纳米SiO2 对水泥剪切强度及浆液流变性质影响的试验研究

姜崇扬，王连国，李文帅，王 斌

（1.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州221116；2.中国矿业大学 力学与土木工程学院，江苏 徐州221116）

为了提高巷道围岩抗剪切性能，普通硅酸盐水泥已广泛应用于深部地下工程注浆加固[1]。与浅部开采相比，深部开采的显著特征之一是强烈的采矿扰动[2]。在深部强采动影响下，巷道围岩注浆支护较为困难，给深部资源的安全绿色开采带来了严峻的挑战[3]。在矿山深部巷道中，注浆加固后的裂隙岩体通常处于剪切应力状态[4-8]。因此，在地下开挖工程中，浆液结石体的抗剪性能一直是研究的重点。Chen 等[9]采用直剪试验研究了不同恒定法向荷载和恒定刚度下普通水泥结石体的剪切行为。Nasir 和Fall[10]通过一系列养护龄期为1～28 d 的直剪试验，研究了胶结膏体充填体与岩石的界面抗剪强度行为。同时考虑到巷道快速掘进的要求，迫切需要提高浆液结石体的早期强度。目前，随着纳米技术的发展，具有高比表面积及活性的纳米颗粒正逐渐应用于建筑材料领域[11]。已有研究表明纳米SiO2对水泥砂浆或混凝土的力学性能有明显改善[12-13]，添加纳米SiO2颗粒的水泥浆液或混凝土早期和长期抗压强度[14-15]以及水化反应速度[16]均有增加。据此，侯学彪等[17]研究了纳米SiO2对混凝土劈裂抗拉强度和抗压强度的影响。Arel 和Shaikh[18]评价了纳米SiO2和粉煤灰对粉煤灰砂浆力学性能和耐久性的影响。尽管加入纳米SiO2的水泥砂浆或混凝土增加了拌合物的需水量[19]，但添加减水剂可以有效地提高其流动性[20-22]。然而，目前的研究主要集中在添加纳米颗粒的混凝土或水泥砂浆的抗压强度上，针对添加纳米颗粒的水泥浆液结石体的抗剪强度研究较少。

基于此，对3 d 养护条件下、水灰比为1.0 的水泥结石体试件进行了一系列恒定法向应力条件下的直剪试验，研究了添加纳米SiO2对浆液结石体剪切变形、剪切强度参数等的影响规律。此外，考虑到纳米SiO2的加入可能会降低浆液流动性，因此还研究了减水剂对含纳米SiO2水泥浆液的流变特性影响规律，以期获得高流动性的水泥浆液。

1 试验方法

1.1 试验材料

本试验所用水泥选择强度等级为42.5 MPa 的普通硅酸盐水泥（P.O 42.5），水泥品质满足GB 175—2007 中国国家标准技术要求。此外，纳米SiO2由上海科研有限公司提供，纳米SiO2粒径为（30±5）nm，比表面积为150～300 m2/g。纳米SiO2具体参数表1。

表1 纳米SiO2 特征参数Table 1 Characteristic parameters of nano-sio2

1.2 浆液及试样制备

为了评价纳米SiO2的添加对水泥结石体试件早期抗剪强度参数的影响规律，本次研究选用水灰比为1.0 的纯水泥浆液（P.O 42.5），并添加质量分数为3.0 %的纳米SiO2颗粒。此外，还选用了1 种商用的减水剂（SP）来提高水泥浆液的流动性。不同的浆液配比见表2，将制备好的不同配比的水泥浆液倒入50 mm 立方体模具，待水泥硬化后，从模具中取出试件，并在20 °C 的温度和相对湿度为95 %的条件下养护3 d。

表2 不同浆液的配比Table 2 Different proportions of slurry

1.3 试验装置

直剪试验系统由电液伺服控制加载系统和剪切盒组成，电液伺服控制加载系统可提供2 000 kN 的最大法向载荷和300 kN 的最大剪切载荷。固定在活塞杆上的位移传感器用于监测试验期间试样的位移。剪切盒由2 个L 形楔形体框架组成，2 个剪切框架完全分离，相互没有摩擦。在试验过程中，试样的中心、剪切框架的2 个L 形楔形体和剪切加载活塞杆的轴向方向保持在同一轴向上，直剪试验系统示意图如图1。

1.4 试验方案

为了研究不同水泥结石体试样的剪切行为，利用直剪试验系统，进行4 种（0.5、1.0、1.5、2.0 MPa）恒定法向应力条件下的直剪试验。试验开始前，将凡士林和硬脂酸按照1∶1 比例混合后涂抹到各个接触表面上，以减少剪切装置和试样之间的摩擦。试验时，首先法向加载系统按照应力控制加载方式，加载至预定的法向荷载，并使法向荷载保持恒定；然后，切向加载系统按照位移控制加载方式，以v=0.12 mm/min 的恒定加载速率施加剪切力对结石体试样进行剪切试验，直至试样破坏。在整个试验过程中，试验系统实时记录试样的剪切位移、剪切载荷等试验数据，数据采样间隔时间为1 s。为了降低试验结果的离散性，对每种法向荷载条件下的结石体试样进行3 次重复试验。

图1 直剪试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the direct shear test system

为进一步研究纳米SiO2颗粒和不同减水剂添加量对浆液流变性能的影响规律，利用ZNN-D6X旋转黏度计分别在600、300、200、100、6、3 r/min 剪切转速下测定不同浆液的流变参数，以期获得高流动性浆液。

2 试验结果及分析

2.1 剪切应力-剪切位移曲线

在直接剪切试验中研究了纳米SiO2对养护3 d后水泥结石体试样抗剪强度参数的影响。不同恒定法向荷载下直剪试验获得的不同水泥结石体试样的剪切应力τ-剪切位移u 曲线（τ-u）如图2。从图2中可以看出，2 种试件均呈现出相同的变化趋势，剪切应力随着剪切位移的增加而逐渐增大。在初始压缩之后，剪切应力急剧增加，直至达到峰值，之后其表现为应变软化阶段。在相同的法向应力作用下，含纳米SiO2的浆液结石体τ-u 曲线呈现上升的趋势。此外，随着法向应力的增加，结石体强度也相应增加，这是因为法向应力的增加导致颗粒之间的孔隙度降低，导致了更高的剪切强度。

2.2 剪切强度特征

图2 不同水泥结石体τ-u 关系曲线Fig.2 Different cement stone body τ-u relation curves

根据图2 中试样的剪切应力-剪切位移关系曲线，进一步获得的P.O 42.5 和NSP.O 42.5 2 种试样的剪切强度见表3。

表3 不同恒定法向应力(σ)下添加和不添加纳米SiO2 的水泥结石体试样的剪切强度(τe)和平均剪切强度(τp)Table 3 Shear strength of cement stone body specimen and average shear strength with and without nano - SiO2 under different constant normal stresses

从表3 可以看出，在同一法向应力条件下，NSP.O 42.5 试样的剪切强度相对高于P.O 42.5。在2.0 MPa 的法向应力条件下，NSP.O 42.5 试样的平均剪切强度相比于P.O 42.5 试样增加了约7.7 %，这表明添加3.0 %的纳米SiO2可以有效提高水泥结石体试样早期的剪切强度。此外，剪切强度随着法向应力的增加而增加。

根据表3 中的试验数据得到的P.O 42.5 和NSP.O 42.5 2 种试样平均剪切强度与法向应力之间的关系如图3，2 种试样的剪切强度随正应力均表现为近似线性变化趋势。

图3 P.O 42.5 和NSP.O 42.5 试样的平均剪切强度与法向应力之间的关系Fig.3 Relationship between average shear strength and normal stress of P.O 42.5 and NSP.O 42.5 samples

利用Mohr-Coulomb 破坏准则可以较好地拟合其剪切强度τp：

式中：c 为黏聚力；φ 为内摩擦角；σ 为法向应力。

对于2 条拟合线，R2大约在0.98 到0.99 之间。2 种试样的剪切强度参数（c 和φ）如图3。

从图3 可以看出，随着纳米SiO2的加入，试样的黏聚力和内摩擦角都有所增加。较P.O 42.5 试样而言，NSP.O 42.5 试样的黏聚力和内摩擦角分别增加了8.2 %和4.1 %，这说明添加3.0 %的纳米SiO2能够有效地提高水泥结石体的抗剪强度参数。这主要是由于纳米SiO2颗粒小，并且具有较大的比表面积，能够有效参与水化反应，填充于水泥颗粒之间，减少了游离水和水泥颗粒之间的体积，从而提高了结石体黏聚力和内摩擦角。

3 流变性质

尽管添加纳米SiO2颗粒能够有效地促进水泥水化反应，并提高结石体试样剪切强度，但纳米SiO2颗粒的添加同时也增加了浆液的黏度，降低了浆液的流动性[23]。已有研究表明，添加减水剂可以有效地提高浆液流动性。

200 r/min 转速下添加不同含量减水剂的2 种浆液的初始表观黏度如图4。从图中可以看出，添加减水剂后的浆液初始表观黏度均明显降低。随着减水剂含量的增加，2 种浆液初始表观黏度整体均呈下降趋势，并逐渐趋于稳定。对于P.O 42.5 水泥浆液而言，当减水剂用量增加到0.75%时，浆液的初始表观黏度基本稳定在6.09 mPa·s，较无减水剂时降低了约42.8 %。添加纳米SiO2且不添加减水剂的情况下，浆液黏度比P.O 42.5 增加了约2 倍，这表明含纳米SiO2的浆液需要添加更多含量的减水剂以降低浆液黏度。添加1.5 %含量减水剂后，NSP.O 42.5 浆液初始表观黏度达到最低，约为10.66 mPa·s。添加最优含量减水剂后，NSP.O 42.5 浆液表观黏度约为P.O 42.5 浆液的1.75 倍，与纯水泥浆液接近。

图4 不同含量减水剂下的2 种水泥浆液初始表观黏度Fig.4 Initial apparent viscosity of two kinds of cement slurry with different contents of water-reducing agent

浆液一般被认为是非牛顿流体，据此可以对浆液流变数据进行Bingham 塑性模型拟合：

式中：τr为剪切应力，Pa；τ0为屈服应力，Pa；μp为塑性黏度，Pa·s；γ 为剪切速率，s-1。

P.O 42.5 和NSP.O 42.5 2 种浆液的剪切应力-剪切速率拟合关系曲线如图5，图5 同时也给出了上述2 种浆液添加最优减水剂含量的剪切应力和剪切速率拟合曲线。不同浆液流变参数及拟合曲线相关系数见表4，相关系数在0.96～1.0 之间，显示了较好的拟合结果。

图5 不同浆液剪切应力与剪切速率关系曲线Fig.5 Relationship curves between shear stress and shear rate of different slurry

表4 不添加和添加最佳含量减水剂的浆液的流变参数Table 4 Rheological parameters of the slurry without and with the optimal content of water reducer

在不添加减水剂的情况下，添加纳米SiO2颗粒会显著增加浆液的屈服应力和塑性黏度，降低浆液流动性。对于纯水泥浆液（P.O 42.5），加入纳米SiO2后（NSP.O 42.5），屈服应力和塑性黏度分别增加了约4.85 倍和66.7%。2 种浆液分别添加最优含量的减水剂后，浆液的流变参数均显著降低，特别是对于含纳米SiO2的浆液。相比NSP.O 42.5 浆液，NSP.O 42.5-SP1.5 浆液屈服应力和塑性黏度分别降低了约93.6 %和33.3 %。可以得出结论，添加1.5 %含量的减水剂可显著降低含纳米SiO2颗粒的浆液流变参数，在提高剪切强度的情况下，同时提高了浆液流动性和可注性。

4 结 论

1）结石体试样剪切应力随剪切位移的增加逐渐增大，直至达到峰值应力，然后表现为应变软化阶段，含纳米SiO2的试样的τ-u 曲线比纯水泥试样呈现出上升的趋势。

2）添加3.0 %纳米SiO2可以提高结石体试样的早期抗剪强度参数。相同法向应力条件下（2.0 MPa），NSP.O 42.5 试样剪切强度较P.O 42.5 试样增加了约7.7 %。与P.O 42.5 的试样相比，NSP.O 42.5的黏聚力和内摩擦角分别提高了约8.2 %和4.1 %。

3）对于纯水泥浆液和添加纳米SiO2的浆液，分别获得了最优的减水剂添加量为0.75 %和1.5 %。对于添加纳米SiO2的浆液，添加1.5 %含量的减水剂可显著降低浆液流变参数，在提高结石体强度的情况下，同时提高了浆液流动性和可注性。