巖溶地基改性注漿材料力學(xué)性能及其孔隙結(jié)構(gòu)特征

宋國壯，王連俊，張艷榮，郭穎，曹元平

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巖溶地基改性注漿材料力學(xué)性能及其孔隙結(jié)構(gòu)特征

宋國壯1，王連俊1，張艷榮1，郭穎1，曹元平2

(1. 北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，軌道工程北京市重點實驗室，北京，100442; 2. 中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，陜西 西安，710000)

為了制備高速鐵路巖溶地基加固工程及高性能水泥基材料，研制一種改性高聚物即水泥基(HPC)注漿材料，對其與常規(guī)水泥漿液(Blank)、水泥?水玻璃(C?S)的力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性等進行室內(nèi)試驗對比分析；運用壓汞測試技術(shù)(MIP)探究其硬化后漿體微觀組構(gòu)與宏觀力學(xué)性能間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)性。研究結(jié)果表明：在28 d齡期下，Blank，C?S和HPC試件單軸抗壓強度與齡期為7 d的相比分別增大77%，20%和78%，體積損失率分別為18.3%，4.9%和1.2%；聚合物體系的協(xié)調(diào)效應(yīng)減小了傳統(tǒng)水泥基注漿材料體積失穩(wěn)及因單摻速凝劑導(dǎo)致后期強度發(fā)展緩慢的缺陷；復(fù)合摻用多高聚物顯著降低了硬化水泥漿體內(nèi)部孔隙直徑即孔徑，使孔徑分布趨于細(xì)化；在28 d齡期下，不同體系的HPC漿體抗壓強度與材料內(nèi)部孔隙率、閾值孔徑均呈指數(shù)關(guān)系，與平均孔徑呈線性負(fù)相關(guān)，揭示其孔隙結(jié)構(gòu)分布特征可有效反映HPC漿體力學(xué)性能的變化規(guī)律，降低孔徑有利于提升其力學(xué)性能。

高聚物；抗壓強度；體積收縮；孔隙結(jié)構(gòu)；孔徑分布

注漿技術(shù)是我國北部煤礦采空區(qū)及西南巖溶地區(qū)的高速鐵路工程對復(fù)雜地基采用的最廣泛的加固手段。其原理是將注漿溶液通過一定壓力注入巖體中，漿液通過填充、滲透、擠密等方式與巖體膠結(jié)，從而改善工程巖體的力學(xué)性能，以提高其穩(wěn)定性和整體性。材料作為注漿治理技術(shù)的重要組成部分，直接影響注漿治理效果及被充填介質(zhì)的服役性能。對于深部地下工程，注漿材料需具備堵水與加固的雙重性能，流變時間可根據(jù)需要進行調(diào)控且凝結(jié)硬化后具有良好的強度、抗?jié)B性及體積穩(wěn)定性等耐久性能[1?2]。目前常見的注漿材料主要有普通水泥、水泥?水玻璃及化學(xué)類材料等。傳統(tǒng)水泥基注漿材料普遍存在流動度不可控、可泵期不易調(diào)節(jié)等流變性能方面的缺陷，且硬化結(jié)石體早期強度高，后期強度增大緩慢；而普通水泥漿在擴散過程中的高析水性及水泥?水玻璃漿體硬化進程中自收縮等導(dǎo)致體積損失，必然會對其充填效果及充填介質(zhì)的服役性能造成劣化影響[3?6]。水泥基注漿材料經(jīng)凝結(jié)硬化后，形成了典型的多孔介質(zhì)，其孔隙結(jié)構(gòu)對強度、彈性模量、抗?jié)B性、抗腐蝕性等宏觀性能影響顯著[7?9]。目前，存在很多水泥基材料強度與孔隙率之間關(guān)系的半經(jīng)驗公式，如冪函數(shù)、指數(shù)、對數(shù)和線性關(guān)系式[10]，這些公式往往僅對試驗數(shù)據(jù)進行線性回歸，缺乏必要的理論支持。為此，本文作者通過大樣本、長周期室內(nèi)試驗研制出一種改性高聚物?水泥基注漿材料(HPC)，對其與普通水泥漿液、水泥?水玻璃在力學(xué)性能及體積穩(wěn)定性等方面的性能差異進行對比分析。利用壓汞測試(MIP)等研究手段，從亞微觀角度探究高聚物體系物理化學(xué)效應(yīng)下孔隙結(jié)構(gòu)特征對硬化后水泥漿體力學(xué)性能的影響規(guī)律，旨在揭示改性水泥基注漿材料宏觀性能與微觀組構(gòu)間的本質(zhì)關(guān)聯(lián)，為高性能水泥基注漿材料的性能優(yōu)化提供理論依據(jù)與試驗參考。

1 試驗

1.1 原材料

1) 水泥。水泥(C)為中國建筑材料研究院依據(jù)GB 8076—1997監(jiān)制的混凝土外加劑性能檢測專用基準(zhǔn)水泥(細(xì)度為0.5%，比表面積為341 m2/kg)，其化學(xué)及礦物組分如表1所示。

2) 水玻璃。水玻璃(S)為山西華凱偉業(yè)有限公司生產(chǎn)，硅酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，密度為1.38 g/cm3。

3) 高聚物體系。①速凝劑，為清華大學(xué)建筑材料研究所合成的Na2O?AI2O3?H2O穩(wěn)定膠體體系，主要成分為偏鋁酸鈉(SA)，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%。②聚羧酸高效減水劑(Sp)，其固體質(zhì)量占溶液總質(zhì)量的40%。③保水劑，由北京漢力淼新技術(shù)有限公司提供，其主要成分為高吸水樹脂(SAP)，粒徑為180~420 μm。

1.2 試驗方案

各高聚物體系試樣組分及摻量如表2所示。試樣采用水泥基注漿漿液常規(guī)水灰比0.8:1；其中(S)/(C)，(SA)/(C)，(Sp)/(C)和(SAP)/(C)分別為水玻璃、偏鋁酸鈉、聚羧酸及高吸水性樹脂的折固質(zhì)量與水泥質(zhì)量之比；水的質(zhì)量為各聚合物所含水與拌合水質(zhì)量之和。

1.3 試樣制備與測試

表1 基準(zhǔn)水泥化學(xué)及熟料礦物組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 各試樣體系組分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))及其配合比

注：(S)為S的質(zhì)量，其余類推。

1) 試樣制備。水泥漿液試樣按參照GB/T 50080—2016“普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定的方法進行，將稱量的速凝劑、減水劑先后倒入水泥膠砂攪拌機中，加入水泥和拌合水，均以125 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 min；將SAP顆粒倒入攪拌鍋，以62 r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2 min。由于SAP具有一定的引氣效應(yīng)，導(dǎo)致攪拌后試樣中含有大量氣泡，需對試樣進行多次振搗，使氣泡懸浮出漿液表面。

2) 抗壓強度。成型模具長、寬、高分別為70.7，70.7和70.7 mm，成型后立即用塑料保鮮薄膜覆蓋，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護24 h后拆模，并在溫度為(20±2) ℃、相對濕度大于95%的養(yǎng)護室中養(yǎng)護至規(guī)定齡期。測試時采用位移加載控制，加載速率為2 mm/min。正式加載前預(yù)加載3次，預(yù)壓力為0.1 MPa，使試塊與試驗機加載接觸面接觸良好。抗壓強度以3個平行試樣的平均值為試驗結(jié)果。

3) 體積穩(wěn)定性。參照GB/T 50080—2016“普通混凝土拌合物性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)”將復(fù)合漿體倒入250 mL量筒內(nèi)。漿體析水后，用移液管將析水吸出并測量其體積，試驗觀察時間為60 min，測量間隔為 10 min。而后將試樣制備成長×寬×高為70.7 mm× 70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊，養(yǎng)護24 h后拆膜，移入干燥養(yǎng)護室內(nèi)養(yǎng)護。將養(yǎng)護24 h后試塊體積作為初始體積，并在溫度為(25±2) ℃、相對濕度為(50±5)%的恒溫恒濕實驗室中連續(xù)原位測試變形 14 d。在每組配合比下制備3個平行試塊，以保證測量結(jié)果的重復(fù)性。

4) MIP測試。將養(yǎng)護至規(guī)定齡期(養(yǎng)護方式與前述的相同)的水泥試塊置于無水乙醇中浸泡24 h以中止水化，而后置于（60±2)℃的烘箱干燥至恒質(zhì)量。破取新鮮斷面，采用AUTOSCAN?33壓汞儀對其進行孔結(jié)構(gòu)參數(shù)測試。觀察前應(yīng)對試樣表面進行噴金處理。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同注漿材料力學(xué)性能對比分析

單軸受壓狀態(tài)下的應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系可有效反映材料在各受力階段的變形特點及破壞進程，其包含的力學(xué)性能指標(biāo)是進行構(gòu)件設(shè)計及非線性分析的重要參數(shù)[11?12]。試驗得到的7 d齡期下不同材料立方體試樣抗壓應(yīng)力?應(yīng)變關(guān)系曲線(由荷載?變形曲線計算得到)及其破壞形式分別如圖1和圖2所示。

從圖1及圖2可見：Blank試樣和C-S試樣在達(dá)到峰值應(yīng)力時發(fā)生完全脆性破壞，破壞形態(tài)表現(xiàn)為若干斜向貫通的裂縫破壞面，故僅能得到峰值應(yīng)力前的應(yīng)力?應(yīng)變曲線；而改性試樣受壓時出現(xiàn)了完整的應(yīng)變軟化和強度殘余階段，且在應(yīng)變軟化階段才出現(xiàn)1條自上端面向下延伸的豎向非貫通裂紋；達(dá)到峰值應(yīng)力后，隨著應(yīng)變提高至較大值，改性樣仍存有一定的殘余強度，這表明在多高聚物的協(xié)調(diào)效應(yīng)下，改性水泥基材料的壓縮延性明顯比常規(guī)水泥凈漿和水泥?水玻璃的好。

注漿材料：1—Blank；2—C-S；3—HPC-1；4—HPC-2；5—HPC-3。

注漿材料：(a) Blank；(b) C-S；(c) HPC-1

抗壓強度是水泥基材料最重要的力學(xué)性能指標(biāo)，而彈性模量反映了材料所受應(yīng)力與產(chǎn)生應(yīng)變之間的關(guān)系，是計算結(jié)構(gòu)變形、裂縫開展和溫度應(yīng)力所必需的參數(shù)之一。取應(yīng)力?應(yīng)變曲線中1/3峰值應(yīng)力與初始應(yīng)力(本研究取0.5 MPa)的割線斜率定義為彈性模量[13?15]，各材料在不同齡期下的抗壓強度及彈性模量見表3。

表3 各材料強度發(fā)展及彈性模量

由表3可見：28 d齡期下Blank試樣抗壓強度較7 d增大77%；C-S試樣后期強度變化較緩慢，強度增長率僅為20%；HPC-1試樣在不同齡期下的抗壓強度均達(dá)到最大值，強度增長率達(dá)78%，表明減水劑的摻入可有效克服單摻水玻璃等速凝劑導(dǎo)致傳統(tǒng)水泥基注漿材料后期強度發(fā)展緩慢的缺陷。

Blank，C-S和HPC-1這3種注漿材料彈性模量分別為24.26，45.32和93.37 MPa，表明HPC-1試樣剛度明顯比Blank及C-S試樣的高。綜上所述，聚合物的協(xié)調(diào)效應(yīng)使改性水泥基注漿材料力學(xué)性能顯著增強。

2.2 水泥基注漿材料體積穩(wěn)定性

水泥基材料在富水裂隙巖體注漿中的體積穩(wěn)定性關(guān)系到其充填效應(yīng)及堵水效果，并對充填介質(zhì)的服役性能產(chǎn)生重要影響。傳統(tǒng)水泥基注漿材料的體積失穩(wěn)機制主要包括2方面：一是高水灰比水泥漿液在地下水及水泥顆粒重力作用下引起漿水離析分層，從而導(dǎo)致體積的析水損失；二是速凝類漿液早期過快的水化反應(yīng)消耗大量拌和水，硬化后水化不足而導(dǎo)致材料收縮變形，其失穩(wěn)示意圖如圖3所示。

(a) 新拌水泥漿液體積的析水損失； (b) 硬化水泥漿體體積的收縮損失

水泥基材料的體積穩(wěn)定性受水灰比、化學(xué)外加劑的使用及其摻量、養(yǎng)護條件、方式等多因素影響[16]。對流態(tài)期內(nèi)不同水泥基注漿漿液析水率及硬化后體積的收縮變形進行試驗研究，其經(jīng)時變化趨勢如圖4所示。從圖4可見：10 min時Blank試樣體積變化率接近?20%，其體積的析水損失較嚴(yán)重；而60 min時C-S漿液和HPC-1漿液體積變化率均小于?5%，達(dá)到穩(wěn)定性漿液標(biāo)準(zhǔn)[17]。由于高聚物體系中高分子吸水樹脂較高的比表面積能夠不斷吸附水分子并對其進行表面包裹，而達(dá)到吸液飽和狀態(tài)的SAP分子與部分水泥顆粒搭接形成橋架效應(yīng)，這種骨架結(jié)構(gòu)網(wǎng)能夠持續(xù)吸附游離水，增大了其滲出漿體的難度。SAP的“儲水”作用使流態(tài)期內(nèi)HPC漿液體積的析水損失顯著降低。

達(dá)到凝結(jié)硬化狀態(tài)后，Blank試樣和C-S試樣分別由于早期失水嚴(yán)重以及水玻璃作用下過快的水化反應(yīng)消耗大量的拌和水，表現(xiàn)為一定的收縮變形。而HPC漿液養(yǎng)護中后期儲存于SAP高分子飽和結(jié)構(gòu)中的拌和水被釋放并參與水化反應(yīng)，生成的水化產(chǎn)物堆積于水泥漿基體，使得固相及表觀體積保持穩(wěn)定。

研究表明，高吸水樹脂的“水庫”作用可有效調(diào)節(jié)體系內(nèi)部有效水灰比及濕度分布，并維持養(yǎng)護水的供給平衡，對于改善水泥基注漿材料的體積穩(wěn)定性作用顯著。

注槳材料：1—Blank；2—C-S；3—HPC-1。

2.3 硬化水泥基注漿材料孔隙結(jié)構(gòu)特征分析

硬化后水泥基注漿材料孔隙結(jié)構(gòu)特征是反映其密實度的重要指標(biāo)，同時也對其抗?jié)B性、抗腐蝕性以及強度、干縮、徐變等性能有顯著影響，本文從孔徑分布、平均孔徑、孔隙率等參數(shù)對不同體系硬化水泥基材料孔隙結(jié)構(gòu)特征的差異進行研究，以揭示其與宏觀性能的本質(zhì)關(guān)聯(lián)。結(jié)合文獻[18?22]，將孔尺寸分布分為4個區(qū)間：凝膠孔(＜10 nm)、細(xì)毛細(xì)孔[10~50) nm、毛細(xì)孔[50，1 000) nm、大孔(＞1 000 nm)。其中，凝膠孔為凝膠以及其與其他水泥產(chǎn)物之間的孔；毛細(xì)孔源于硬化漿體中未被水化產(chǎn)物填充的原充水空間；而大孔包括漿體拌和過程中夾帶的氣體以及SAP等表面活性劑引入的孔。28 d時不同材料試樣孔徑分布微分曲線及水泥基材料孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分別見圖5和表4。

注漿材料：1—Blank；2—C-S；3—HPC-1； 4—HPC-2；5—HPC-3。

由圖5及表4可以看出：C-S試樣孔徑特征峰較Blank明顯向凝膠孔及細(xì)毛細(xì)孔區(qū)間偏移，凝膠孔與毛細(xì)孔比率之和為89.34%，高于Blank試樣的84.39%。其中，凝膠孔分布比率由26.25%增至39.07%，表明SA使孔徑在一定程度上細(xì)化。但過快的水化反應(yīng)導(dǎo)致后期水化產(chǎn)物生成不足，原充水空間未被足夠填充，這是C-S體系后期強度發(fā)展緩慢且表現(xiàn)出一定干燥收縮變形的原因。隨著Sp的加入，HPC-2體系凝膠孔區(qū)間區(qū)間內(nèi)形成2個特征峰，凝膠孔與細(xì)毛細(xì)孔分布比率之和增至47%，這表明Sp的“解絮?分散”效應(yīng)保證了漿體內(nèi)部水分充足，且確保了養(yǎng)護過程中外部環(huán)境的水分持續(xù)供應(yīng)給漿體中未反應(yīng)的水泥顆粒，而被分散的水泥顆粒經(jīng)反應(yīng)后產(chǎn)生的水化產(chǎn)物將一部分較大毛細(xì)孔隙填充，使其孔徑顯著減小，孔結(jié)構(gòu)密實度明顯提高。SAP的摻入使HPC-1體系凝膠孔數(shù)量進一步提升，其區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)3個特征峰，凝膠孔及細(xì)毛細(xì)孔分布比率之和增至最大值54.38%，這是由于SAP的“釋水”效應(yīng)可有效提高硬化漿體后期的水化程度。但大孔區(qū)間內(nèi)進汞量明顯提高，其分布比率由4.78%增至17%，這是SAP分子釋放水后形成了尺寸較大的空孔所致；加之Sp對孔結(jié)構(gòu)密實程度提高，孔徑分布呈現(xiàn)由毛細(xì)孔向兩極分化的趨勢。少量離散的大孔對孔結(jié)構(gòu)的劣化效應(yīng)并不明顯，決定孔結(jié)構(gòu)密實度及孔隙率的依然是基體中占主體地位的凝膠孔及細(xì)毛細(xì)孔，故HPC-1體系下硬化漿體后期強度進一步提高。

當(dāng)SAP質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.5%時(HPC-3)，孔徑分布明顯由凝膠孔和細(xì)毛細(xì)孔向粗毛細(xì)孔和大孔區(qū)間內(nèi)偏移，大孔分布比率增至最大值32.98%。這表明過量飽和SAP高分子釋放水分后，經(jīng)過水泥硬化干燥造成失水塌縮留下的空孔使孔隙率明顯增大，漿體后期強度顯著降低。圖6所示為摻入過量SAP后斷面微觀形貌，過量SAP分子釋放水分后會在漿體中留下一系列形狀不規(guī)則(受SAP凝膠形狀控制)的大尺寸孔隙，其尺寸為200~600 μm。

表4 28 d齡期下水泥基材料孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及分布

圖6 過量SAP下HPC漿體SEM圖像

結(jié)合表4中28 d齡期下各體系試樣孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，以Blank試樣為基準(zhǔn)樣，各體系下平均孔徑從大至小依次為Blank，HPC-3，C-S，HPC-2和 HPC-1，這與表3中28 d齡期下強度的試驗結(jié)果相反，即28 d齡期下硬化水泥漿體抗壓強度與體系內(nèi)部平均孔徑呈負(fù)相關(guān)。這初步揭示了硬化后改性水泥基材料微觀組構(gòu)與宏觀力學(xué)性能間存在本質(zhì)關(guān)聯(lián)，平均孔徑可有效反映HPC漿體抗壓強度的變化特征。

3 HPC漿體力學(xué)性能與孔隙結(jié)構(gòu)特征關(guān)聯(lián)研究

基于各材料試樣的抗壓強度和孔隙結(jié)構(gòu)測試結(jié)果，將28 d齡期、不同高聚物體系下HPC試樣抗壓強度與相應(yīng)孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)繪制成散點圖，并對抗壓強度與特征參數(shù)的關(guān)系進行擬合，擬合曲線見圖7。從圖7可見：在28 d齡期下，硬化HPC漿體抗壓強度與孔隙率、閾值孔徑呈指數(shù)關(guān)系，擬合相關(guān)系數(shù)2分別為0.85和0.99，這與張艷榮等[22?24]提出的混凝土強度與總孔隙率關(guān)系的半經(jīng)驗公式相一致。硬化HPC漿體抗壓強度與平均孔徑呈線性負(fù)相關(guān)，2為0.93，即硬化HPC漿體抗壓強度隨平均孔徑的增大而呈線性降低，這表明降低孔徑有利于提升其力學(xué)性能。

為進一步討論不同孔徑對HPC漿體抗壓強度的影響，借鑒水泥漿體抗壓強度和孔隙率之間的線性回歸方程[25]以及本研究的試驗結(jié)果，進一步建立了如下式所示的改性水泥基材料抗壓強度與不同孔徑分布比率之間的關(guān)系式：

式中：為抗壓強度；<10 nm，10~1 000 nm和>1 000 nm分別為孔徑小于10 nm，10~1 000 nm和大于1 000 nm的分布比率；0為平均孔徑為0 mm時的抗壓強度；系數(shù)，和表示不同孔徑對抗壓強度的影響系數(shù)。經(jīng)擬合得到0=73.65 MPa，=?2，=96.3，=115。

(a) 抗壓強度與孔隙率的關(guān)系； (b) 抗壓強度與閾值孔徑的關(guān)系； (c) 抗壓強度與平均孔徑的關(guān)系

圖7 HPC漿體孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與抗壓強度的關(guān)系

Fig. 7 Relationship between compressive strength and pore characteristic parameters of HPC

式(1)表明不同孔徑區(qū)間對改性水泥基材料力學(xué)性能的影響不同：孔徑區(qū)間小于10 nm 的凝膠孔對硬化HPC漿體抗壓強度影響最小，而孔徑區(qū)間為10~ 1 000 nm和大于1 000 mm的孔對強度的影響更為顯著。這表明采用降低孔徑的措施有利于提高改性水泥基注漿材料的力學(xué)強度。

4 結(jié)論

1) 通過單軸受壓時HPC試樣獲得包括應(yīng)變軟化和強度殘余階段的應(yīng)力?應(yīng)變?nèi)€。達(dá)到峰值應(yīng)力后，當(dāng)應(yīng)變增長至較大值時，仍存有一定的殘余強度；HPC試樣的壓縮延性及彈性模量明顯比Blank和C-S的高。在28 d齡期下，Blank，C-S和HPC試件單軸抗壓強度較7 d齡期分別增大77%，20%和78%，高聚物體系的協(xié)調(diào)效應(yīng)克服了單摻水玻璃等速凝劑導(dǎo)致水泥基注漿材料后期強度發(fā)展緩慢的缺陷。

2) 由于流變期和水化進程中的高析水和干燥收縮，在14 d齡期下，Blank和C-S試樣體積損失率分別為18.3%和4.9%；改性試樣體積收縮呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，體積損失率僅為1.2%。復(fù)合使用速凝劑、減水劑及適量高吸水樹脂對于改善水泥基注漿材料的體積穩(wěn)定性作用顯著。

3) 在28 d齡期下，各體系材料試樣平均孔徑從大至小的試樣依次為Blank，HPC-3，C-S， HPC-2和 HPC-1，這與強度試驗的測試結(jié)果呈負(fù)相關(guān)，初步揭示了硬化后改性水泥基材料微觀組構(gòu)與宏觀力學(xué)性能間存在本質(zhì)關(guān)聯(lián)，平均孔徑可有效反映HPC漿體抗壓強度的變化特征。

4)在28 d齡期下，硬化HPC漿體抗壓強度與孔隙率、閾值孔徑均呈指數(shù)關(guān)系，與平均孔徑呈線性關(guān)系，表明降低孔徑有利于提升其力學(xué)性能?？讖椒植紖^(qū)間對改性水泥基注漿材料力學(xué)性能的影響具有差異性：孔徑小于 10 nm 的凝膠孔對硬化HPC漿體抗壓強度影響最小，而孔徑為10~1 000 nm和大于1 000 mm的凝膠孔對漿體強度的影響更顯著。

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(編輯 陳燦華)

Mechanical stability and pore structures of modified grouting material in karst foundation

SONG Guozhuang1, WANG Lianjun1, ZHANG Yanrong1, GUO Ying1, CAO Yuanping2

(1. Beijing Key Laboratory of Track Engineering, School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100442, China; 2. China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710000, China)

A modified high polymers cement-based(HPC) grouting material was developed and the differences between that and conventional cement paste(Blank), cement-silicate(C?S) on mechanical properties and dimension stability were analyzed to consolid foundation on high speed railway and prepare materials with high performance cementitious materials. The relationship between microstructure and macroscopic mechanical properties of HPC was investigated using mercury penetration(MIP). The results show that the compressive strength of Blank, C?S and HPC specimen at 28 d increase by 77%, 20% and 78%, respectively, compared with those at 7 d, and the dimension losses are 18.3%, 4.9% and 1.2%, respectively, which indicates that the dimension stability and mechanical property at late stage of traditional cementitious grouting material can be improved by the synergy effect of polymers system. The pore size of hardening cement paste reduces obviously and the pore radius distribution tends to thin with multiple high polymers. There presents exponential relationship is presented between internal porosity, threshold pore diameter and the compressive strength of different HPC pastes at 28 d, which has negative linear correlation with average pore diameter. The above mentioned solutions reveal that the mechanical properties of HPC can be reflected by the distribution characteristics of pore structure, and which can be improved by decreasing the pore radius.

high polymer; compressive strength; dimension shrinkage; pore structure; pore size distribution

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.10.025

U213.14；U214.18

A

1672?7207(2018)10?2568?08

2017?12?04；

2018?03?05

國家自然科學(xué)基金資助項目(U1234211)；黔張常鐵路科研開發(fā)計劃項目(KCL14107530)(Project(U1234211) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(KCL14107530) supported by the Research and Development of Science and Technology of the Qianzhangchang Railway)

宋國壯，博士研究生，從事復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下高速鐵路地基處理與沉降控制等研究；E-mail：14115340@bjtu.edu.cn