納米添加劑對漿液結(jié)石體力學(xué)特性影響

孫小康， 王 威， 任秀麗， 趙 妗， 許信出， 張永斌， 王俊強(qiáng)， 王 瑋， 崔珈銘

(南陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院 河南 南陽 473004)

0 引言

隨著隧道地鐵交通工程、大型大壩硐室水利工程、石油礦業(yè)工程等地下空間的建設(shè)發(fā)展和我國大型工程技術(shù)水平的進(jìn)步，項目建設(shè)過程中遇到的工程地質(zhì)問題越來越多，例如，地下涌水突水地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生頻繁[1-3]。大型工程項目不斷向高地應(yīng)力、高水壓力和復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境區(qū)域發(fā)展，而大型工程項目面臨的工程地質(zhì)災(zāi)害，例如隧道的塌方、大變形、突水、涌水災(zāi)害不僅對施工現(xiàn)場工作人員的人身安全造成巨大威脅，也極大地增加了工程項目的建設(shè)成本與運營費用。

注漿技術(shù)不僅可以改善圍巖的力學(xué)性能，提高圍巖自身的穩(wěn)定性，同時可以有效降低圍巖的滲透性能，可以有效地控制隧道(巷道、硐室)塌方、圍巖大變形、突水涌水災(zāi)害等工程地質(zhì)災(zāi)害[4-6]。且注漿具有施工工藝簡單，施工作業(yè)空間要求較小，參數(shù)可以隨時調(diào)整，施工成本低等優(yōu)點。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米技術(shù)在水泥領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是通過納米技術(shù)和納米材料對水泥基材料的改性研究取得了豐碩的成果[7-9]。但目前針對納米改性水泥基注漿材料的注漿加固效果研究還不完善，特別是對納米改性注漿材料結(jié)石體的力學(xué)性能研究較少。因此，本論文通過開展水泥基漿液結(jié)石體單軸壓縮試驗，分析了不同納米添加劑及其含量對水泥基漿液結(jié)石體力學(xué)特性的影響，論文的研究成果揭示了納米注漿材料對結(jié)石體力學(xué)特性的影響，不僅對納米改性注漿材料的研究具有重要的理論意義，同時也為納米注漿技術(shù)在工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗材料和試驗方案

1.1 試驗原材料及主要儀器

本次試驗所用主要原材料為：普通425水泥、納米二氧化硅、納米碳酸鈣。主要試驗儀器為DRTB-4000型電液伺服巖石真三軸試驗機(jī)，本系統(tǒng)適用于軟巖、中硬巖和硬巖的單壓、雙壓和三向受壓力學(xué)試驗，試樣尺寸100 mm×100 mm×100 mm，最高應(yīng)力狀態(tài)400 MPa。

1.2 試驗方案

(1)在水灰比為0.5的條件下，使用普通硅酸鹽水泥制作結(jié)石體試樣，測試普通水泥結(jié)石體的單軸抗壓強(qiáng)度，并分析其力學(xué)特性。

(2)在水灰比為0.5的條件下，在普通硅酸鹽水泥中加入相同含量(3%)的納米二氧化硅和納米碳酸鈣，制作結(jié)石體試樣，測試納米注漿材料結(jié)石體的單軸抗壓強(qiáng)度，并對比分析其力學(xué)特性。

(3)在水灰比為0.5的條件下，在普通硅酸鹽水泥中加入不同含量的納米二氧化硅(0.5%、1%、2%、3%、4%)和納米碳酸鈣(3%、6%、9%、12%、15%)，制作結(jié)石體試樣，測試納米注漿材料結(jié)石體的單軸抗壓強(qiáng)度，并對比分析其力學(xué)特性。

注漿材料結(jié)石體配比如表1所示。

表1 注漿材料結(jié)石體配比

2 試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1 納米添加劑對漿液結(jié)石體力學(xué)特性的影響

2.1.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

通過對試驗數(shù)據(jù)的整理，繪制了加入相同含量(3%)納米材料結(jié)石體單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從圖1中可知，應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為4個階段。

(1)微裂隙壓密階段

結(jié)石體在加載初期階段，曲線為非線性上凹狀，這是因為試樣中存在一定數(shù)量的孔隙、微裂隙等缺陷，在軸向應(yīng)力作用下部分孔隙或微裂紋被逐漸壓密實，使曲線逐漸呈現(xiàn)上凹狀。

圖1 結(jié)石體應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(2)彈性變形階段

經(jīng)過壓密階段后，結(jié)石體孔隙和微裂隙閉合，結(jié)石體內(nèi)壓應(yīng)力傳遞由不連續(xù)狀態(tài)進(jìn)入連續(xù)狀態(tài)，此階段巖體的變形呈現(xiàn)彈性變形特征。

(3)塑性變形階段

當(dāng)軸向應(yīng)力加載到一定階段后，試樣開始產(chǎn)生塑性變形，該階段內(nèi)結(jié)石體內(nèi)逐漸產(chǎn)生新的微孔隙和微裂隙，一些原有微孔隙和微裂隙也開始擴(kuò)展、連通，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的形狀為向下彎曲的下凹型。

(4)破壞階段

隨著軸向應(yīng)力的增加，越來越多的微裂隙和微裂紋擴(kuò)展、連通，并逐漸形成宏觀裂隙，結(jié)石體失去承載能力破壞，試樣到達(dá)峰值應(yīng)力，有時宏觀裂隙的形成會有多個階段，導(dǎo)致應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為多次“臺階”狀的下降，結(jié)石體試樣有一定的承載能力，應(yīng)力并不是直接下降為零，具有明顯的峰后殘余強(qiáng)度。

表2 相同含量納米添加劑結(jié)石體力學(xué)參數(shù)

2.1.2 強(qiáng)度特征分析

從表2可知，添加3%納米二氧化硅后結(jié)石體的峰值強(qiáng)度提高了6.19 MPa，試驗數(shù)據(jù)表明納米二氧化硅的添加使結(jié)石體試樣強(qiáng)度提高，添加含量為3%碳酸鈣后結(jié)石體的峰值強(qiáng)度降低了2.44 MPa，這與其他人的試驗結(jié)果不相符[10-12]，分析原因發(fā)現(xiàn)，加入納米添加劑后，結(jié)石體的孔隙增多，導(dǎo)致結(jié)石體強(qiáng)度降低。選擇對應(yīng)力-應(yīng)變曲線中彈性變形階段的數(shù)據(jù)計算結(jié)石體的彈性模量，由表2可知，添加納米二氧化硅的結(jié)石體彈性模量為1.77 GPa，比普通漿液結(jié)石體增加了29.2%，納米碳酸鈣的彈性模量為1.47 GPa，比普通漿液結(jié)石體增加了7.3%。由此可知，與nano-CaCO3相比，nano-SiO2對漿液結(jié)石體力學(xué)特性的改善效果更好。

2.2 納米添加劑含量對漿液結(jié)石體力學(xué)特性的影響

2.2.1 納米二氧化硅含量對漿液結(jié)石體力學(xué)特性的影響

由表3可知，添加0.5%的納米二氧化硅后，注漿材料結(jié)石體的峰值強(qiáng)度降低2.40 MPa；添加1%的納米二氧化硅后，注漿材料結(jié)石體的峰值強(qiáng)度提高了1.60 MPa；添加2%的納米二氧化硅后，注漿材料結(jié)石體的峰值強(qiáng)度為提高了2.85 MPa；添加3%的納米二氧化硅后，注漿材料結(jié)石體的峰值強(qiáng)度提高了6.19 MPa，達(dá)到歷次試驗強(qiáng)度最高值，為后續(xù)納米添加劑的含量提供了參考；添加4%的納米二氧化硅后，注漿材料結(jié)石體的峰值強(qiáng)度降低了0.88 MPa。試驗數(shù)據(jù)表明隨著納米二氧化硅含量的增加，漿液結(jié)石體強(qiáng)度先升高后降低。

選擇對應(yīng)力-應(yīng)變曲線中彈性變形階段的數(shù)據(jù)計算結(jié)石體的彈性模量，由表3可知，隨著納米二氧化硅含量(0.5%、1%、2%、3%、4%)增加，漿液結(jié)石體彈性模量依次為1.48 GPa、1.58 GPa、1.65 GPa、1.77 GPa、1.52 GPa，結(jié)石體彈性模量與納米二氧化硅含量呈正相關(guān)。

表3 加入不同比例納米SiO2的結(jié)石體力學(xué)參數(shù)

2.2.2 納米碳酸鈣含量對漿液結(jié)石體力學(xué)特性的影響

從表4可知，添加3%的納米碳酸鈣后，注漿材料結(jié)石體的峰值強(qiáng)度降低了2.44 MPa；添加6%的納米碳酸鈣后，注漿材料結(jié)石體的峰值強(qiáng)度降低了2.90 MPa；添加9%的納米碳酸鈣后，注漿材料結(jié)石體的峰值強(qiáng)度降低了3.42 MPa；添加12%的納米碳酸鈣后，注漿材料結(jié)石體的峰值強(qiáng)度降低了3.45 MPa；添加15%的納米碳酸鈣后，注漿材料結(jié)石體的峰值強(qiáng)度降低了3.56 MPa；試驗數(shù)據(jù)表明隨著納米碳酸鈣含量的增加，漿液結(jié)石體強(qiáng)度越來越低。

選擇對應(yīng)力-應(yīng)變曲線中彈性變形階段的數(shù)據(jù)計算結(jié)石體的彈性模量，從表4可知，隨著納米碳酸鈣含量(3%、6%、9%、12%、15%)增加，漿液結(jié)石體彈性模量依次為1.47 GPa、1.44 GPa、1.34 GPa、1.29 GPa、1.26 GPa，即隨著納米碳酸鈣含量增加，漿液結(jié)石體彈性模量逐漸降低。

表4 加入不同比例納米CaCO3的結(jié)石體試樣力學(xué)參數(shù)

3 納米漿液結(jié)石體表面微觀結(jié)構(gòu)分析

通過超景深顯微鏡觀測納米漿液結(jié)石體表面，并統(tǒng)計對應(yīng)孔隙數(shù)量(如圖2)。圓點的數(shù)量越來越多，代表著結(jié)石體表面孔隙越多。通過試驗結(jié)果分析得到，隨著納米添加劑含量的增加，注漿材料結(jié)石體的氣泡越來越多。這表明在試樣制作過程中，有部分氣泡殘留在結(jié)石體試樣中，并形成缺陷，在進(jìn)行結(jié)石體單軸壓縮試驗時，孔隙周邊形成應(yīng)力集中，降低了注漿材料結(jié)石體的強(qiáng)度。

對于nano-SiO2來說，由于其對漿液結(jié)石體力學(xué)特性的改善效果更加明顯，因此當(dāng)nano-SiO2含量較少時(含量小于等于3%)，孔隙等缺陷對結(jié)石體強(qiáng)度的弱化作用小于nano-SiO2對其力學(xué)特性的改善作用，漿液結(jié)石體強(qiáng)度明顯高于普通水泥漿液結(jié)石體強(qiáng)度，并隨nano-SiO2含量增加而增加；但nano-CaCO3對漿液結(jié)石體力學(xué)特性的改善效果較弱，因此孔隙等缺陷對結(jié)石體強(qiáng)度的弱化作用強(qiáng)于nano-CaCO3對其力學(xué)特性的改善效果，因此漿液結(jié)石體強(qiáng)度小于普通水泥漿液結(jié)石體，且隨著nano-CaCO3含量的增加結(jié)石體強(qiáng)度逐漸降低(如圖3)。

圖2 1%納米SiO2結(jié)石體孔隙測試結(jié)果

圖3 不同納米添加劑含量的結(jié)石體表面孔隙面積

4 結(jié)論

注漿技術(shù)在工程中應(yīng)用十分廣泛，納米注漿材料在注漿工程中的應(yīng)用也越來越廣泛，因此通過利用電液伺服巖石真三軸試驗機(jī)，開展了不同納米添加劑漿液結(jié)石體單軸壓縮試驗，分析了納米添加劑類型及含量對漿液結(jié)石體的力學(xué)特性，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理，得到了具體結(jié)論如下：

(1)開展了納米注漿材料結(jié)石體單軸壓縮試驗，研究了結(jié)石體力學(xué)特性，分析了結(jié)石體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、單軸抗壓強(qiáng)度、變形特性、破壞特征。結(jié)果表明：與nano-CaCO3相比，nano-SiO2對漿液結(jié)石體力學(xué)特性的改善效果更好。隨著納米二氧化硅含量的增加，結(jié)石體強(qiáng)和彈性模量度先升高后降低；隨著納米碳酸鈣的含量增加，結(jié)石體的強(qiáng)度和彈性模量越來越低。

(2)利用超景深顯微系統(tǒng)對所有結(jié)石體試樣進(jìn)行了孔隙測試，根據(jù)試驗結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，普通水泥結(jié)石體的孔隙最少，隨著納米添加劑含量的增加，結(jié)石體內(nèi)的孔隙也越來越多，這也是添加納米添加劑后漿液結(jié)石體的力學(xué)特性降低的主要原因。