膨脹型漿體膨脹性能及力學破壞特征試驗研究①

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 資源與環境工程學院,湖北 武漢430081； 2.湖北省工業安全工程技術研究中心,湖北 武漢430081)

在長期地質構造作用下,地層巖體內部普遍存在節理、裂隙,嚴重影響巖體強度及工程結構整體穩定性［1］。 目前注漿加固技術在強化巷道支護、改善礦巖體完整性［2］等方面運用較普遍,特別是對于含節理面的巖體加固中,通過向弱節理面內注漿,可提高節理面的摩擦力和黏結力,顯著改善含節理巖體的整體強度及穩定性［3-5］。 現有的節理面注漿加固研究主要集中在注漿后巖體的宏觀力學變化特征［4-9］。

膨脹型漿體注漿技術對原有的普通水泥漿體進行了改進,借鑒管縫式預應力錨桿在圍巖中提供法向約束應力的支護思想,既利用漿體自身膨脹產生擠壓力,又具備后期漿體的黏結效果,以期通過“先擠后黏”的加固思路提高含節理面巖體的整體強度。 目前國內膨脹型漿體的膨脹作用主要用來彌補水泥自身的干縮性,然而對產生強膨脹力、高膨脹性能的漿體研究較少。 靜態破碎劑(HSCA)水化后體積增大1 ～2 倍,并產生較強的膨脹應力,廣泛應用于巖石破碎、混凝土構筑物拆除等領域［10-11］,可作為膨脹型漿體注漿技術的首選膨脹源,為節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破碎劑混合,開展膨脹型漿體配比試驗,探究不同配比下漿體的膨脹性能及膨脹后的膠結體力學強度與破壞特征,分析體積膨脹率與力學強度之間的關系,為節理面膨脹漿體注漿加固技術的推進與實施提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗原料

試驗所用原料包括華新牌42.5＃硅酸鹽水泥、HSCA-Ⅱ型靜態破碎劑、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組成,結果見表1。

表1 漿體材料主要化學組成（質量分數）/%

從表1 可知,靜態破碎劑是以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］,化學反應式為:

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,漿體離析現象嚴重,不能達到體積膨脹的效果；水灰比過小,漿體流動性差,充填作用不明顯。 經過多次探索性試驗發現,當水灰比為0.7 時,漿體能兼顧膨脹與強流動性兩種特征。 膨脹劑摻量直接影響到漿體的膨脹效果,將膨脹劑含量設為0%、3%、6%、9%等4 個水平,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速度及減少漿體內部因攪拌產生的氣泡,試驗在標準室溫20 ℃條件下進行。 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 試樣制備及數據監測

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 水泥凈漿攪拌機充分攪拌15 min。 將攪拌好的漿體倒入標準圓形模具中,放入恒溫恒濕養護箱中養護,經初凝終凝試驗結果得知,水泥漿體一般在8 h 后即達到終凝,待漿體達到終凝成型時脫模。

1.3.2 體積膨脹率監測

測量凝固后膠結體的直徑D與高度h,根據式(2)計算膠結體膨脹后體積比V′:

試樣的體積膨脹率φ為:

式中V0為試樣初始體積,這里統一按直徑D0=50 mm、高度h0=100 mm 的模具尺寸計算,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間段監測試樣的體積變化,待后期體積變化不明顯時延長監測間隔時間,不同膨脹劑摻量下試樣在3 d 內的體積膨脹率試驗結果見圖1。

圖1 不同配比下試樣體積膨脹率隨時間變化特征

由圖1 可知,不同配比下靜態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,整個試樣在圓柱形模具內發生了水的離析。 當膨脹體積小于離析水體積時,試樣會出現體積減小的現象,因此試樣在澆注后的某一時間段內體積膨脹緩慢,其主要原因是靜態破碎劑與水、水泥接觸時間不長,內部水化溫度低,導致游離的CaO 分子與水反應緩慢。 該階段持續時間較短,一般在試樣澆注后8 h 內完成,此階段結束后膨脹率分別為0.877%、1.334%和2.257%,分別達到最終膨脹率的31.7%、14.9%和16.6%。

2) 終凝后加速膨脹階段(BC 段)。 上一階段產生的水化反應熱促使試樣內部溫度升高,游離的CaO分子與水反應速度加快,此時試樣可塑性強,對試樣體積的膨脹束縛能力小,因此宏觀表現為試樣體積加速膨脹。 該階段的持續時間隨膨脹劑摻量增加而增加,一般在澆注后8 ～16 h 內膨脹效果最明顯,此階段結束后膨脹率分別為1.932%、7.476%和11.354%,分別達到最終膨脹體積的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,水化反應速度降低,而且此時的水泥膠結劑已凝固,延展性差,抑制了Ca(OH)2晶體在體內生長,使試樣體積膨脹速度逐漸減小。 部分試樣因為自身失去了延展性,繼續反應導致其表面出現膨脹裂紋。 該階段的持續時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時間分別為4 h、8 h 和16 h。

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

3 力學強度及破壞特征分析

3.1 不同膨脹劑摻量應力應變曲線分析

采用WDW-100kN 型單軸壓縮機測試試樣7 d 時的力學強度,結果見圖2。

圖2 不同配比下試樣單軸壓縮全應力-應變曲線

單軸壓縮全應力應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 個階段:

1) 壓密階段(AB 段)。 由圖2 可知,1＃～4＃試樣壓密階段的應變區間逐漸增大,且在壓密階段結束時,其應力值依次減小。 因此隨著膨脹劑摻量增加,試樣因膨脹而滋生的裂紋增多,試樣裂隙閉合持續時間也越久。

2) 彈性階段(BC 段)。 膨脹劑摻量對膠結體線彈性階段表現特征影響較大。 純水泥試樣(1＃)表現出明顯的線彈性,且持續時間相對較長,說明純水泥試樣具有較強的脆性；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＃～4＃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)應力應變線性關系較差,說明4＃試樣延性較強。

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變。

4) 峰值破壞(D 點)。 1＃～4＃試樣破壞時的最大應力值分別為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強度分別為純水泥試樣強度的86.02%、53.21%和24.63%,說明試樣體積膨脹削弱了試樣力學強度。

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

綜上所述,從細觀角度出發,膨脹劑的加入使得試樣體積增加,內部滋生了許多微裂紋,改變了試樣的內部結構,在軸向荷載條件下表現出不同的全應力應變曲線,伴隨著彈性模量、極限抗壓強度及峰后殘余強度削弱。

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＃試樣在軸向應力作用下表面出現①號拉伸主裂紋,方向大致與軸向平行,且上端面出現了片裂現象②,這表明膨脹劑摻量在3%以下時膠結體試樣脆性較強。 當膨脹劑摻量增至6%時,3＃試樣表面有較多的膨脹裂紋,受到軸向應力作用后,沿某一傾斜面的膨脹裂紋發育貫通,最終致使試樣發生單斜面剪切破壞,且與剪切主裂紋①相連的原生膨脹裂紋受到拉伸破壞。 當膨脹劑摻量繼續增至9%時,4＃試樣表面膨脹裂紋明顯增多,在軸向應力作用下,原生膨脹裂紋發生擴展,甚至有小塊掉落,試樣中間因泊松效應出現了明顯的橫向膨脹,上、下端面因端面效應被束縛,最終變成“中間粗、兩頭細”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,膠結體試樣的破壞特征由拉伸破壞逐漸向剪切破壞轉變,最終因膨脹裂紋過多出現碎脹破壞。

4 力學強度與體積膨脹率關系探討

研究分析表明,試樣體積的膨脹和力學性質的削弱都是由膨脹裂隙的滋生導致的,換言之,試樣的體積膨脹率與物理力學性質存在內部聯系。 從試樣內部的化學反應分析,膨脹漿體內部存在兩種水化反應,一種是由水泥熟料中的C2S、C3A、C4AF 等成分反應后構成鈣礬石網狀結晶骨架,另一種是靜態破碎劑的水化反應生成體積增長的Ca(OH)2晶體,致使鈣礬石網狀骨架因體積膨脹而破壞,內部結構緊密性變弱,空隙增大,宏觀表現為體積增長,試樣力學強度遭到削弱,力學性質由脆性向延性轉變。

為了進一步探究試樣的體積膨脹率與力學強度之間的關系,通過單軸壓縮測試膨脹劑摻量分別為1%、2%、4%、5%、7%、8%時的試樣力學強度,并按DoseResp函數擬合力學強度與膨脹率之間的關系,結果如圖4所示。

圖4 單軸壓縮強度與膨脹率之間的關系曲線

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

由圖4 可以看出,膨脹型漿體的力學性質與膨脹率呈負相關,力學強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)預測試樣的力學強度。

5 結 論

針對靜態破碎劑-水泥新型膨脹型漿體的膨脹性能、膨脹后試樣的力學性質與破壞特征、試樣體積膨脹率與力學強度關系等3 個方面展開試驗研究,得到以下結論:

1) 膨脹型漿體膨脹特征呈現4 個階段:終凝前緩慢膨脹階段、終凝后加速膨脹階段、減速膨脹階段和穩定階段。 體積膨脹一般在24 h 內完成。 膨脹劑摻量分別為3%、6%和9%時,試樣達到穩定階段時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,試樣抗壓強度不斷降低。 膨脹劑摻量分別為3%、6%、9%時,膨脹后膠結體力學強度分別為15.26 MPa、9.44 MPa 和4.37 MPa,僅為純水泥試樣強度的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換,其破壞形式由拉伸破壞為主轉變為剪切破壞為主,最后轉變為碎脹破壞。

3) 通過DoseResp 函數擬合得到膨脹后試樣的單軸抗壓強度與體積膨脹率的關系,研究結果可為靜態破碎劑-水泥復合材料漿體節理面注漿技術的工程應用奠定基礎。