粉煤灰基UEA改性注漿材料力學(xué)特性與失穩(wěn)模式

辛亞軍，王 宇，吳春浩，楊俊鵬，姬紅英，張?jiān)龉?/p>

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000；2.煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；3.河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000；4.貴州能發(fā)高山礦業(yè)有限公司，貴州 黔西 551500)

隨著我國煤炭資源開采向深部的延伸，礦山巷道應(yīng)力升高，圍巖巖性由脆性向塑性轉(zhuǎn)化，對(duì)塑性圍巖注漿加固以發(fā)揮圍巖自承力成為巷道圍巖控制首選方式。目前，注漿材料的基料來源單一、成本高，且難以滿足薄分層塊體圍巖注漿膠結(jié)需要，尋找成本低、流動(dòng)性好、抑制收縮的新型注漿材料至關(guān)重要。

近年來，采用注漿方式對(duì)巷道圍巖進(jìn)行有效控制取得了一定進(jìn)展，梁苗等[1]針對(duì)松軟破碎巖層大斷面硐室，采用定位注漿方式較好地實(shí)現(xiàn)了巷道圍巖穩(wěn)定；張振峰等[2]開發(fā)高壓劈裂注漿工藝，研制高壓劈裂注漿裝備，進(jìn)行了千米深井巷道高壓劈裂注漿改性技術(shù)研發(fā)與實(shí)踐；趙祥龍等[3]針對(duì)奧陶系灰?guī)r含水層的透水性，進(jìn)行煤礦底板強(qiáng)含水層定向鉆進(jìn)注漿治理技術(shù)研究；孫光等[4]在注漿試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)黏土水泥漿進(jìn)行了不同深井靜水壓力下的裂隙注漿模擬試驗(yàn)研究。這些研究推進(jìn)了注漿技術(shù)在煤礦巷道圍巖控制中的應(yīng)用，這也得益于注漿材料的開發(fā)，在注漿材料方面，杜野[5]等通過流動(dòng)性正交試驗(yàn)揭示了黏度時(shí)變性注漿材料流動(dòng)特性；張培森[6]等對(duì)高強(qiáng)度低黏度注漿材料配比進(jìn)行了試驗(yàn)研究。除上述研究之外，還存在以各種添加劑如無機(jī)鹽、煤屑、礓石、巖石鉆粉等改性的注漿材料研究[7-12]，特別地，在粉煤灰材料方面，童立元等[13]研究了大摻量粉煤灰注漿充填材料物理力學(xué)性能；任昂等[14]采用坍落度試驗(yàn)和流變?cè)囼?yàn)研究了粉煤灰對(duì)充填膏體性能的影響；李茂輝等[15]對(duì)粉煤灰充填體強(qiáng)度與水化機(jī)理進(jìn)行了研究；杜明澤[16]等分析了粉煤灰充填材料早齡期力學(xué)特性及水化過程；尹博等[17]運(yùn)用水泥水化建模軟件模擬粉煤灰材料不同水化程度下的水化過程，揭示了粉煤灰材料的水化特征；毋林林等[18]通過微量熱測(cè)試分析了粉煤灰材料水化放熱速率和水化熱。綜上所述，不同基料注漿材料的研究相對(duì)較多，但這些研究集中在粉煤灰基注漿材料的開發(fā)與理化特性研究上，較少研究注漿膠結(jié)體收縮與圍巖混合膠結(jié)特性。

針對(duì)深部高應(yīng)力巷道圍巖控制中，裂隙持續(xù)發(fā)育、現(xiàn)有注漿材料膠結(jié)體強(qiáng)度低、收縮量大等問題，本文在前人基礎(chǔ)上對(duì)粉煤灰基UEA改性注漿材料力學(xué)特征展開深入研究，在實(shí)驗(yàn)室制作了15個(gè)注漿結(jié)石體試件，監(jiān)測(cè)了不同注漿結(jié)石體試件自然下縮量變化規(guī)律，在剛性試驗(yàn)機(jī)上，對(duì)15個(gè)注漿結(jié)石體試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析了不同UEA摻量對(duì)注漿結(jié)石體破壞強(qiáng)度與峰值應(yīng)變特征，確定了粉煤灰基UEA改性注漿結(jié)石體失穩(wěn)模式與臨界值點(diǎn)，研究結(jié)果可為注漿技術(shù)及注漿材料力學(xué)特性研究方面提供參考價(jià)值。

1 試件制備與試驗(yàn)方法

1.1 試件制備

1)試樣材料。試驗(yàn)材料主要成分為PC42.5硅酸鹽水泥、粉煤灰及UEA膨脹劑。

2)試樣制作。采用規(guī)格為0.5mm篩網(wǎng)對(duì)粉煤灰與PC42.5硅酸鹽水泥進(jìn)行篩分，去除雜質(zhì)以及較大顆粒。分別按UEA膨脹劑摻量0‰、2‰、4‰、6‰、8‰(固定粉煤灰摻量85%、水灰比0.6：1)制作漿液。將制備好的漿液裝入規(guī)格100mm×100mm×100mm模具制作試樣，并在溫度(20±2)℃、濕度80%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

3)試樣分組。試樣依據(jù)UEA膨脹劑摻量梯度不同(0‰、2‰、4‰、6‰、8‰)分為C0、C1、C2、C3、C4五組，其中C0位無膨脹劑對(duì)照組。

1.2 試驗(yàn)方法

1)試樣強(qiáng)度測(cè)定。采用單軸壓縮試驗(yàn)對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，單軸壓縮試驗(yàn)在剛性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)采用位移加載方式，加載速率0.05mm/s，試驗(yàn)過程中試樣加載應(yīng)力與位移變化均由test軟件自動(dòng)采集完成。

2)漿液結(jié)石體下縮量測(cè)定。漿液完全凝固為結(jié)石體，結(jié)石體進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，采用量尺垂直結(jié)石體上表面測(cè)量結(jié)石體初始下縮量，每個(gè)試樣測(cè)量3組數(shù)據(jù)，取3組數(shù)據(jù)均值作為結(jié)石體初始下縮量。在結(jié)石體養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)垂直試樣上表面架設(shè)數(shù)顯千分表測(cè)定齡期內(nèi)后期下縮量，千分表每24h記錄1次讀數(shù)變化。

2 注漿材料力學(xué)特性與失穩(wěn)模式

2.1 漿液結(jié)石體下縮量

漿液結(jié)石體下縮量是衡量注漿加固效果重要參數(shù)之一，井下注漿時(shí)下縮量越低，結(jié)石體與原巖體之間空隙越少，加固效果越好。不同膨脹劑摻量與結(jié)石體初始下縮量和后期下縮量的關(guān)系分別如圖1、圖2所示。

圖1 膨脹劑摻量與初始下縮量關(guān)系

圖2 膨脹劑摻量與后期下縮量關(guān)系對(duì)比

注漿結(jié)石體成型后，結(jié)石體初始下縮量隨膨脹劑摻量提高表現(xiàn)為線性負(fù)相關(guān)，膨脹劑摻量越高，初始下縮量越小，膨脹劑對(duì)結(jié)石體收縮產(chǎn)生抑制作用。含膨脹劑初始下縮量和均值為9.52mm，無膨脹劑初始下縮量和均值為16.87mm，膨脹劑作用導(dǎo)致均值初始下縮量收窄7.35mm，減小幅度達(dá)43.56%，膨脹劑對(duì)漿液結(jié)石體初始下縮量降低效果顯著。

含膨脹劑試樣(C1、C2)后期下縮量和均值分別達(dá)0.31mm與0.12mm，無膨脹劑試樣C0后期下縮量和均值達(dá)0.57mm，含膨脹劑試樣后期下縮量均大于不含膨脹劑后期下縮量，UEA膨脹劑對(duì)結(jié)石體后期下縮同樣具有明顯抑制作用。此外，對(duì)比不同膨脹劑摻量梯度，試樣C1組下縮幅度最大，7d內(nèi)下縮量最終增長0.04mm，漲幅13.33%。試樣C2組7d內(nèi)下縮量最終增長0.02mm，漲幅20%，隨著膨脹劑摻量梯度提高，含膨脹劑后期下縮量與無膨脹劑后期下縮量差值逐級(jí)加大。

2.2 漿液結(jié)石體破壞強(qiáng)度

不同膨脹劑摻量與漿液結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 膨脹劑摻量與破壞強(qiáng)度關(guān)系

可以看出，膨脹劑摻量以每級(jí)2‰梯度(初始水平2‰)遞增，膨脹劑摻量處于初始水平2‰時(shí)C1組單軸抗壓強(qiáng)度和均值為1.6435MPa，膨脹劑摻量在4‰時(shí)C2組單軸抗壓強(qiáng)度和均值為1.7087MPa，和均值提升0.0652MPa，提升幅度3.96%。而膨脹劑摻量增加至6‰時(shí)，C3組單軸抗壓強(qiáng)度和均值為1.3979MPa，和均值下降0.3108MPa，下降幅度18.18%。膨脹劑摻量增加至最終梯度8‰時(shí)，C4組單軸抗壓強(qiáng)度和均值為1.4671MPa，和均值再次提升0.0692MPa，提升幅度4.95%。

整體上看，對(duì)于相同粉煤灰摻量(85%)與相同水灰比(0.6∶1)無膨脹劑結(jié)石體均值破壞強(qiáng)度為1.1019MPa，含膨脹劑均值破壞強(qiáng)度為1.5543MPa，在UEA膨脹劑作用下結(jié)石體均值破壞強(qiáng)度提高0.4524MPa，提升幅度達(dá)40.05%，UEA膨脹劑對(duì)漿液結(jié)石體強(qiáng)度提升作用顯著。而隨著膨脹劑摻量不同，各梯度試樣均值破壞強(qiáng)度以含膨脹劑試樣均值強(qiáng)度近為水平，對(duì)稱分布于含膨脹劑均值強(qiáng)度曲線兩側(cè)，隨膨脹劑摻量提升表現(xiàn)出升高—降低—緩高的形態(tài)，表明漿液結(jié)石體破壞強(qiáng)度與膨脹劑摻量梯度變化相關(guān)性較差。

2.3 漿液結(jié)石體峰值應(yīng)變

不同膨脹劑摻量與漿液結(jié)石體峰值應(yīng)變關(guān)系曲線如圖4所示。顯然，膨脹劑摻量為2‰時(shí)試樣C1組峰值應(yīng)變和均值為1.3030%，膨脹劑摻量在4‰時(shí)試樣C2組峰值應(yīng)變和均值為1.3214%，和均值增大0.0184%。當(dāng)膨脹劑摻量提高至6‰時(shí)，試樣C3組峰值應(yīng)變和均值為1.3792%，和均值增大0.0578%，峰值應(yīng)變隨膨脹劑摻量提高持續(xù)升高。而膨脹劑摻量提高至8‰時(shí)，試樣C4組峰值應(yīng)變和均值增大至1.4030%，和均值增大0.0238%。

圖4 膨脹劑摻量與峰值應(yīng)變關(guān)系

整體上看，漿液結(jié)石體峰值應(yīng)變隨膨脹劑摻量提升，表現(xiàn)出線性升高趨勢(shì)。將膨脹劑摻量與C組峰值應(yīng)變均值進(jìn)行擬合可得：

εmax=1.2622-0.01789mUEA

(1)

式中，εmax為峰值應(yīng)變，%；mUEA為膨脹劑摻量，‰。

R2=0.9379，擬合曲線可較好表征漿液結(jié)石體峰值應(yīng)變隨膨脹劑摻量提高整體升高的關(guān)系。

相同粉煤灰摻量(85%)與相同水灰比(0.6∶1)無膨脹劑峰值應(yīng)變均值為1.2216%，含膨脹劑峰值應(yīng)變均值為1.3516%，在UEA膨脹劑作用下結(jié)石體均值峰值應(yīng)變提升0.13%，增長幅度10.64%，UEA膨脹劑對(duì)漿液結(jié)石體峰值應(yīng)變具有明顯提升作用。

2.4 漿液結(jié)石體破壞形態(tài)分析

單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)束后得到了不同膨脹劑摻量漿液結(jié)石體破壞形態(tài)，對(duì)12個(gè)漿液結(jié)石體破壞形態(tài)進(jìn)行素描如圖5所示。漿液結(jié)石體破壞形態(tài)與UEA摻量具有較大相關(guān)性。經(jīng)過UEA改性漿液結(jié)石體，試樣C1、C2組破壞強(qiáng)度和均值(1.6435MPa、1.8087MPa)大于1.5MPa，破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為單一主控面斜向剪切破裂面，試樣塊度較大，破壞產(chǎn)生伴生裂隙較少，破壞形態(tài)復(fù)雜程度較低。試樣C3、C4組破壞強(qiáng)度和均值(1.2979MPa、1.4671MPa)小于1.5MPa，破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為“X”型共軛主控破裂面，試樣塊度降低，破壞形態(tài)更加復(fù)雜。整體上，結(jié)石體破壞形態(tài)復(fù)雜程度表現(xiàn)為隨著結(jié)石體破壞強(qiáng)度的提高而降低的態(tài)勢(shì)。

圖5 試樣破壞形態(tài)素描

2.5 漿液結(jié)石體失穩(wěn)模式與機(jī)理

1)破壞失穩(wěn)模式。綜合漿液結(jié)石體破壞形態(tài)分析，試樣破壞形態(tài)因UEA膨脹劑摻量不同導(dǎo)致破壞強(qiáng)度不同，破壞失穩(wěn)模式表現(xiàn)為高強(qiáng)度小變形破壞與低強(qiáng)度大變形復(fù)雜破壞兩種。破壞強(qiáng)度小于1.5MPa時(shí)，漿液結(jié)石體失穩(wěn)模式為低強(qiáng)度大變形復(fù)雜破壞，破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為“X”型共軛主控破裂面破壞。而破壞強(qiáng)度大于1.5MPa時(shí)，漿液結(jié)石體失穩(wěn)模式屬于高強(qiáng)度小變形破壞，破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為單一主控面斜向剪切破裂面破壞。

2)破壞失穩(wěn)機(jī)理。對(duì)于強(qiáng)度小于1.5MPa結(jié)石體，試樣強(qiáng)度較低，在應(yīng)力作用下結(jié)石體無法迅速產(chǎn)生貫穿整體的主控面，試樣與荷載抵抗的同時(shí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)崩解是逐步的，造成其內(nèi)部擴(kuò)展裂隙增多，變形量增大，破壞形態(tài)更加復(fù)雜，屬于低強(qiáng)度大變形復(fù)雜破壞失穩(wěn)。

結(jié)石體強(qiáng)度降低的機(jī)理為粉煤灰中的活性SiO2、Al2O3與硅酸鹽水泥水化所釋放的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，生成C-S-H與C-A-H凝膠[19]。漿液結(jié)石體中C-S-H與C-A-H凝膠分子會(huì)破壞Ca(OH)2分子鍵，促使原本被分子鍵相連的Ca(OH)2分子成為孤立的分子團(tuán)(圖6)。

圖6 分子鍵破壞示意

對(duì)于強(qiáng)度高于1.5MPa結(jié)石體，由于自身具有較高強(qiáng)度，高強(qiáng)度導(dǎo)致結(jié)石體整體發(fā)生迅速災(zāi)變。因此破壞強(qiáng)度在1.5MPa之上結(jié)石體隨著強(qiáng)度的提高，變形量減小，破壞形態(tài)復(fù)雜程度降低。

2.6 討論分析

1)本文在粉煤灰基注漿材料基礎(chǔ)上，采用UEA膨脹劑改性，相比以往學(xué)者研究[20]粉煤灰摻量在80%，水灰比0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1時(shí)，漿液結(jié)石體7d均值強(qiáng)度達(dá)到0.6MPa，同比經(jīng)過UEA改性后結(jié)石體7d均值強(qiáng)度達(dá)到1.55MPa。明顯地，改性后粉煤灰基注漿材料強(qiáng)度得到顯著提升，膠結(jié)后收縮變形減小，更適用于高應(yīng)力條件下的深部巷道圍巖注漿加固。

2)注漿材料成分復(fù)雜，根據(jù)連會(huì)青等[21]對(duì)水泥-粉煤灰-水玻璃注漿材料的研究，水玻璃同樣能夠顯著提高注漿材料抗壓強(qiáng)度。因此，對(duì)于粉煤灰基注漿材料的研究亟需進(jìn)一步考察不同添加劑混合成分的影響。

3 結(jié) 論

1)隨著UEA膨脹劑摻量梯度增加(0‰、2‰、4‰、6‰、8‰)，以UEA摻量0‰為對(duì)照梯度，結(jié)石體初始下縮量分別下降41.55%、2.63%、1.77%、2.22%，結(jié)石體后期下縮量降幅分別為45.61%、61.29%(C0、C1、C2)，UEA膨脹劑對(duì)結(jié)石體下縮具有明顯抑制作用。

2)隨著UEA膨脹劑摻量梯度增加(0‰、2‰、4‰、6‰、8‰)，以UEA摻量0‰為對(duì)照梯度，結(jié)石體破壞強(qiáng)度強(qiáng)度分別提升49.15%、提升3.96%、下降18.18%、提升4.95%，試樣破壞強(qiáng)度整體表現(xiàn)出升高—降低—緩高形態(tài)，UEA膨脹劑梯度增加與漿液結(jié)石體強(qiáng)度關(guān)系不明顯，但UEA膨脹劑添加整體提升注漿結(jié)石體強(qiáng)度。

3)隨著UEA膨脹劑摻量梯度增加(0‰、2‰、4‰、6‰、8‰)，以UEA摻量0‰為對(duì)照梯度，結(jié)石體峰值應(yīng)變分別提升1.66%、1.41%、4.37%、1.70%，UEA膨脹劑對(duì)漿液結(jié)石體峰值應(yīng)變具有明顯提高作用，且表現(xiàn)出明顯線性升高的趨勢(shì)。

4)粉煤灰基UEA改性注漿結(jié)石體破壞失穩(wěn)模式分別表現(xiàn)為高強(qiáng)度小變形破壞與低強(qiáng)度大變形復(fù)雜破壞兩種，兩種失穩(wěn)模式劃分臨界值點(diǎn)為漿液結(jié)石體破壞強(qiáng)度1.5MPa。