān)系,通過單軸壓縮測試膨脹劑摻量分別為1%、2%、4%、5%、7%、8%時(shí)的試樣力學(xué)強(qiáng)度,并按DoseResp函數(shù)擬合力學(xué)強(qiáng)度與膨脹率之間的關(guān)系,結(jié)果如圖4所示。

圖4 單軸壓縮強(qiáng)度與膨脹率之間的關(guān)系曲線

由圖4 可知,DoseResp 函數(shù)的擬合效果較好,由此可得到膨脹型試樣單軸壓縮強(qiáng)度σc與體積膨脹率φ 之間的關(guān)系為:

由圖4 可以看出,膨脹型漿體的力學(xué)性質(zhì)與膨脹率呈負(fù)相關(guān),力學(xué)強(qiáng)度的削弱剛開始受膨脹率增加影響較小,隨后影響變大再變小。 一般地,保證水灰比及齡期相同,在已知試樣的體積膨脹率下,可通過式(4)預(yù)測試樣的力學(xué)強(qiáng)度。

5 結(jié) 論

針對靜態(tài)破碎劑-水泥新型膨脹型漿體的膨脹性能、膨脹后試樣的力學(xué)性質(zhì)與破壞特征、試樣體積膨脹率與力學(xué)強(qiáng)度關(guān)系等3 個(gè)方面展開試驗(yàn)研究,得到以下結(jié)論:

1) 膨脹型漿體膨脹特征呈現(xiàn)4 個(gè)階段:終凝前緩慢膨脹階段、終凝后加速膨脹階段、減速膨脹階段和穩(wěn)定階段。 體積膨脹一般在24 h 內(nèi)完成。 膨脹劑摻量分別為3%、6%和9%時(shí),試樣達(dá)到穩(wěn)定階段時(shí)的平均體積膨脹率分別為2.76%、8.92%和13.57%。

2) 隨著膨脹劑摻量增加,試樣抗壓強(qiáng)度不斷降低。 膨脹劑摻量分別為3%、6%、9%時(shí),膨脹后膠結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度分別為15.26 MPa、9.44 MPa 和4.37 MPa,僅為純水泥試樣強(qiáng)度的86.02%、53.21%和24.63%。 隨著膨脹劑摻量增加,試樣由彈性向塑性轉(zhuǎn)換,其破壞形式由拉伸破壞為主轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐臑橹?最后轉(zhuǎn)變?yōu)樗槊浧茐摹?/p>

3) 通過DoseResp 函數(shù)擬合得到膨脹后試樣的單軸抗壓強(qiáng)度與體積膨脹率的關(guān)系,研究結(jié)果可為靜態(tài)破碎劑-水泥復(fù)合材料漿體節(jié)理面注漿技術(shù)的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。