膨胀型浆体膨胀性能及力学破坏特征试验研究①

李鹏程， 叶义成，2， 姚 囝， 陈常钊， 邓兴敏， 陈俊伟

(1.武汉科技大学 资源与环境工程学院,湖北 武汉430081； 2.湖北省工业安全工程技术研究中心,湖北 武汉430081)

在长期地质构造作用下,地层岩体内部普遍存在节理、裂隙,严重影响岩体强度及工程结构整体稳定性［1］。 目前注浆加固技术在强化巷道支护、改善矿岩体完整性［2］等方面运用较普遍,特别是对于含节理面的岩体加固中,通过向弱节理面内注浆,可提高节理面的摩擦力和黏结力,显著改善含节理岩体的整体强度及稳定性［3-5］。 现有的节理面注浆加固研究主要集中在注浆后岩体的宏观力学变化特征［4-9］。

膨胀型浆体注浆技术对原有的普通水泥浆体进行了改进,借鉴管缝式预应力锚杆在围岩中提供法向约束应力的支护思想,既利用浆体自身膨胀产生挤压力,又具备后期浆体的黏结效果,以期通过“先挤后黏”的加固思路提高含节理面岩体的整体强度。 目前国内膨胀型浆体的膨胀作用主要用来弥补水泥自身的干缩性,然而对产生强膨胀力、高膨胀性能的浆体研究较少。 静态破碎剂(HSCA)水化后体积增大1 ～2 倍,并产生较强的膨胀应力,广泛应用于岩石破碎、混凝土构筑物拆除等领域［10-11］,可作为膨胀型浆体注浆技术的首选膨胀源,为节理面岩体提供挤压力。

鉴于此,本文尝试将普通硅酸盐水泥与静态破碎剂混合,开展膨胀型浆体配比试验,探究不同配比下浆体的膨胀性能及膨胀后的胶结体力学强度与破坏特征,分析体积膨胀率与力学强度之间的关系,为节理面膨胀浆体注浆加固技术的推进与实施提供参考。

1 试 验

1.1 试验原料

试验所用原料包括华新牌42.5＃硅酸盐水泥、HSCA-Ⅱ型静态破碎剂、速凝剂,通过X 射线荧光光谱分析仪分析了不同原材料的化学组成,结果见表1。

表1 浆体材料主要化学组成（质量分数）/%

从表1 可知,静态破碎剂是以CaO 为主要成分的膨胀材料,其膨胀的基本原理为CaO 与水反应生成Ca(OH)2晶体,研究表明生成的Ca(OH)2固相体积要比CaO 固相体积增大97%左右［12］,化学反应式为:

1.2 浆体配比方案

浆体的水灰比一般在0.6 ～1.0 之间。 水灰比过大,浆体离析现象严重,不能达到体积膨胀的效果；水灰比过小,浆体流动性差,充填作用不明显。 经过多次探索性试验发现,当水灰比为0.7 时,浆体能兼顾膨胀与强流动性两种特征。 膨胀剂掺量直接影响到浆体的膨胀效果,将膨胀剂含量设为0%、3%、6%、9%等4 个水平,研究不同膨胀剂掺量下浆体的膨胀特征。 此外加入少量的速凝剂和消泡剂分别提高水泥的胶结速度及减少浆体内部因搅拌产生的气泡,试验在标准室温20 ℃条件下进行。 拌合水采用清洁的20 ℃自来水,配比方案见表2。

表2 净浆配比

1.3 试样制备及数据监测

1.3.1 试样制备

按表2 所示配比,称取一定量的水泥、静态破碎剂(HSCA)、速凝剂、水和消泡剂混合,并采用NJ-160 水泥净浆搅拌机充分搅拌15 min。 将搅拌好的浆体倒入标准圆形模具中,放入恒温恒湿养护箱中养护,经初凝终凝试验结果得知,水泥浆体一般在8 h 后即达到终凝,待浆体达到终凝成型时脱模。

1.3.2 体积膨胀率监测

测量凝固后胶结体的直径D与高度h,根据式(2)计算胶结体膨胀后体积比V′:

试样的体积膨胀率φ为:

式中V0为试样初始体积,这里统一按直径D0=50 mm、高度h0=100 mm 的模具尺寸计算,即V0=196 250 mm3。

2 膨胀特性分析

从试样成型脱模后每隔一定时间段监测试样的体积变化,待后期体积变化不明显时延长监测间隔时间,不同膨胀剂掺量下试样在3 d 内的体积膨胀率试验结果见图1。

图1 不同配比下试样体积膨胀率随时间变化特征

由图1 可知,不同配比下静态破碎剂类浆体膨胀试样体积的膨胀趋势大致相同,可分为以下4 个阶段:

1) 终凝前缓慢膨胀阶段(AB 段)。 该阶段试样处于半固体状态,整个试样在圆柱形模具内发生了水的离析。 当膨胀体积小于离析水体积时,试样会出现体积减小的现象,因此试样在浇注后的某一时间段内体积膨胀缓慢,其主要原因是静态破碎剂与水、水泥接触时间不长,内部水化温度低,导致游离的CaO 分子与水反应缓慢。 该阶段持续时间较短,一般在试样浇注后8 h 内完成,此阶段结束后膨胀率分别为0.877%、1.334%和2.257%,分别达到最终膨胀率的31.7%、14.9%和16.6%。

2) 终凝后加速膨胀阶段(BC 段)。 上一阶段产生的水化反应热促使试样内部温度升高,游离的CaO分子与水反应速度加快,此时试样可塑性强,对试样体积的膨胀束缚能力小,因此宏观表现为试样体积加速膨胀。 该阶段的持续时间随膨胀剂掺量增加而增加,一般在浇注后8 ～16 h 内膨胀效果最明显,此阶段结束后膨胀率分别为1.932%、7.476%和11.354%,分别达到最终膨胀体积的75.9%、83.7%和83.8%。

3) 减速膨胀阶段(CD 段)。 该阶段试样水及游离的CaO 分子含量减少,水化反应速度降低,而且此时的水泥胶结剂已凝固,延展性差,抑制了Ca(OH)2晶体在体内生长,使试样体积膨胀速度逐渐减小。 部分试样因为自身失去了延展性,继续反应导致其表面出现膨胀裂纹。 该阶段的持续时间随膨胀剂掺量增加而增加,如图1 所示,膨胀剂掺量3%、6%和9%的试样缓慢膨胀阶段持续时间分别为4 h、8 h 和16 h。

4) 稳定阶段(D 以后)。 该阶段试样内部游离的CaO 分子几乎反应完全,试样体积基本保持不变,处于稳定状态。 膨胀剂掺量3%、6%和9%时试样的最终平均体积膨胀率分别为2.76%、8.92%和13.57%。

3 力学强度及破坏特征分析

3.1 不同膨胀剂掺量应力应变曲线分析

采用WDW-100kN 型单轴压缩机测试试样7 d 时的力学强度,结果见图2。

图2 不同配比下试样单轴压缩全应力-应变曲线

单轴压缩全应力应变曲线可分为压密阶段、弹性阶段、屈服阶段、峰值破坏和峰后阶段等5 个阶段:

1) 压密阶段(AB 段)。 由图2 可知,1＃～4＃试样压密阶段的应变区间逐渐增大,且在压密阶段结束时,其应力值依次减小。 因此随着膨胀剂掺量增加,试样因膨胀而滋生的裂纹增多,试样裂隙闭合持续时间也越久。

2) 弹性阶段(BC 段)。 膨胀剂掺量对胶结体线弹性阶段表现特征影响较大。 纯水泥试样(1＃)表现出明显的线弹性,且持续时间相对较长,说明纯水泥试样具有较强的脆性；随着膨胀剂掺量增加,线弹性阶段逐渐变短,弹性模量逐渐减小,1＃～4＃试样的弹性模量分别为1 629.31 MPa、1 358.57 MPa、654.37 MPa 和434.29 MPa,其中4＃试样的线弹性阶段(B4D4)应力应变线性关系较差,说明4＃试样延性较强。

3) 屈服阶段(CD 段)。 从图2 可以看出,随着膨胀剂掺量增加,屈服阶段逐渐变长,试样由脆性向延性转变。

4) 峰值破坏(D 点)。 1＃～4＃试样破坏时的最大应力值分别为17.74 MPa、15.26 MPa、9.44 MPa 和4.37 MPa,2＃、3＃、4＃试样体积膨胀后的力学强度分别为纯水泥试样强度的86.02%、53.21%和24.63%,说明试样体积膨胀削弱了试样力学强度。

5) 峰后残余强度(DE 段)。 膨胀剂掺量越大,试样破坏后的残余强度越小。

综上所述,从细观角度出发,膨胀剂的加入使得试样体积增加,内部滋生了许多微裂纹,改变了试样的内部结构,在轴向荷载条件下表现出不同的全应力应变曲线,伴随着弹性模量、极限抗压强度及峰后残余强度削弱。

3.2 试样单轴压缩破坏特征分析

不同配比下试样单轴压缩典型破坏特征见图3。从图3 可知,1＃试样与2＃试样在轴向应力作用下表面出现①号拉伸主裂纹,方向大致与轴向平行,且上端面出现了片裂现象②,这表明膨胀剂掺量在3%以下时胶结体试样脆性较强。 当膨胀剂掺量增至6%时,3＃试样表面有较多的膨胀裂纹,受到轴向应力作用后,沿某一倾斜面的膨胀裂纹发育贯通,最终致使试样发生单斜面剪切破坏,且与剪切主裂纹①相连的原生膨胀裂纹受到拉伸破坏。 当膨胀剂掺量继续增至9%时,4＃试样表面膨胀裂纹明显增多,在轴向应力作用下,原生膨胀裂纹发生扩展,甚至有小块掉落,试样中间因泊松效应出现了明显的横向膨胀,上、下端面因端面效应被束缚,最终变成“中间粗、两头细”的形状,故定义为碎胀型破坏。

图3 不同配比下试样单轴压缩典型破坏特征

综上可知,随着膨胀剂掺量增加,胶结体试样的破坏特征由拉伸破坏逐渐向剪切破坏转变,最终因膨胀裂纹过多出现碎胀破坏。

4 力学强度与体积膨胀率关系探讨

研究分析表明,试样体积的膨胀和力学性质的削弱都是由膨胀裂隙的滋生导致的,换言之,试样的体积膨胀率与物理力学性质存在内部联系。 从试样内部的化学反应分析,膨胀浆体内部存在两种水化反应,一种是由水泥熟料中的C2S、C3A、C4AF 等成分反应后构成钙矾石网状结晶骨架,另一种是静态破碎剂的水化反应生成体积增长的Ca(OH)2晶体,致使钙矾石网状骨架因体积膨胀而破坏,内部结构紧密性变弱,空隙增大,宏观表现为体积增长,试样力学强度遭到削弱,力学性质由脆性向延性转变。

为了进一步探究试样的体积膨胀率与力学强度之间的关系,通过单轴压缩测试膨胀剂掺量分别为1%、2%、4%、5%、7%、8%时的试样力学强度,并按DoseResp函数拟合力学强度与膨胀率之间的关系,结果如图4所示。

图4 单轴压缩强度与膨胀率之间的关系曲线

由图4 可知,DoseResp 函数的拟合效果较好,由此可得到膨胀型试样单轴压缩强度σc与体积膨胀率φ 之间的关系为:

由图4 可以看出,膨胀型浆体的力学性质与膨胀率呈负相关,力学强度的削弱刚开始受膨胀率增加影响较小,随后影响变大再变小。 一般地,保证水灰比及龄期相同,在已知试样的体积膨胀率下,可通过式(4)预测试样的力学强度。

5 结 论

针对静态破碎剂-水泥新型膨胀型浆体的膨胀性能、膨胀后试样的力学性质与破坏特征、试样体积膨胀率与力学强度关系等3 个方面展开试验研究,得到以下结论:

1) 膨胀型浆体膨胀特征呈现4 个阶段:终凝前缓慢膨胀阶段、终凝后加速膨胀阶段、减速膨胀阶段和稳定阶段。 体积膨胀一般在24 h 内完成。 膨胀剂掺量分别为3%、6%和9%时,试样达到稳定阶段时的平均体积膨胀率分别为2.76%、8.92%和13.57%。

2) 随着膨胀剂掺量增加,试样抗压强度不断降低。 膨胀剂掺量分别为3%、6%、9%时,膨胀后胶结体力学强度分别为15.26 MPa、9.44 MPa 和4.37 MPa,仅为纯水泥试样强度的86.02%、53.21%和24.63%。 随着膨胀剂掺量增加,试样由弹性向塑性转换,其破坏形式由拉伸破坏为主转变为剪切破坏为主,最后转变为碎胀破坏。

3) 通过DoseResp 函数拟合得到膨胀后试样的单轴抗压强度与体积膨胀率的关系,研究结果可为静态破碎剂-水泥复合材料浆体节理面注浆技术的工程应用奠定基础。