聚丙烯酸酯改性水泥注漿材料力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)研究1)

吳龍?bào)K 吳志軍 翁 磊

(武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢 430072)

隨著我國(guó)交通路網(wǎng)向西部及西南山區(qū)快速拓展，遇到了各種極端復(fù)雜的地質(zhì)條件，其中斷層破碎帶是施工過程中最為常見的不良地質(zhì)體[1-2]。斷層破碎帶中的巖體存在大量不規(guī)則裂隙，嚴(yán)重削弱了地層的整體性和穩(wěn)定性，容易引發(fā)滑坡、坍塌等工程事故，對(duì)施工安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3]。注漿技術(shù)作為一種高效修復(fù)破碎巖體、提高圍巖強(qiáng)度的加固手段，在處理不良地層加固實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。通過將漿液注入到巖層的裂隙或孔隙中，使?jié){液在固結(jié)后將原含有張開裂隙的斷層破碎帶膠結(jié)成整體，進(jìn)而提升巖體的強(qiáng)度[4]。注漿材料作為注漿技術(shù)中最關(guān)鍵的組成部分，直接影響最終的加固效果。

注漿材料根據(jù)主劑不同可分為無機(jī)注漿材料、有機(jī)注漿材料以及無機(jī)–有機(jī)復(fù)合注漿材料等3 類。以水泥基為主的無機(jī)注漿材料具有來源廣、成本低的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于圍巖加固[5-6]。利用純水泥漿液進(jìn)行注漿加固，張農(nóng)等[7]發(fā)現(xiàn)了注漿固結(jié)后巖石的殘余強(qiáng)度增大，且側(cè)向變形和徑向變形趨于協(xié)調(diào)，塑性變形性能增大。劉長(zhǎng)武等[8]研究發(fā)現(xiàn)加固后的巖石其結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力得到了顯著提高。Liu 等[9]研究發(fā)現(xiàn)水泥漿液能顯著提高巖石的法向和切向抗變形能力，其抗剪剛度提高了約2 倍。然而，水泥基漿液凝固時(shí)間長(zhǎng)，漿液結(jié)石體后期干縮性大、易開裂，難以達(dá)到長(zhǎng)期加固巖體的目的。有機(jī)注漿材料主要包括聚氨酯類、環(huán)氧樹脂類以及酚醛樹脂類等化學(xué)漿液，具有黏度低、凝膠時(shí)間易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)[10-12]，但漿液的制備工藝往往復(fù)雜，同時(shí)價(jià)格昂貴、不環(huán)保，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。鑒于無機(jī)注漿材料和有機(jī)注漿材料各自的特點(diǎn)，學(xué)者們嘗試研發(fā)有機(jī)–無機(jī)復(fù)合注漿材料，其中在聚合物改性水泥基復(fù)合材料的研發(fā)方面取得了諸多研究進(jìn)展。例如，在水泥漿液中添加環(huán)氧樹脂，可以提高黏聚力以及耐酸性[13]。聚乙烯醇改性水泥基注漿材料具有好的抗裂性[14]。聚酯纖維改性水泥基–水玻璃注漿材料的抗彎強(qiáng)度和韌性得到了提升[15]。然而，將兩種材料的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，也帶來了它們固有的缺點(diǎn)。如環(huán)氧樹脂價(jià)格昂貴[16]，聚乙烯醇、聚氨酯和聚丙烯酰胺都具有輕微毒性[17-18]，威脅施工人員的健康。盡管如此，聚合物改性水泥為開發(fā)一種新的注漿材料提供了思路，此材料不僅具有卓越的性能，而且無毒、效益高，適合廣泛使用。

聚丙烯酸酯乳液改性水泥（polyacrylate latex modified cement，PLMC）材料在水利和建筑工程中得到了成功的應(yīng)用，具有良好的抗?jié)B、抗裂、耐化學(xué)腐蝕、耐磨、抗老化和環(huán)保性能[19-20]，同時(shí)相較于其他高聚物改性水泥材料，具有成本低、施工工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[21]。這些性能正是注漿材料所需要的，然而在注漿領(lǐng)域，對(duì)PLMC 的研究較少。

針對(duì)于斷層破碎帶加固，注漿材料的力學(xué)性能是至關(guān)重要的。為探究PLMC 漿液是否可以作為一種修復(fù)破碎巖體的注漿材料，本文首先針對(duì)不同配比的注漿材料展開單軸抗壓測(cè)試，選出具有最佳力學(xué)性能的配比。然后將具有最佳力學(xué)性能的PLMC 漿液結(jié)石體與實(shí)際工程中應(yīng)用過的注漿材料漿液結(jié)石體進(jìn)行強(qiáng)度對(duì)比測(cè)試。最后通過低場(chǎng)核磁共振裝置及電鏡掃描對(duì)幾種注漿材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征研究。

1 試驗(yàn)材料和試驗(yàn)方法

1.1 注漿材料及制備方法

首先制備PLMC 注漿材料，本試驗(yàn)所用水泥為1000 目超細(xì)水泥（pure cement，PC）（D50≤5 μm，D90≤13 μm），購(gòu)自山東康晶新材料科技有限公司；所用聚丙烯酸酯乳液固含量為55%，聚合物平均粒徑為82 nm，購(gòu)自北京蒙泰偉業(yè)建材有限公司；選用磷酸三丁酯作為消泡劑，購(gòu)自臨沂市凱奧化工有限公司。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)常用的3 種水灰比，以及試驗(yàn)中常用的5 種聚灰比，進(jìn)行全面試驗(yàn)，表1 為PLMC 的配比，其中，W/C為水灰比，P/C為聚灰比。制備時(shí)，先將液料聚丙烯酸酯乳液、水以及消泡劑混合，通過磁力攪拌器以200 rpm 攪拌2 min，以保證所有液料充分混合。再將水泥與液料混合，以500 rpm 的速度攪拌3 min，保證漿液最終沒有氣泡。所有操作均在25 ℃的室溫下進(jìn)行。

表1 PLMC 試驗(yàn)配比Table 1 Mix proportions of PLMC

為進(jìn)一步探究PLMC 注漿材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用潛力，將PLMC 注漿材料與以往工程中用以圍巖加固的注漿材料進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，表2 為在實(shí)際工程中應(yīng)用過的5 種注漿材料，其中3 種為無機(jī)注漿材料，另外2 種為無機(jī)–有機(jī)復(fù)合注漿材料。需要注意的是，這些注漿材料均選用普通水泥漿液作為基漿，自研發(fā)的聚丙烯酸酯改性水泥注漿材料采用PC 漿液作為基漿，相較于普通水泥，PC 的強(qiáng)度更大。因此，為確保PLMC 注漿材料與所選注漿材料的公平比較，所有注漿材料均選擇PC 漿液作為基漿（對(duì)照組）。本測(cè)試中，選擇具有最佳力學(xué)強(qiáng)度的水灰比1.0 的配比進(jìn)行對(duì)比研究。

表2 實(shí)際工程中應(yīng)用過的注漿材料Table 2 Grouting materials applied in actual engineering

即時(shí)密封水泥注漿材料 (cementitious grouts for instant sealing,CIS) 由組分 A 和組分 B組成，組分A 為水泥漿，組分 B 由水玻璃、水和黃原膠組成，組分 B 水玻璃質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60%，黃原膠摻量為 0.6 wt%。玻璃纖維改性水泥（glass fiber modified cement，GFMC）注漿材料由水泥漿和摻量為4 wt%的玻璃纖維組成，玻璃纖維長(zhǎng)度為6 mm，單絲直徑9 μm，含水量4.2%，線密度200 tex。納米二氧化硅–水泥復(fù)合（nanocomposite cement-based，NCC）注漿材料由水泥漿，摻量分別為0.1 wt%，0.3 wt%，0.02 wt%和0.2 wt%的納米二氧化硅、聚羧酸減水劑、混凝土早強(qiáng)劑和抗分散劑（羥丙基甲基纖維素）組成。環(huán)氧樹脂改性水泥（epoxy resin modified cement，ERMC）注漿材料由水泥漿、聚灰比為0.2 的環(huán)氧樹脂、固化劑和消泡劑（磷酸三丁酯）組成，固化劑和消泡劑的摻量分別為環(huán)氧樹脂固含量的50 wt%和1 wt%。聚氨酯改性水泥（polyurethane modified cement，PUMC）注漿材料由水泥漿、聚灰比為0.1 的聚氨酯和消泡劑（磷酸三丁酯）組成，消泡劑的摻量為聚氨酯固含量的2 wt%。5 種在實(shí)際工程中得到過應(yīng)用的材料來源和具體制備方法可參考表2 中相應(yīng)的文獻(xiàn)。

1.2 試樣制備

對(duì)于漿液結(jié)石體（如圖1(a)所示），將制備的新鮮漿液倒入直徑50 mm，高100 mm 的圓柱形模具中，24 h 后脫模，在溫度20 ℃，濕度≥95%條件下養(yǎng)護(hù)28 d。對(duì)于注漿加固體（如圖1(b)所示），通過圖2 所示的注漿模擬試驗(yàn)裝置中的注漿泵向裂隙巖樣中注入漿液，巖體右側(cè)有漿液流出后仍持續(xù)注漿1 min，保證漿液在裂隙中充分?jǐn)U散，24 h 后取出注漿后的裂隙巖樣加固體，在溫度20 ℃，濕度≥95%條件下養(yǎng)護(hù)28 d。所選取的巖樣為黃砂巖，均鉆取自同一個(gè)塊體，以最大限度地減少巖石本身的離散性。利用水刀將試樣沿其軸線方向切開，形成1 條平行的貫通裂隙面。

圖1 試樣Fig.1 Sample

圖2 注漿模擬試驗(yàn)裝置Fig.2 Grouting simulation test device

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 單軸抗壓強(qiáng)度

單軸抗壓強(qiáng)度：使用RMT-301 巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)漿液結(jié)石體及注漿加固體進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度（uniaxial compressive strength，UCS）測(cè)試。試驗(yàn)時(shí)的載荷由立式液壓缸施加，加載速率由力控制，設(shè)定為0.05 kN/s。試驗(yàn)過程中，采用與系統(tǒng)匹配的位移傳感器，量程為5 mm，對(duì)試件的軸向變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)15 種不同配比的PLMC 漿液結(jié)石體的每個(gè)樣本組測(cè)試3 次，取平均值作為最后的單軸抗壓強(qiáng)度。對(duì)于已在實(shí)際工程中應(yīng)用過的注漿材料漿液結(jié)石體以及注漿加固體進(jìn)行1 次測(cè)試。

1.3.2 漿液結(jié)石體孔徑分布

對(duì)養(yǎng)護(hù)過的漿液結(jié)石體按照Weng 等[27]提到的方法進(jìn)行飽水，通過低場(chǎng)核磁共振裝置對(duì)漿液結(jié)石體的孔徑分布進(jìn)行表征測(cè)試。所使用的低場(chǎng)核磁共振裝置為蘇州紐邁分析儀器股份有限公司研制的MacroMR12-150H-I 大口徑核磁共振成像分析儀。核磁共振技術(shù)是基于流體氫原子在外加磁場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生定向排列的原理，來測(cè)量孔隙中流體的弛豫特征。在自然狀態(tài)下，氫原子核自旋軸的方向通常呈隨機(jī)無序排列，在射頻脈沖和外加磁場(chǎng)的共同作用下，氫核能吸收電磁能量達(dá)到高能態(tài)。當(dāng)射頻脈沖停止后，磁化的氫原子核會(huì)釋放吸收的射頻能量，這種從高能級(jí)狀態(tài)恢復(fù)到低能級(jí)狀態(tài)的能量釋放過程被稱為弛豫[28]。通過采用較短回波時(shí)間的CPMG 脈沖序列可以對(duì)孔隙中流體的橫向弛豫時(shí)間T2進(jìn)行測(cè)量并反演計(jì)算，獲得孔隙內(nèi)流體的分布狀態(tài)。每個(gè)孔隙都有各自的孔表面積和孔體積，對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的弛豫時(shí)間T2，核磁共振信號(hào)強(qiáng)度T2譜分布反映了孔隙的尺寸和分布特征。通過預(yù)實(shí)驗(yàn)獲得最佳采樣參數(shù)，回波時(shí)間、回波數(shù)、等待時(shí)間和掃描次數(shù)分別設(shè)置為0.25 ms，6000，6000 ms 和32。

1.3.3 漿液結(jié)石體表面及巖–漿界面形貌特征

通過武漢大學(xué)測(cè)試中心的Zeiss SIGMA 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀測(cè)漿液結(jié)石體的內(nèi)表面以及巖–漿界面。樣品尺寸為5 mm×5 mm×5 mm，使用小毛刷在顯微鏡下將表面可能產(chǎn)生干擾的雜物清除。為了確保成像清晰，在樣品表面噴涂一層約10 nm 厚的金屬膜，以增強(qiáng)導(dǎo)電性。在制樣完成后，將試樣放入烘干箱中進(jìn)行干燥處理，噴金部分可以在離子濺射儀中完成，檢查好樣品室氣密性后，進(jìn)行抽真空工作，待真空度達(dá)到要求后，開始進(jìn)行離子濺射。濺射電流選擇30 mA，噴涂時(shí)間設(shè)置為120 s，噴涂完成后放氣取出樣品即可。掃描電鏡的分辨率為20 μm，加速電壓為5 kV。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度

如圖3 所示為不同配比條件下PLMC 漿液結(jié)石體3 d 和28 d 的單軸抗壓強(qiáng)度。在3 種水灰比條件下，在水泥漿中加入聚丙烯酸酯乳液可以提高漿液結(jié)石體的3 d 抗壓強(qiáng)度和28 d 抗壓強(qiáng)度，且抗壓強(qiáng)度隨著聚丙烯酸酯乳液含量的增加而增加。隨著水灰比提高，聚丙烯酸酯乳液改善漿液結(jié)石體3 d 和28 d 抗壓強(qiáng)度的效果更加顯著。當(dāng)水灰比為0.6 時(shí)，純水泥漿液結(jié)石體的28 d 抗壓強(qiáng)度為15.14 MPa，當(dāng)聚丙烯酸酯乳液摻量為20%時(shí)，強(qiáng)度為20.18 MPa，提高了33.29%。當(dāng)水灰比分別為0.8 和1.0 時(shí)，加入20%摻量的聚丙烯酸酯乳液后28 d 抗壓強(qiáng)度分別提高了52.40%和72.79%。如圖4 所示，聚丙烯酸酯乳液可以提高3 d 強(qiáng)度和28 d 強(qiáng)度的比值，漿液結(jié)石體早強(qiáng)性得到了增強(qiáng)，當(dāng)聚丙烯酸酯乳液摻量為15%時(shí)，3 d 強(qiáng)度和28 d 強(qiáng)度之間的比值最高。

圖3 不同配比條件下漿液結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度Fig.3 UCS of grout stone body with different admixtures of cement and polyacrylate latex

圖4 不同配比條件下漿液結(jié)石體3 d 與28 d抗壓強(qiáng)度比值Fig.4 3 d strength/28 d strength with different admixtures of cement and polyacrylate latex

根據(jù)下面漿液結(jié)石體孔徑分布和SEM 分析可知，與純水泥漿液結(jié)石體相比PLMC 漿液結(jié)石體的孔隙數(shù)量更少，內(nèi)表面更加密實(shí)，這對(duì)漿液石體抗壓強(qiáng)度增大起到了積極的作用。

通過上面的測(cè)試可知當(dāng)水灰比為1.0，聚丙烯酸酯乳液摻量為20%時(shí)，漿液結(jié)石體的單軸抗壓強(qiáng)度最高。將該配比（水灰比1.0，聚灰比0.2）的聚丙烯酸酯改性水泥漿液結(jié)石體與其他注漿材料液結(jié)石體的強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。

如圖5 所示為不同注漿材料漿液結(jié)石體的單軸測(cè)試結(jié)果。通過圖5(a)可知，相較于其他注漿材料，聚丙烯酸酯改性水泥漿液結(jié)石體的單軸抗壓強(qiáng)度要更高。CIS 漿液結(jié)石體的強(qiáng)度最小，通過下面的孔徑分布特征和電鏡掃結(jié)果描可知，CIS 漿液結(jié)石體的孔隙多，內(nèi)表面結(jié)構(gòu)松散，這與其強(qiáng)度小可能關(guān)系密切。ERMC，GFMC 和NCC 注漿材料的漿液結(jié)石體相較于純水泥漿液結(jié)石體強(qiáng)度都有所增大，而PUMC 和CIS 的漿液結(jié)石體的強(qiáng)度都有所減小。應(yīng)力–應(yīng)變曲線，與對(duì)照組純水泥漿液結(jié)石體相比，改性后的漿液結(jié)石體的峰值應(yīng)變均增大，其中玻璃纖維改性水泥漿液結(jié)石體的峰值應(yīng)變最大，這與玻璃纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)結(jié)石體受力時(shí)，玻璃纖維因水泥礦物顆粒的錯(cuò)動(dòng)而受拉，由于纖維具有較大的抗拉強(qiáng)度，所以在一定程度上能抑制裂隙的發(fā)展，避免脆性破壞，使其表現(xiàn)出一定的韌性[23]。聚丙烯酸酯改性水泥漿液結(jié)石體表現(xiàn)出良好的韌性，當(dāng)塑性變形發(fā)生后，不會(huì)立即發(fā)生破壞。

圖5 不同注漿材料漿液結(jié)石體單軸抗壓測(cè)試結(jié)果Fig.5 Uniaxial compressive test results of grout stone body with different grouting materials

如圖6 所示為不同注漿材料注漿加固體的單軸測(cè)試結(jié)果。通過圖6(a)可知，幾種注漿材料加固后的裂隙巖體單軸抗壓強(qiáng)度相差不大，為完整巖樣強(qiáng)度的45%～65%，其中PLMC 注漿材料的加固效果最好，聚氨酯改性水泥注漿材料的加固效果最差。注漿加固體的強(qiáng)度與漿液結(jié)石體的強(qiáng)度和漿–巖界面膠結(jié)狀況有關(guān)，結(jié)合上面的漿液結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果和2.3 節(jié)中的漿–巖界面SEM 掃描結(jié)果可知，PLMC 漿液結(jié)石體的單軸抗壓強(qiáng)度最高，巖–漿界面之間沒有縫隙，因此其注漿加固體強(qiáng)度最高。聚氨酯改性水泥漿液結(jié)石體的強(qiáng)度較差，同時(shí)巖–漿界面存在縫隙，導(dǎo)致其強(qiáng)度最低。圖6(b)為單軸受壓應(yīng)力–應(yīng)變曲線，與完整巖樣相比，注漿加固體的峰值應(yīng)變均有所增大，其中無機(jī)–有機(jī)注漿材料加固后的裂隙巖樣峰值應(yīng)變?cè)龃蟾语@著。

圖6 不同注漿材料注漿加固體單軸抗壓測(cè)試結(jié)果Fig.6 Uniaxial compressive test results of grouting-reinforced body with different grouting materials

2.2 漿液結(jié)石體孔徑分布

水泥基漿液結(jié)石體的孔隙特征影響其力學(xué)強(qiáng)度，孔隙率較小的結(jié)石體具有較高的強(qiáng)度[27]。通過低場(chǎng)核磁共振裝置對(duì)飽水后漿液結(jié)石進(jìn)行測(cè)試獲得其孔徑分布特征。檢測(cè)到的磁化信號(hào)為橫向弛豫時(shí)間T2分布曲線，該曲線可以反映巖石孔隙的大小和分布。較小的孔隙具有較短的T2，并且分布曲線下覆蓋面積和峰值的大小與孔隙的數(shù)量呈正相關(guān)。為了直觀地表示孔徑分布特征，T2分布可以轉(zhuǎn)換為孔徑r分布[29]

式中，r為孔徑，T2為橫向弛豫時(shí)間

圖7 為水灰比0.8 時(shí)，在不同聚丙烯酸酯乳液摻量下漿液結(jié)石體的孔徑分布特征。對(duì)于純水泥漿液結(jié)石體，孔徑分布曲線覆蓋的面積最大，其曲線峰值為0.32%，所對(duì)應(yīng)孔徑大小為0.34 μm。隨著聚丙烯酸酯乳液的加入，孔徑分布曲線覆蓋下面積、峰值開始減小，峰值所處位置向左側(cè)移動(dòng)，表明漿液結(jié)石體的孔隙率逐漸減小，當(dāng)聚丙烯酸酯乳液摻量為20%時(shí)，孔徑分布曲線的峰值為0.029%，所對(duì)應(yīng)孔徑大小為0.19 μm。聚丙烯酸酯乳液可以顯著改善漿液結(jié)石體的孔隙結(jié)構(gòu)，與純水泥漿液結(jié)石體相比，可以減少結(jié)石體中的孔隙數(shù)量，這與聚丙烯酸酯與水泥之間發(fā)生的物理變化與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，大致可以分為3 個(gè)階段[30]。在第一階段，水泥水化產(chǎn)生大量的Ca(OH)2，在體系中形成堿性放熱環(huán)境。下一階段，聚丙烯酸酯中的酯基-COOR 在堿性環(huán)境下水解，產(chǎn)生大量羧基-COO-。第三階段，水泥水化產(chǎn)物生成的鈣離子Ca2+與羧基-COO-反應(yīng)生成新的物質(zhì)Ca(HCOO)2。值得注意的是，如果羧基來自不同的聚丙烯酸酯鏈，同樣的Ca2+連接兩個(gè)羧基，那么這兩個(gè)聚丙烯酸酯鏈?zhǔn)沁^化學(xué)鍵相互連接。由于漿液體系中產(chǎn)生了大量的Ca2+和羧基-COO-，大量的聚丙烯酸酯鏈被Ca2+連接起來，形成有機(jī)物和無機(jī)物組成的交聯(lián)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。物理變化伴隨著化學(xué)反應(yīng)，部分水化產(chǎn)物和水泥顆粒被包裹在這些交聯(lián)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中，填補(bǔ)了交聯(lián)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的空白，進(jìn)一步改善了有機(jī)–無機(jī)界面，使最終產(chǎn)物緊密相連。

圖7 不同聚丙烯酸酯乳液摻量下漿液結(jié)石體孔徑分布Fig.7 Pore size distribution of the grout stone body with different admixtures of polyacrylate latex

如圖8 所示為不同注漿材料漿液結(jié)石體的孔隙特征。整體上，無機(jī)改性劑對(duì)結(jié)石體的孔隙特征產(chǎn)生了不利影響。有機(jī)改性劑的使用可以有效地改善結(jié)石體的孔隙特征。這是由于有機(jī)改性劑中存在活性基團(tuán)，如羧基（-COOH）和酯基（-COOR）。這些基團(tuán)可以與水泥和水泥水化產(chǎn)物中存在的鈣離子發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，從而形成交聯(lián)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。聚合物和水泥水化產(chǎn)物通過這種交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)緊密連接，一些水化產(chǎn)物和水泥顆粒被封閉在網(wǎng)格結(jié)構(gòu)內(nèi)，從而填補(bǔ)了水化產(chǎn)物之間的空隙[30]。相較于其他注漿材料的漿液結(jié)石體，聚丙烯酸酯改性水泥漿液結(jié)石體的孔徑分布覆蓋面積最小，峰值最低，表明孔隙數(shù)量最少，孔徑最小。

圖8 不同注漿材料漿液結(jié)石體的孔徑分布Fig.8 Pore size distribution of the grout stone body with different grouting materials

2.3 漿液結(jié)石體表面及巖–漿界面形貌特征

將水灰比0.8 的純水泥漿液結(jié)石體和水灰比0.8、聚灰比0.2 的復(fù)合漿液結(jié)石體在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d 后通過SEM 在不同放大倍數(shù)下觀察結(jié)石體的內(nèi)表面，如圖9 所示。純水泥漿液結(jié)石體的內(nèi)表面存在明顯的縫隙，最大寬度約為2 μm，這與2.2 節(jié)通過核磁共振分析得到的純水泥漿液結(jié)石體的孔隙特征一致。相較于純水泥漿液結(jié)石體，復(fù)合漿液結(jié)石體的界面更加密實(shí)，沒有觀察到縫隙。

圖9 不同配比下漿液結(jié)石體表面形貌特征Fig.9 Surface morphology characteristics of grout stone bodies with different admixtures

如圖10 所示為不同注漿材料漿液結(jié)石體的內(nèi)表面形貌特征，所有圖的放大倍數(shù)均為5000 倍。與對(duì)照組純水泥漿液結(jié)石體相比，無機(jī)注漿材料漿液結(jié)石體的密實(shí)度較差，可以觀測(cè)到明顯的縫隙。無機(jī)–有機(jī)復(fù)合注漿材料漿液結(jié)石體界面密實(shí)，沒有觀測(cè)到縫隙。這是由于有機(jī)改性劑有效地結(jié)合了水化產(chǎn)物。聚丙烯酸酯改性水泥漿液結(jié)石體的內(nèi)表面十分的密實(shí)。

圖10 不同注漿材料漿液結(jié)石體表面形貌特征Fig.10 Surface morphological characteristics of grout stone bodies with different grouting materials

圖11 為不同注漿材料與巖樣表面的膠結(jié)情況，放大倍數(shù)為200 倍。無機(jī)注漿材料與巖樣之間的附著力不足，存在明顯的縫隙。聚丙烯酸酯改性水泥漿液和環(huán)氧樹脂改性水泥漿液與巖樣結(jié)合良好，漿液與巖體融合，巖–漿界面無明顯縫隙。這是因?yàn)榫郾┧狨ト橐汉铜h(huán)氧樹脂含有羧基（-COOH），羧基是具有強(qiáng)內(nèi)聚力的極性基團(tuán)，在聚合物和臨界界面之間產(chǎn)生強(qiáng)電磁引力[30]。

圖11 不同注漿材料巖–漿交界面膠結(jié)狀況Fig.11 Bonding status of the grout–rock interface with different grouting materials

圖11 不同注漿材料巖–漿交界面膠結(jié)狀況（續(xù)）Fig.11 Bonding status of the grout–rock interface with different grouting materials (continued)

通過低場(chǎng)核磁技術(shù)和電鏡掃描對(duì)漿液結(jié)石體以及注漿加固體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征，從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)對(duì)聚丙烯酸酯改性水泥漿液結(jié)石體以及注漿加固體具有良好的強(qiáng)度進(jìn)行了分析，但還可以進(jìn)一步通過X 射線衍射或紅外光譜等技術(shù)手段從分子層面來揭示其強(qiáng)度大的原因。

3 結(jié)論

本文對(duì)PLMC 用于加固裂隙巖體的可行性進(jìn)行了力學(xué)性能研究，首選進(jìn)行了不同配比的復(fù)合漿液結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，隨后與實(shí)際工程中應(yīng)用過的注漿材料進(jìn)行了強(qiáng)度對(duì)比測(cè)試，最后對(duì)幾種注漿材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出以下主要結(jié)論。

（1）相較于純水泥漿液結(jié)石體，PLMC 漿液結(jié)石體的3 d 強(qiáng)度與28 d 強(qiáng)度得到了提升，且隨著聚丙烯酸酯乳液含量的增加，強(qiáng)度不斷增加。

（2）與其他注漿材料相比，PLMC 漿液結(jié)石體和注漿加固體表現(xiàn)出最突出的單軸抗壓強(qiáng)度和良好的韌性。

（3）聚丙烯酸酯乳液在改善漿液結(jié)石體孔隙結(jié)構(gòu)方面比其他改性劑更有效，使結(jié)石體更加致密。PLMC 漿液注漿后，注漿加固體的巖–漿界面之間沒有發(fā)現(xiàn)明顯的縫隙。