高滲透改性環(huán)氧樹脂充填砂漿材料裂隙試驗研究

朱豪偉，劉長武，陳小強，趙 超

(1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，成都 610065；2.水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，成都 610065； 3.聯(lián)勤保障部隊,西寧聯(lián)勤保障中心軍事設(shè)施建設(shè)處，西寧 810007)

0 引 言

在礦山、水利、土建、鐵道、交通等工程建設(shè)領(lǐng)域常常會應(yīng)用注漿技術(shù)加固裂隙巖體，目前注漿技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為比較成熟的施工工法[1]。一些學(xué)者對注漿后的裂隙巖體從多方面進行了研究。王漢鵬等[2]在巖石試件單軸壓縮破裂的基礎(chǔ)上采用水泥漿和瑪麗散N加固破裂試件進行試驗，驗證了注漿加固是加固圍巖非常有效的方法；韓立軍等[3]通過剪切試驗研究破裂巖體結(jié)構(gòu)面的注漿加固效果，發(fā)現(xiàn)注漿后結(jié)構(gòu)面的剛度及抗剪強度參數(shù)都有所改善，而剛度的改善更為明顯；Lu等[4]通過直剪試驗研究灌漿砂巖的特性，發(fā)現(xiàn)水泥漿的充填率對于試樣剪切強度的影響很大；蔣慶仁等[5]對人工劈裂的花崗巖節(jié)理試件進行水泥灌漿加固處理，總結(jié)了由充填度決定的灌漿節(jié)理兩種壓剪破壞形式，并揭示了其破壞機理。

除了灌注水泥漿外，環(huán)氧樹脂注漿材料也在工程中得到了廣泛的應(yīng)用。環(huán)氧樹脂因其強度高、粘結(jié)力強、收縮小、化學(xué)穩(wěn)定性好，以及可以室溫固化等[6]一系列優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于大壩壩基基礎(chǔ)加固和防滲、礦山與隧道開鑿、地鐵開挖、樓房糾偏、混凝土缺陷修復(fù)、文物保護等諸多工程領(lǐng)域[7]。相對而言，人們對灌注環(huán)氧樹脂后的裂隙巖體研究則較少。王志等[8]利用鄰苯二甲酸二丁酯增韌的環(huán)氧樹脂漿液對類巖石試樣進行注漿，認為注漿加固能使試樣形成較為完整的整體，影響注漿效果的主要因素是注漿材料的強度及其與基體材料的粘結(jié)情況；樂慧琳等[9]對含不同角度和不同注漿材料裂隙試樣進行單軸壓縮試驗，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂加固效果優(yōu)于純水泥漿，注漿可有效地消除預(yù)制裂紋尖端的應(yīng)力集中。

在實際工程注漿中，由于工程巖體細微裂隙較多，地質(zhì)水文條件復(fù)雜，注漿設(shè)備存在一定的局限性等，深部巖體的注漿壓力往往達不到預(yù)期的目標，裂隙充填往往不充分。注漿壓力不足甚至沒有注漿壓力的情況下，高滲透改性環(huán)氧樹脂的充填效果如何，充填不充分裂隙巖體的強度能否得到提高，這些問題都沒有確切的答案。因此，研究含不同傾角的裂隙試樣在無注漿壓力充填高滲透改性環(huán)氧樹脂前后的強度特性和破壞模式，從而得出相關(guān)規(guī)律，為工程建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐，具有重要的理論意義與工程價值。

1 實 驗

1.1 水泥砂漿材料

水泥砂漿材料配合比為m(水) ∶m(水泥) ∶m(砂)=1 ∶2.5 ∶2.5，其中，水為無雜質(zhì)的純凈水，水泥為42.5級普通硅酸鹽水泥，砂為粒徑0.25～0.5 mm的標準砂。按此配合比制作完整砂漿試樣并測定相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明此配合比的砂漿材料強度和彈性模量較高，具有良好的脆性，與砂巖的物理力學(xué)特性相似，可視為類巖石材料。

表1 水泥砂漿物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of cement mortar

1.2 高滲透改性環(huán)氧樹脂

本次試驗選用高滲透改性環(huán)氧樹脂化學(xué)灌漿材料充填砂漿材料裂隙，后文簡稱為環(huán)氧樹脂。此材料由A、B組分按照2 ∶1的質(zhì)量比混合后得到，可操作時間約為60 min，固化時間4～6 d，粘度低，滲透力強，其技術(shù)性能指標及實物圖片分別如表2、圖1所示。

表2 環(huán)氧樹脂技術(shù)性能指標(據(jù)廠家)Table 2 Technical performance indexes of epoxy resin (according to manufacturer)

圖1 環(huán)氧樹脂及其固化物Fig.1 Epoxy resin and its curing agent

圖2 裂隙試樣及面積連通率示意圖Fig.2 Schematic diagram of fracture specimen and area connectivity rate

1.3 試樣制作及環(huán)氧樹脂充填

1.3.1 裂隙試樣制作

根據(jù)選定的配合比制作直徑100 mm、高度200 mm的圓柱體水泥砂漿裂隙試樣。在試樣的中部構(gòu)建3條相互平行的直線形單向貫通裂隙，裂隙垂直間距2b均為20 mm，裂隙面積連通率N均為45%，裂隙厚度t為0.3 mm，裂隙傾角α分別為0°、30°、45°、60°，對應(yīng)的裂隙長度2a分別為37 mm、43 mm、52 mm、73 mm，裂隙試樣及面積連通率示意圖如圖2所示。

裂隙試樣的制作方法為預(yù)埋鋼片的方法：在自制的模具中預(yù)埋厚度t為0.3 mm的長方形鋼片，鋼片表面涂抹有凡士林防止鋼片難以拔出；然后澆筑攪拌均勻的水泥砂漿，并用鋼條插搗均勻；在水泥砂漿終凝前拔出鋼片從而構(gòu)建特定產(chǎn)狀的裂隙，將裂隙試樣放入標準養(yǎng)護室養(yǎng)護以供后續(xù)試驗使用。

1.3.2 環(huán)氧樹脂充填

待裂隙試樣養(yǎng)護至21 d，用高滲透改性環(huán)氧樹脂材料充填試樣的裂隙，每種裂隙傾角的試樣充填3個。依靠環(huán)氧樹脂良好的流動性和滲透性，采用無壓力充填的方法充填裂隙：用針筒從裂隙前端注入環(huán)氧樹脂，待環(huán)氧樹脂從裂隙后端滲出時封閉裂隙后端，然后繼續(xù)從裂隙前端充填2 min，直至漿液填滿裂隙。

環(huán)氧樹脂初步凝結(jié)后將試樣放入標準養(yǎng)護室繼續(xù)養(yǎng)護至28 d，然后開展充填前后試樣的單軸壓縮試驗。單軸壓縮試樣類型如表3所示。

表3 試樣類型Table 3 Types of specimens

1.4 試驗設(shè)備及加載條件

圖3 MTS815巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)Fig.3 MTS815 rock mechanics test system

依托于四川大學(xué)水利水電學(xué)院MTS815 Flex Test GT電液伺服巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)進行單軸壓縮試驗，如圖3所示，加載方式采用位移加載，加載速率為0.05 mm/min，試驗過程中采用系統(tǒng)自帶傳感器記錄試樣軸向變形和軸向荷載，并記錄試樣的破壞模式。

2 結(jié)果與討論

用上述MTS815巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)對兩組不同的試件進行了單軸壓縮試驗，得到不同裂隙傾角試樣在充填環(huán)氧樹脂前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，同時記錄了試樣變形破壞的特征，對試樣的強度、變形及破壞模式的影響結(jié)果分析如下。

2.1 充填前后砂漿材料強度特性

圖4 不同裂隙傾角試樣的抗壓強度Fig.4 UCS of specimens with different fissure inclination angles

充填前和充填后不同傾角裂隙試樣的抗壓強度(UCS)及增強百分比如圖4和表4所示。

根據(jù)圖4中抗壓強度隨傾角的變化規(guī)律可看出，隨著裂隙傾角的增加，不論是充填前試樣的抗壓強度σM還是充填后試樣的抗壓強度σH均逐漸減小。裂隙傾角對試樣的抗壓強度有很大的影響，隨著裂隙傾角的增大，抗壓強度一般呈U型分布[10]，試驗結(jié)果和前人[10-11]的研究一致，即裂隙傾角為60°的試樣抗壓強度最低。

充填前4種裂隙傾角試樣的抗壓強度相比于完整砂漿材料的強度均明顯降低。這主要是由于裂隙的存在削弱了試樣的完整性，加載過程中裂隙兩兩之間相互作用，產(chǎn)生的裂紋很快相互貫通，形成裂隙所在區(qū)域的薄弱區(qū)域，進而大大削弱了試樣的強度。由表4可知，試驗中60°傾角裂隙試樣的抗壓強度最低，僅為7.8 MPa，約為完整試件強度的13.76%。分析認為這主要是因為60°傾角試樣的裂隙尖端應(yīng)力集中，首先在裂隙尖端產(chǎn)生裂紋，且60°傾角本來就接近于無缺陷試樣的剪切破壞角α=45°+φ/2=61.5°，此時試樣最容易發(fā)生脆性破壞[11]，隨著軸向荷載的增大，裂紋擴展并相互之間搭接貫通最終導(dǎo)致試樣的破壞。

表4 充填前后試樣抗壓強度增強百分比Table 4 UCS increment percentage of specimens before and after filling

充填后和充填前試樣抗壓強度隨傾角的變化規(guī)律一致，均隨著傾角的增大，強度降低，但充填環(huán)氧樹脂試樣的曲線形式更加接近于一條斜線。試樣充填環(huán)氧樹脂后抗壓強度得到了不同程度的提高，試樣強度的提高百分比如表4所示，其中45°傾角試樣和60°傾角試樣的抗壓強度增強效果明顯優(yōu)于另外兩個傾角的試樣。

試驗結(jié)果表明，在重力作用下，依靠環(huán)氧樹脂優(yōu)異的滲透性和流動性充填裂隙能提高試樣的抗壓強度，且不同裂隙傾角試樣的抗壓強度增強效果不同。這是因為環(huán)氧樹脂在重力作用下能緩慢滲透到裂隙中，固化后填充裂隙使試樣更加完整，改善了試樣的受力情況，從而提高試樣的抗壓強度。

2.2 充填前后砂漿材料變形特性

繪制同一傾角下充填環(huán)氧樹脂前后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示，圖中M和H分別表示未充填環(huán)氧樹脂的試樣和充填環(huán)氧樹脂后的試樣。隨著軸向應(yīng)變的增加，曲線分為非線性的壓密階段、彈性階段和脆性破壞階段。充填前試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線直線段有部分下降的不光滑區(qū)段(見圖中方框)，45°傾角和60°傾角試樣的曲線尤為明顯，分析認為這是由于預(yù)制裂隙閉合所致，而充填環(huán)氧樹脂后試樣的受力情況得到改善，應(yīng)力-應(yīng)變曲線則相對光滑。

圖5 充填環(huán)氧樹脂前后試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curves of specimens before and after epoxy resin filling

2.3 充填前后砂漿材料破壞模式

記錄試樣的破壞形態(tài)并繪制裂隙傾角為60°的試樣充填前后裂紋的素描圖，如圖6所示。樂慧琳等[9]的研究結(jié)果表明，注漿材料和裂紋缺陷角度對類巖石試件破壞模式均有影響，且裂紋缺陷角度較小的情況下注環(huán)氧樹脂能很好地消除預(yù)制裂紋尖端的應(yīng)力集中，改變試樣的破壞模式，在裂紋缺陷角度很大的情況下注漿材料不會影響試件的破壞模式。而在本試驗中，不同傾角的裂隙試樣在充填環(huán)氧樹脂前后破壞模式相差不大，大多表現(xiàn)為拉應(yīng)力導(dǎo)致的拉伸劈裂破壞。

沿裂隙處剖開試樣(見圖7)可以發(fā)現(xiàn)，僅在重力的作用下用環(huán)氧樹脂充填裂隙試樣，裂隙的充填度約為70%，并未完全充滿裂隙。由于在預(yù)制裂隙時鋼片表面涂抹了凡士林，拔出鋼片后裂隙的內(nèi)表面較光滑平整，且殘留了部分凡士林，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂和砂漿裂隙間的粘結(jié)力不足。填充度不足及環(huán)氧樹脂與裂隙間粘結(jié)力不夠是導(dǎo)致試樣充填前后破壞模式變化不大以及試樣強度提高不夠的主要原因。

圖6 試樣破壞模式示意圖Fig.6 Schematic diagrams of specimens failure mode

圖7 裂隙充填效果剖面圖Fig.7 Cross-section view of fissure filling effect

3 結(jié) 論

(1)不論是環(huán)氧樹脂充填前還是充填后，隨著裂隙傾角從0°增大到60°，試樣的抗壓強度均逐漸減小。

(2)高滲透改性環(huán)氧樹脂具有良好的流動性和滲透性，在重力作用下能滲進試樣裂隙并固化；固化后能提高試樣的強度，且不同裂隙傾角試樣的抗壓強度提高程度不同，試驗中45°傾角和60°傾角試樣的抗壓強度提高效果明顯；在本試驗研究條件下，充填前后試樣的破壞模式變化不大。

(3)在實際工程中如裂縫修補等，由于存在不同傾角的裂縫，采用環(huán)氧樹脂灌漿材料加固時不同傾角的裂縫修補效果存在一定的差別，應(yīng)根據(jù)具體情況適當(dāng)提高灌漿壓力以使環(huán)氧樹脂充滿裂隙，從而保證裂縫修補的效果。