碳纖維超細(xì)水泥基復(fù)合漿液碳纖維摻量優(yōu)化試驗(yàn)研究

(河北省子牙河河務(wù)管理處，河北 衡水 053000)

天然地基中節(jié)理巖體的存在和發(fā)育擴(kuò)展對水利工程的安全存在嚴(yán)重影響，而對其進(jìn)行注漿加固是避免此類影響的有效方法。但是，傳統(tǒng)注漿材料存在能耗高、成本高、污染嚴(yán)重、耐久性差等諸多問題[1]。長期以來，許多學(xué)者在注漿加固材料方面進(jìn)行了大量研究，提出了許多新興加固材料和加固方法[2]。其中，纖維水泥基復(fù)合材料由于抗壓、抗剪、抗折等方面的優(yōu)異性能在加固工程中得到廣泛應(yīng)用[3]，而碳纖維又以其重量輕、抗拉強(qiáng)度和彈性模量高，同時具有良好的耐腐蝕性和耐久性的特點(diǎn)，成為灌漿水泥改性材料研究的重要方向[4]，目前針對碳纖維改性水泥注漿材料的研究較多，但是主要集中于物理力學(xué)性能和混凝土結(jié)構(gòu)加固方面，而在節(jié)理巖體注漿加固方面的研究不多。本次研究主要通過碳纖維超細(xì)水泥基復(fù)合注漿材料加固節(jié)理巖樣的力學(xué)特征研究，確定最優(yōu)碳纖維摻量，為相關(guān)工程施工提供理論和技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

研究中，查閱了近年來相關(guān)領(lǐng)域的國內(nèi)外研究文獻(xiàn)[5-6]，結(jié)合本次研究的目的，初步選定用于加固節(jié)理巖樣的碳纖維超細(xì)水泥基注漿材料基本構(gòu)成(括號內(nèi)的數(shù)值為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并將超細(xì)水泥的質(zhì)量視為100%)：超細(xì)水泥(100%)、粉煤灰(20%)、礦粉(20%)、硅灰(7%)、石英砂粉(10%)、硫酸鈉(2%)、熟石灰(10%)、氧化鎂(7%)、硅酸鈉(10%)、減水劑(1%)、緩凝劑(0.2%)以及不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的碳纖維。

碳纖維是一種含碳量在95%以上，具有高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料。本次試驗(yàn)使用的LNP DC-1003碳纖維其物理力學(xué)性能見表1。

表1 試驗(yàn)用碳纖維物理力學(xué)性能

研究中在遼寧省猴山水庫庫區(qū)現(xiàn)場采集具有節(jié)理發(fā)育的砂巖，制成棱長為100mm的立方塊巖石樣本，在樣本頂部中間部位沿節(jié)理面進(jìn)行劈裂。為了消除制備的巖樣節(jié)理面不平整對試驗(yàn)結(jié)果的影響，在加固前對巖樣進(jìn)行6次重復(fù)剪切試驗(yàn)，使節(jié)理面的抗剪強(qiáng)度達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次研究的主要目的是復(fù)合注漿材料中碳纖維的最佳摻量。參考傅煥然、王文煒等相關(guān)學(xué)者的研究成果以及研究過程中的碳纖維摻量[7-8]，本次研究中設(shè)定了0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%五種不同的碳纖維摻量進(jìn)行對比研究。

2 試驗(yàn)過程

按照上節(jié)要求配置出碳纖維超細(xì)水泥基復(fù)合注漿材料，并將其均勻涂抹在巖樣的兩個節(jié)理面上，在黏結(jié)好之后用綁扎帶將其固定牢固，然后將試件放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)28d，在養(yǎng)護(hù)結(jié)束之后，利用YZW1000型直剪儀進(jìn)行剪切試驗(yàn)。為了模擬實(shí)際工程狀況，在剪切試驗(yàn)中模擬0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa、2.0MPa和2.5MPa等5級豎向荷載作用，并與加固前的剪切試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，其差值即為注漿加固效果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 抗剪強(qiáng)度變化特征

根據(jù)前文介紹，對加固前6次重復(fù)剪切試驗(yàn)的峰值抗剪強(qiáng)度τp0和殘余抗剪強(qiáng)度τr0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時基于加固后的抗剪強(qiáng)度τp1和殘余抗剪強(qiáng)度τr1的值，利用如下公式進(jìn)行抗剪強(qiáng)度變化量的計(jì)算：

(1)

式中 Δτ——抗剪強(qiáng)度變化量；

τ1——加固前抗剪強(qiáng)度；

τ0——加固后抗剪強(qiáng)度。

計(jì)算加固前后抗剪強(qiáng)度變化量(見表2)。由計(jì)算結(jié)果可知，巖樣加固后的峰值抗剪強(qiáng)度和殘余抗剪強(qiáng)度明顯增大，分別增加了14.1%～55.2%和1.7%～45.8%，相對于不摻碳纖維的純水泥漿，摻入碳纖維的復(fù)合漿液具有明顯的加固效果。當(dāng)碳纖維摻入量為0.25%時，峰值抗剪強(qiáng)度和參與抗剪強(qiáng)度兩項(xiàng)指標(biāo)分別增大了14.5%～47.4%和13.9%～25.7%；隨著漿液中碳纖維摻入量的不斷增加，復(fù)合漿液的加固效果逐漸增強(qiáng)，在碳纖維的摻入量從0增大到0.75%的過程中，巖樣的抗剪強(qiáng)度增大十分明顯，繼續(xù)增加至1%時，巖樣的抗剪強(qiáng)度增加趨于緩慢。基于上述試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合漿液配制的成本，建議碳纖維的摻入量應(yīng)該在1%以內(nèi)。

表2 加固后抗剪強(qiáng)度變化量計(jì)算結(jié)果

3.2 剪切剛度變化特征

對巖樣加固前后的剪切剛度數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果繪制剪切剛度隨碳纖維摻量的變化曲線(見圖1)。由圖1可知，巖樣加固后與加固前相比，剪切剛度明顯增大，加固效果十分明顯；相比較而言，對巖樣施加的豎向應(yīng)力值越大，加固后的剪切剛度增加幅度越小，在相同的豎向應(yīng)力條件下，巖樣的剪切剛度會隨著碳纖維摻量的增加而增大，在碳纖維的摻入量從0增大到0.75%的過程中，巖樣的剪切剛度增大十分迅速，繼續(xù)增加至1%時，巖樣的剪切剛度增加趨于緩慢?；谏鲜鲈囼?yàn)結(jié)果，結(jié)合漿液配制的成本，建議碳纖維的摻入量以0.75%左右為宜。

圖1 巖樣加固前后剪切剛度變化曲線

3.3 抗剪參數(shù)變化特征

研究中利用莫爾-庫侖強(qiáng)度準(zhǔn)則對巖樣的抗剪強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算(見表3)。由表3可知，巖樣加固前的內(nèi)摩擦角為34.90°，黏聚力為0.23MPa。由于人為劈裂得到的節(jié)理面并不完整，雖然經(jīng)過6次重復(fù)剪切達(dá)到強(qiáng)度穩(wěn)定，但是并不能完全避免節(jié)理面上的凸起和凹陷之間的咬合力，因此在豎向應(yīng)力的作用下，節(jié)理面的破壞效應(yīng)主要表現(xiàn)為切齒效應(yīng)；在巖樣加固之后，其內(nèi)摩擦角和黏聚力均呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢，在不摻碳纖維條件下，巖樣節(jié)理面的內(nèi)摩擦角增加4.84%，黏聚力增加134.78%；當(dāng)復(fù)合漿液中碳纖維摻量為 0.25%時，巖樣的內(nèi)摩擦角增加10.92%，黏聚力增加178.26%。由此可見，增加復(fù)合漿液中的碳纖維摻量對內(nèi)摩擦角和黏聚力的增加具有顯著作用。在碳纖維的摻入量從0增大到0.75%的過程中，巖樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力增大十分迅速，繼續(xù)增加至1%時，巖樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力增加趨于緩慢?；谏鲜鲈囼?yàn)結(jié)果，結(jié)合漿液配制的成本，建議碳纖維的摻入量以0.75%左右為宜。此外，在復(fù)合漿液的不同碳纖維摻量條件下，巖樣的黏聚力增加幅度要顯著大于內(nèi)摩擦角的增加幅度。究其原因，主要是加固材料可以對節(jié)理面起到良好的填充作用，使有效接觸面積明顯增大，因此黏聚力的增幅較大，但是節(jié)理面的粗糙程度和相應(yīng)的凸凹程度強(qiáng)度變化不大，因此，內(nèi)摩擦角的增加幅度較小。

表3 加固前后巖樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)計(jì)算結(jié)果

4 結(jié) 論

本次研究通過碳纖維超細(xì)水泥基復(fù)合注漿材料對節(jié)理巖體進(jìn)行注漿加固試驗(yàn)，利用試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)對不同豎向應(yīng)力和不同碳纖維摻量條件下的巖樣抗剪強(qiáng)度、剪切剛度以及抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化特征進(jìn)行分析，最終獲得最優(yōu)碳纖維摻量。

研究獲得的主要結(jié)論如下：隨著漿液中碳纖維摻入量的不斷增加，復(fù)合漿液的加固效果逐漸增強(qiáng)，在碳纖維的摻入量從0增大到0.75%的過程中，巖樣的抗剪強(qiáng)度增大十分明顯，繼續(xù)增加至1%時，巖樣的抗剪強(qiáng)度增加趨于緩慢；在碳纖維的摻入量從0增大到0.75%的過程中，巖樣的剪切剛度增大十分迅速，繼續(xù)增加至1%時，巖樣的剪切剛度增加趨于緩慢；增加復(fù)合漿液中的碳纖維摻量對內(nèi)摩擦角和黏聚力的增加具有顯著作用。在碳纖維的摻入量從0增大到0.75%的過程中，巖樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力增大十分迅速，繼續(xù)增加至1%時，巖樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力增加趨于緩慢；綜合抗剪強(qiáng)度、剪切剛度以及抗剪強(qiáng)度系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果，建議碳纖維摻入量為0.75%。