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膨胀型浆体膨胀性能及力学破坏特征试验研究 ① 李鹏程１， 叶义成１，２， 姚 囝１， 陈常钊１， 邓兴敏１， 陈俊伟１ （１．武汉科技大学 资源与环境工程学院，湖北 武汉 ４３００８１； ２．湖北省工业安全工程技术研究中心，湖北 武汉 ４３００８１） 摘 要 针对围岩黏结过程中可提供膨胀力的膨胀型注浆材料配制问题，开展以静态破碎剂为膨胀源、水泥为胶结剂的膨胀型浆 体配比试验，探究不同膨胀剂掺量下膨胀浆体的膨胀特征及力学破坏特征。 试验结果表明静态破碎剂-水泥浆体的膨胀特征呈现 终凝前缓慢膨胀、终凝后加速膨胀、减速膨胀及稳定等 ４ 个阶段；当膨胀剂掺量分别为 ３％、６％和 ９％时，膨胀胶结体试样达到稳定 阶段时的平均膨胀率分别为 ２．７６％、８．９２％和 １３．５７％；随着膨胀剂掺量增加，试样抗压强度不断降低；胶结体试样破坏特征表现为 随着膨胀剂掺量增加，试样由拉伸破坏逐渐向剪切破坏转变，再向碎胀型破坏转变，试样自身膨胀后由脆性向延性发展；试样体积 膨胀导致裂纹滋生，通过 ＤｏｓｅＲｅｓｐ 函数拟合得到膨胀后试样的单轴抗压强度与体积膨胀率的关系，膨胀型浆体单轴抗压强度受膨 胀率增加的影响先变小后变大再变小。 膨胀型浆体性能的研究对节理面膨胀浆体注浆技术的工程应用具有重要借鉴意义。 关键词 注浆加固； 节理面； 膨胀型浆体； 静态破碎剂； 膨胀性能； 破坏特征； 配比试验 中图分类号 ＴＵ４５２文献标识码 Ａｄｏi１０．３９６９／ ｊ．iｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０２０．０６．００３ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０２０）０６－０００８－０５ Ｅｘｐｅｒｉmｅｎｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ oｎ Ｅｘｐａｎｓｉoｎ Ｐｅｒｆoｒmａｎｃｅ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｆａｉｌｕｒｅ Cｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ oｆ Ｅｘｐａｎｓｉｖｅ Ｓｌｕｒｒｙ ＬＩ Ｐｅｎｇ-ｃｈｅｎｇ１， ＹＥ Ｙi-ｃｈｅｎｇ１，２， ＹＡＯ Ｎａｎ１， ＣＨＥＮ Ｃｈａｎｇ-ｚｈａｏ１， ＤＥＮＧ Ｘiｎｇ-ｍiｎ１， ＣＨＥＮ Ｊｕｎ-ｗｅi１ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｗｕｈａｎ ４３００８１， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｈｕｂｅｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｅ， Ｗｕｈａｎ ４３００８１， Ｈｕｂｅｉ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ iｎ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔiｏｎ ｏｆ ｅｘｐａｎｓiｖｅ ｇｒｏｕｔiｎｇ ｍａｔｅｒiａｌｓ ｆｏｒ ｐｒｏｖiｄiｎｇ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ｆｏｒｃｅ ｄｕｒiｎｇ ｔｈｅ ｂｏｎｄiｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｕｒｒｏｕｎｄiｎｇ ｒｏｃｋｓ， ａｎ ｅｘｐｅｒiｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｐａｒａｔiｏｎ ｏｆ ａｎ ｅｘｐａｎｓiｖｅ ｓｌｕｒｒｙ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｗiｔｈ ｓｔａｔiｃ ｃｒａｃｋiｎｇ ａｇｅｎｔ ａｓ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ｓｏｕｒｃｅ， ａｎｄ ｃｅｍｅｎｔ ａｓ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔiｎｇ ａｇｅｎｔ， ｆｏｒ ｅｘｐｌｏｒiｎｇ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒiｓｔiｃｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎiｃａｌ ｆａiｌｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒiｓｔiｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓiｖｅ ｓｌｕｒｒｙ ｗiｔｈ ｄiｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ａｇｅｎｔ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｌｕｒｒｙ ｏｆ ｓｔａｔiｃ ｃｒａｃｋiｎｇ ａｇｅｎｔ ａｎｄ ｃｅｍｅｎｔ ｅｘｐｅｒiｅｎｃｅｓ ｆｏｕｒ ｓｔａｇｅｓ ｓｌｏｗ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ｂｅｆｏｒｅ ｆiｎａｌ ｓｅｔｔiｎｇ， ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ａｆｔｅｒ ｆiｎａｌ ｓｅｔｔiｎｇ， ｄｅｃｅｌｅｒａｔｅｄ ｅｘｐａｎｓiｏｎ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｓｔａｂiｌiｚａｔiｏｎ． Ｂｙ ａｄｄiｎｇ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ａｇｅｎｔ ａｔ ａｎ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ３％， ６％ ａｎｄ ９％， ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｓａｍｐｌｅ ｒｅａｃｈiｎｇ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｓｔａｇｅ iｓ ２．７６％， ８．９２％ ａｎｄ １３．５７％， ｒｅｓｐｅｃｔiｖｅｌｙ， ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓiｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｃｏｎｔiｎｕｅｓ ｔｏ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｗiｔｈ ｔｈｅ iｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｄiｔiｏｎ ｏｆ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ａｇｅｎｔ． Ｔｈｅ ｆａiｌｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒiｓｔiｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｓａｍｐｌｅ ａｒｅ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ ａｓ ｔｈｅ ａｄｄiｔiｏｎ ｏｆ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ａｇｅｎｔ iｎｃｒｅａｓｅｓ， ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ iｓ ｇｒａｄｕａｌｌｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｄ ｆｒｏｍ ｔｅｎｓiｌｅ ｆａiｌｕｒｅ ｔｏ ｓｈｅａｒ ｆａiｌｕｒｅ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｏ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔiｏｎ ｆａiｌｕｒｅ； ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ａｆｔｅｒ iｔｓｅｌｆ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ｔｕｒｎｓ ｆｒｏｍ ｂｒiｔｔｌｅ ｔｏ ｄｕｃｔiｌｅ； ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｌｅａｄｓ ｔｏ ｔｈｅ ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ ｃｒａｃｋｓ； ｔｈｅ ｒｅｌａｔiｏｎｓｈiｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｕｎiａｘiａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓiｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｖｏｌｕｍｅ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ｒａｔiｏ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｄｅｄ ｓａｍｐｌｅ iｓ ｏｂｔａiｎｅｄ ｂｙ ｆiｔｔiｎｇ ｔｈｅ ＤｏｓｅＲｅｓｐ ｆｕｎｃｔiｏｎｓ， ｓｈｏｗiｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｕｎiａｘiａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓiｖｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓiｖｅ ｓｌｕｒｒｙ ｆiｒｓｔｌｙ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｎ iｎｃｒｅａｓｅｓ ｂｅｆｏｒｅ ａ ｆｕｒｔｈｅｒ ｄｅｃｒｅａｓｅ， ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ iｎｃｒｅａｓｅｄ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ｒａｔｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｅｘｐａｎｓiｖｅ ｓｌｕｒｒｙ iｓ ｏｆ ｓiｇｎiｆiｃａｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｅｎｇiｎｅｅｒiｎｇ ａｐｐｌiｃａｔiｏｎ ｏｆ ｇｒｏｕｔiｎｇ ｅｘｐａｎｓiｖｅ ｓｌｕｒｒｙ iｎｔｏ ｊｏiｎｔ． Ｋｅｙ ｗoｒｄｓ ｇｒｏｕｔiｎｇ ｒｅiｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ； ｊｏiｎｔ； ｅｘｐａｎｓiｖｅ ｓｌｕｒｒｙ； ｓｔａｔiｃ ｃｒａｃｋiｎｇ ａｇｅｎｔ； ｅｘｐａｎｓiｖｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ； ｆａiｌｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒiｓｔiｃｓ； ｐｒｏｐｏｒｔiｏｎiｎｇ ｔｅｓｔ ①收稿日期 ２０２０－０５－２５ 基金项目 国家自然科学基金青年科学基金（５１８０４２２４）；武汉科技大学 ２０１８ 年度研究生创新创业基金项目（ＪＣＸ２０１８５８）；中央引导地方科 技发展专项（２０１９ＺＹＹＤ０６０） 作者简介 李鹏程（１９９３－），男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事采矿工艺及岩层控制研究工作。 通讯作者 姚 囝（１９８７－），男，湖北黄冈人，讲师，博士，硕士研究生导师，主要从事矿山压力与岩层控制研究工作。 第 ４０ 卷第 ６ 期 ２０２０ 年 １２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩCＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０２０ 在长期地质构造作用下，地层岩体内部普遍存在 节理、裂隙，严重影响岩体强度及工程结构整体稳定 性［１］。 目前注浆加固技术在强化巷道支护、改善矿岩 体完整性［２］等方面运用较普遍，特别是对于含节理面 的岩体加固中，通过向弱节理面内注浆，可提高节理面 的摩擦力和黏结力，显著改善含节理岩体的整体强度 及稳定性［３－５］。 现有的节理面注浆加固研究主要集中 在注浆后岩体的宏观力学变化特征［４－９］。 膨胀型浆体注浆技术对原有的普通水泥浆体进行 了改进，借鉴管缝式预应力锚杆在围岩中提供法向约 束应力的支护思想，既利用浆体自身膨胀产生挤压力， 又具备后期浆体的黏结效果，以期通过“先挤后黏”的 加固思路提高含节理面岩体的整体强度。 目前国内膨 胀型浆体的膨胀作用主要用来弥补水泥自身的干缩 性，然而对产生强膨胀力、高膨胀性能的浆体研究较 少。 静态破碎剂（ＨＳＣＡ）水化后体积增大 １～２ 倍，并 产生较强的膨胀应力，广泛应用于岩石破碎、混凝土构 筑物拆除等领域［１０－１１］，可作为膨胀型浆体注浆技术的 首选膨胀源，为节理面岩体提供挤压力。 鉴于此，本文尝试将普通硅酸盐水泥与静态破碎 剂混合，开展膨胀型浆体配比试验，探究不同配比下浆 体的膨胀性能及膨胀后的胶结体力学强度与破坏特 征，分析体积膨胀率与力学强度之间的关系，为节理面 膨胀浆体注浆加固技术的推进与实施提供参考。 １ 试 验 １．１ 试验原料 试验所用原料包括华新牌 ４２．５＃硅酸盐水泥、 ＨＳＣＡ－Ⅱ型静态破碎剂、速凝剂，通过 Ｘ 射线荧光光 谱分析仪分析了不同原材料的化学组成，结果见表 １。 表 １ 浆体材料主要化学组成（质量分数） ／ ％ 材料ＣａＯＳiＯ２ＳＯ３Ｆｅ２Ｏ３Ａｌ２Ｏ３ＭｇＯＫ２ＯＴiＯ２Ｎａ２Ｏ ４２．５＃水泥４４．００ ３０．１２２．０５２．０５１１．６６４．７４１．０７０．２９１．７３ 静态破碎剂８７．１２４．４７０．０４２．７６２．７８０．７５０．０６０．０９０．２１ 速凝剂２４．０９ １９．６５４．６１１．６５１６．００ １１．１３０．７２０．３５１２．５７ 从表 １ 可知，静态破碎剂是以 ＣａＯ 为主要成分的 膨胀材料，其膨胀的基本原理为 ＣａＯ 与水反应生成 Ｃａ（ＯＨ）２晶体，研究表明生成的 Ｃａ（ＯＨ）２固相体积 要比 ＣａＯ 固相体积增大 ９７％左右［１２］，化学反应式为 ＣａＯ ＋ Ｈ２Ｏ→ Ｃａ（ＯＨ）２＋ ６４．９ ｋＪ（１） １．２ 浆体配比方案 浆体的水灰比一般在 ０．６ ～ １．０ 之间。 水灰比过 大，浆体离析现象严重，不能达到体积膨胀的效果；水 灰比过小，浆体流动性差，充填作用不明显。 经过多次 探索性试验发现，当水灰比为 ０．７ 时，浆体能兼顾膨胀 与强流动性两种特征。 膨胀剂掺量直接影响到浆体的 膨胀效果，将膨胀剂含量设为 ０％、３％、６％、９％等 ４ 个 水平，研究不同膨胀剂掺量下浆体的膨胀特征。 此外 加入少量的速凝剂和消泡剂分别提高水泥的胶结速度 及减少浆体内部因搅拌产生的气泡，试验在标准室温 ２０ ℃条件下进行。 拌合水采用清洁的 ２０ ℃ 自来水， 配比方案见表 ２。 表 ２ 净浆配比 试样 编号 水灰 比 膨胀剂含量 ／ ％ 速凝剂含量 ／ ％ 消泡剂含量 ／ ％ １＃０．７００．２５０．１～０．２ ２＃０．７３０．２５０．１～０．２ ３＃０．７６０．２５０．１～０．２ ４＃０．７９０．２５０．１～０．２ 注 表中百分数含量均以水泥与水质量之和为基数。 １．３ 试样制备及数据监测 １．３．１ 试样制备 按表 ２ 所示配比，称取一定量的水泥、静态破碎剂 （ＨＳＣＡ）、速凝剂、水和消泡剂混合，并采用 ＮＪ－１６０ 水 泥净浆搅拌机充分搅拌 １５ ｍiｎ。 将搅拌好的浆体倒入 标准圆形模具中，放入恒温恒湿养护箱中养护，经初凝 终凝试验结果得知，水泥浆体一般在 ８ ｈ 后即达到终 凝，待浆体达到终凝成型时脱模。 １．３．２ 体积膨胀率监测 测量凝固后胶结体的直径 Ｄ 与高度 ｈ，根据式 （２）计算胶结体膨胀后体积比 Ｖ Ｖ ＝ πＤ２ｈ ４ （２） 试样的体积膨胀率 φ 为 φ ＝ Ｖ － Ｖ０ Ｖ０ １００％（３） 式中 Ｖ０为试样初始体积，这里统一按直径 Ｄ０＝５０ ｍｍ、高 度 ｈ０＝１００ ｍｍ 的模具尺寸计算，即 Ｖ０＝１９６２５０ ｍｍ３。 ２ 膨胀特性分析 从试样成型脱模后每隔一定时间段监测试样的体 积变化，待后期体积变化不明显时延长监测间隔时间， 不同膨胀剂掺量下试样在 ３ ｄ 内的体积膨胀率试验结 果见图 １。 ９第 ６ 期李鹏程等 膨胀型浆体膨胀性能及力学破坏特征试验研究 时间／h 15.0 12.5 10.0 7.5 5.0 2.5 0 -2.5 2080406080 体积膨胀率／                   膨胀剂含量0 膨胀剂含量3 膨胀剂含量6 膨胀剂含量9   C3 D3 D2 C2 D1 C1 B1 B2 A B3 终凝 图 １ 不同配比下试样体积膨胀率随时间变化特征 由图 １ 可知，不同配比下静态破碎剂类浆体膨胀试 样体积的膨胀趋势大致相同，可分为以下 ４ 个阶段 １） 终凝前缓慢膨胀阶段（ＡＢ 段）。 该阶段试样 处于半固体状态，整个试样在圆柱形模具内发生了水 的离析。 当膨胀体积小于离析水体积时，试样会出现 体积减小的现象，因此试样在浇注后的某一时间段内 体积膨胀缓慢，其主要原因是静态破碎剂与水、水泥接 触时间不长，内部水化温度低，导致游离的 ＣａＯ 分子 与水反应缓慢。 该阶段持续时间较短，一般在试样浇 注后 ８ ｈ 内完成，此阶段结束后膨胀率分别为 ０．８７７％、 １．３３４％和 ２．２５７％，分别达到最终膨胀率的 ３１．７％、１４．９％ 和１６．６％。 ２） 终凝后加速膨胀阶段（ＢＣ 段）。 上一阶段产 生的水化反应热促使试样内部温度升高，游离的 ＣａＯ 分子与水反应速度加快，此时试样可塑性强，对试样体 积的膨胀束缚能力小，因此宏观表现为试样体积加速 膨胀。 该阶段的持续时间随膨胀剂掺量增加而增加， 一般在浇注后 ８～１６ ｈ 内膨胀效果最明显，此阶段结 束后膨胀率分别为 １．９３２％、７．４７６％和 １１．３５４％，分别 达到最终膨胀体积的 ７５．９％、８３．７％和 ８３．８％。 ３） 减速膨胀阶段（ＣＤ 段）。 该阶段试样水及游 离的 ＣａＯ 分子含量减少，水化反应速度降低，而且此 时的水泥胶结剂已凝固，延展性差，抑制了 Ｃａ（ＯＨ）２ 晶体在体内生长，使试样体积膨胀速度逐渐减小。 部 分试样因为自身失去了延展性，继续反应导致其表面 出现膨胀裂纹。 该阶段的持续时间随膨胀剂掺量增加 而增加，如图 １ 所示，膨胀剂掺量 ３％、６％和 ９％的试样 缓慢膨胀阶段持续时间分别为 ４ ｈ、８ ｈ 和 １６ ｈ。 ４） 稳定阶段（Ｄ 以后）。 该阶段试样内部游离的 ＣａＯ 分子几乎反应完全，试样体积基本保持不变，处于 稳定状态。 膨胀剂掺量３％、６％和９％时试样的最终平 均体积膨胀率分别为 ２．７６％、８．９２％和 １３．５７％。 ３ 力学强度及破坏特征分析 ３．１ 不同膨胀剂掺量应力应变曲线分析 采用 ＷＤＷ-１００ｋＮ 型单轴压缩机测试试样 ７ ｄ 时 的力学强度，结果见图 ２。 应变／10-4 18 15 12 9 6 3 0 01234 应力／MPa C1 C2 C4 E4 E3 E2 E1 B1 A B3 B4 D117.74 MPa D215.26 MPa 弹性阶段显著 1 2 3 4 B2 D44.37 MPa C3 D39.44 MPa 图 ２ 不同配比下试样单轴压缩全应力-应变曲线 单轴压缩全应力应变曲线可分为压密阶段、弹性 阶段、屈服阶段、峰值破坏和峰后阶段等 ５ 个阶段 １） 压密阶段（ＡＢ 段）。 由图 ２ 可知，１＃～４＃试样 压密阶段的应变区间逐渐增大，且在压密阶段结束时， 其应力值依次减小。 因此随着膨胀剂掺量增加，试样 因膨胀而滋生的裂纹增多，试样裂隙闭合持续时间也 越久。 ２） 弹性阶段（ＢＣ 段）。 膨胀剂掺量对胶结体线 弹性阶段表现特征影响较大。 纯水泥试样（１＃）表现 出明显的线弹性，且持续时间相对较长，说明纯水泥试 样具有较强的脆性；随着膨胀剂掺量增加，线弹性阶段 逐渐变短，弹性模量逐渐减小，１＃～４＃试样的弹性模量 分别为 １ ６２９．３１ ＭＰａ、１ ３５８．５７ ＭＰａ、６５４．３７ ＭＰａ 和 ４３４．２９ ＭＰａ，其中 ４＃试样的线弹性阶段（Ｂ４Ｄ４）应力应 变线性关系较差，说明 ４＃试样延性较强。 ３） 屈服阶段（ＣＤ 段）。 从图 ２ 可以看出，随着膨 胀剂掺量增加，屈服阶段逐渐变长，试样由脆性向延性 转变。 ４） 峰值破坏（Ｄ 点）。 １＃～４＃试样破坏时的最大应 力值分别为 １７．７４ ＭＰａ、１５．２６ ＭＰａ、９．４４ ＭＰａ 和 ４．３７ ＭＰａ，２＃、３＃、４＃试样体积膨胀后的力学强度分别为纯水 泥试样强度的 ８６．０２％、５３．２１％和 ２４．６３％，说明试样体 积膨胀削弱了试样力学强度。 ５） 峰后残余强度（ＤＥ 段）。 膨胀剂掺量越大，试 样破坏后的残余强度越小。 综上所述，从细观角度出发，膨胀剂的加入使得试 样体积增加，内部滋生了许多微裂纹，改变了试样的内 部结构，在轴向荷载条件下表现出不同的全应力应变 ０１矿 冶 工 程第 ４０ 卷 曲线，伴随着弹性模量、极限抗压强度及峰后残余强度 削弱。 ３．２ 试样单轴压缩破坏特征分析 不同配比下试样单轴压缩典型破坏特征见图 ３。 从图 ３ 可知，１＃试样与 ２＃试样在轴向应力作用下表面 出现①号拉伸主裂纹，方向大致与轴向平行，且上端面 出现了片裂现象②，这表明膨胀剂掺量在 ３％以下时 胶结体试样脆性较强。 当膨胀剂掺量增至 ６％时，３＃试 样表面有较多的膨胀裂纹，受到轴向应力作用后，沿某 一倾斜面的膨胀裂纹发育贯通，最终致使试样发生单 斜面剪切破坏，且与剪切主裂纹①相连的原生膨胀裂 纹受到拉伸破坏。 当膨胀剂掺量继续增至 ９％时，４＃试 样表面膨胀裂纹明显增多，在轴向应力作用下，原生膨 胀裂纹发生扩展，甚至有小块掉落，试样中间因泊松效 应出现了明显的横向膨胀，上、下端面因端面效应被束 缚，最终变成“中间粗、两头细”的形状，故定义为碎胀 型破坏。 图 ３ 不同配比下试样单轴压缩典型破坏特征 Ｔ 拉伸破坏裂纹； Ｓ 剪切破坏裂纹 综上可知，随着膨胀剂掺量增加，胶结体试样的破 坏特征由拉伸破坏逐渐向剪切破坏转变，最终因膨胀 裂纹过多出现碎胀破坏。 ４ 力学强度与体积膨胀率关系探讨 研究分析表明，试样体积的膨胀和力学性质的削 弱都是由膨胀裂隙的滋生导致的，换言之，试样的体积 膨胀率与物理力学性质存在内部联系。 从试样内部的 化学反应分析，膨胀浆体内部存在两种水化反应，一种 是由水泥熟料中的 Ｃ２Ｓ、Ｃ３Ａ、Ｃ４ＡＦ 等成分反应后构成 钙矾石网状结晶骨架，另一种是静态破碎剂的水化反 应生成体积增长的 Ｃａ（ＯＨ）２晶体，致使钙矾石网状骨 架因体积膨胀而破坏，内部结构紧密性变弱，空隙增 大，宏观表现为体积增长，试样力学强度遭到削弱，力 学性质由脆性向延性转变。 为了进一步探究试样的体积膨胀率与力学强度之 间的关系，通过单轴压缩测试膨胀剂掺量分别为 １％、 ２％、４％、５％、７％、８％时的试样力学强度，并按 ＤｏｓｅＲｅｓｐ 函数拟合力学强度与膨胀率之间的关系，结果如图 ４ 所示。 膨胀率／ 18 16 14 12 10 8 6 4 0-22468101214 强度／MPa 测试值 DoseResp函数拟合 图 ４ 单轴压缩强度与膨胀率之间的关系曲线 由图 ４ 可知，ＤｏｓｅＲｅｓｐ 函数的拟合效果较好，由 此可得到膨胀型试样单轴压缩强度 σｃ与体积膨胀率 φ 之间的关系为 σｃ＝ ２．０５ ＋ １６．６３ １ ＋ １０ －０．１５（７．９－φ）， Ｒ ２ ＝ ０．９９６（４） 由图 ４ 可以看出，膨胀型浆体的力学性质与膨胀 率呈负相关，力学强度的削弱刚开始受膨胀率增加影 响较小，随后影响变大再变小。 一般地，保证水灰比及 龄期相同，在已知试样的体积膨胀率下，可通过式（４） 预测试样的力学强度。 ５ 结 论 针对静态破碎剂-水泥新型膨胀型浆体的膨胀性 能、膨胀后试样的力学性质与破坏特征、试样体积膨胀 率与力学强度关系等 ３ 个方面展开试验研究，得到以 下结论 １） 膨胀型浆体膨胀特征呈现 ４ 个阶段终凝前缓 慢膨胀阶段、终凝后加速膨胀阶段、减速膨胀阶段和稳 定阶段。 体积膨胀一般在 ２４ ｈ 内完成。 膨胀剂掺量 分别为 ３％、６％和 ９％时，试样达到稳定阶段时的平均 体积膨胀率分别为 ２．７６％、８．９２％和 １３．５７％。 ２） 随着膨胀剂掺量增加，试样抗压强度不断降 低。 膨胀剂掺量分别为 ３％、６％、９％时，膨胀后胶结体 力学强度分别为 １５．２６ ＭＰａ、９．４４ ＭＰａ 和 ４．３７ ＭＰａ，仅 为纯水泥试样强度的 ８６．０２％、５３．２１％和 ２４．６３％。 随 着膨胀剂掺量增加，试样由弹性向塑性转换，其破坏形 式由拉伸破坏为主转变为剪切破坏为主，最后转变为 碎胀破坏。 ３） 通过 ＤｏｓｅＲｅｓｐ 函数拟合得到膨胀后试样的单 １１第 ６ 期李鹏程等 膨胀型浆体膨胀性能及力学破坏特征试验研究 轴抗压强度与体积膨胀率的关系，研究结果可为静态 破碎剂-水泥复合材料浆体节理面注浆技术的工程应 用奠定基础。 参考文献 ［１］ 刘泉声，雷广峰，卢超波，等． 注浆加固对岩体裂隙力学性质影响的 试验研究［Ｊ］． 岩石力学与工程学报， ２０１７，３６（Ｓ１）３１４０－３１４７． ［２］ 李衡锋，罗周全，张旭阳，等． 金属矿垮塌区内注浆加固效果检测 与评价［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１９，３９（５）２２－２６． ［３］ 崔 凯，冯 飞，谌文武，等． 生石灰为掺料的土遗址裂隙注浆浆 液结石体力学兼容性研究［Ｊ］． 岩土力学， ２０１９（１２）１－１０． ［４］ 王 刚，袁 康，蒋宇静，等． 剪切荷载下岩体结构面-浆体-锚杆 相互作用机理宏细观研究［Ｊ］． 中南大学学报（自然科学版）， ２０１５，４６（６）２２０７－２２１５． ［５］ 商海星，陆海军，李继祥，等． 裂隙岩体注浆结石体收缩变形与抗 剪强度［Ｊ］． 科学技术与工程， ２０１６，１６（３６）２３１－２３５． ［６］ ＭＡ Ｈａｏ， ＬＩＵ Ｑｕａｎｓｈｅｎｇ． Ｐｒｅｄiｃｔiｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｓｈｅａｒ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ａｎｄ ｍｕｄｓｔｏｎｅ ｊｏiｎｔｓ iｎｆiｌｌｅｄ ｗiｔｈ ｈiｇｈ ｗａｔｅｒ-ｃｅｍｅｎｔ ｒａｔiｏ ｇｒｏｕｔｓ［Ｊ］． Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎiｃｓ ａｎｄ Ｒｏｃｋ Ｅｎｇiｎｅｅｒiｎｇ， ２０１７，５０（８） ２０２１－２０３７． ［７］ 刘泉声，周越识，卢超波，等． 含裂隙泥岩注浆前后力学特性试验 研究［Ｊ］． 采矿与安全工程学报， ２０１６，３３（３）５０９－５１４． ［８］ 许万忠，林 杭，曹日红． 充填粗糙节理直剪数值模拟宏细观分析［Ｊ］． 西南交通大学学报， ２０１８，５３（３）５４８－５５７． ［９］ 王 志，李 龙，王朝雅． 含裂隙类岩石注浆加固后破坏试验研究［Ｊ］． 中南大学学报（自然科学版）， ２０１８，４９（４）９５７－９６３． ［１０］ ＸＵ Ｊiｚｈａｏ， ＺＨＡＩ Ｃｈｅｎｇ， Ｐａｔｈｅｇａｍａ Ｇ Ｒ， ｅｔ ａｌ． Ｉｎｖｅｓｔiｇａｔiｏｎ ｏｆ ｎｏｎ-ｅｘｐｌｏｓiｖｅ ｅｘｐａｎｓiｏｎ ｍａｔｅｒiａｌ iｎ ｒｏｏｆ ｃａｖiｎｇ ｆiｅｌｄ ａｐｐｌiｃａｔiｏｎ［Ｊ］． 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卷