纳米添加剂对浆液结石体力学特性影响

孙小康， 王 威， 任秀丽， 赵 妗， 许信出， 张永斌， 王俊强， 王 玮， 崔珈铭

(南阳理工学院土木工程学院 河南 南阳 473004)

随着隧道地铁交通工程、大型大坝硐室水利工程、石油矿业工程等地下空间的建设发展和我国大型工程技术水平的进步，项目建设过程中遇到的工程地质问题越来越多，例如，地下涌水突水地质灾害发生频繁[1-3]。大型工程项目不断向高地应力、高水压力和复杂地质环境区域发展，而大型工程项目面临的工程地质灾害，例如隧道的塌方、大变形、突水、涌水灾害不仅对施工现场工作人员的人身安全造成巨大威胁，也极大地增加了工程项目的建设成本与运营费用。

注浆技术不仅可以改善围岩的力学性能，提高围岩自身的稳定性，同时可以有效降低围岩的渗透性能，可以有效地控制隧道(巷道、硐室)塌方、围岩大变形、突水涌水灾害等工程地质灾害[4-6]。且注浆具有施工工艺简单，施工作业空间要求较小，参数可以随时调整，施工成本低等优点。随着纳米技术的发展，纳米技术在水泥领域的应用越来越广泛，尤其是通过纳米技术和纳米材料对水泥基材料的改性研究取得了丰硕的成果[7-9]。但目前针对纳米改性水泥基注浆材料的注浆加固效果研究还不完善，特别是对纳米改性注浆材料结石体的力学性能研究较少。因此，本论文通过开展水泥基浆液结石体单轴压缩试验，分析了不同纳米添加剂及其含量对水泥基浆液结石体力学特性的影响，论文的研究成果揭示了纳米注浆材料对结石体力学特性的影响，不仅对纳米改性注浆材料的研究具有重要的理论意义，同时也为纳米注浆技术在工程中的应用提供参考。

1.1 试验原材料及主要仪器

本次试验所用主要原材料为：普通425水泥、纳米二氧化硅、纳米碳酸钙。主要试验仪器为DRTB-4000型电液伺服岩石真三轴试验机，本系统适用于软岩、中硬岩和硬岩的单压、双压和三向受压力学试验，试样尺寸100 mm×100 mm×100 mm，最高应力状态400 MPa。

1.2 试验方案

(1)在水灰比为0.5的条件下，使用普通硅酸盐水泥制作结石体试样，测试普通水泥结石体的单轴抗压强度，并分析其力学特性。

(2)在水灰比为0.5的条件下，在普通硅酸盐水泥中加入相同含量(3%)的纳米二氧化硅和纳米碳酸钙，制作结石体试样，测试纳米注浆材料结石体的单轴抗压强度，并对比分析其力学特性。

(3)在水灰比为0.5的条件下，在普通硅酸盐水泥中加入不同含量的纳米二氧化硅(0.5%、1%、2%、3%、4%)和纳米碳酸钙(3%、6%、9%、12%、15%)，制作结石体试样，测试纳米注浆材料结石体的单轴抗压强度，并对比分析其力学特性。

注浆材料结石体配比如表1所示。

表1 注浆材料结石体配比

2.1 纳米添加剂对浆液结石体力学特性的影响

2.1.1 应力-应变曲线分析

通过对试验数据的整理，绘制了加入相同含量(3%)纳米材料结石体单轴压缩应力-应变曲线，从图1中可知，应力-应变曲线分为4个阶段。

(1)微裂隙压密阶段

结石体在加载初期阶段，曲线为非线性上凹状，这是因为试样中存在一定数量的孔隙、微裂隙等缺陷，在轴向应力作用下部分孔隙或微裂纹被逐渐压密实，使曲线逐渐呈现上凹状。

图1 结石体应力-应变曲线

(2)弹性变形阶段

经过压密阶段后，结石体孔隙和微裂隙闭合，结石体内压应力传递由不连续状态进入连续状态，此阶段岩体的变形呈现弹性变形特征。

(3)塑性变形阶段

当轴向应力加载到一定阶段后，试样开始产生塑性变形，该阶段内结石体内逐渐产生新的微孔隙和微裂隙，一些原有微孔隙和微裂隙也开始扩展、连通，应力-应变曲线的形状为向下弯曲的下凹型。

(4)破坏阶段

随着轴向应力的增加，越来越多的微裂隙和微裂纹扩展、连通，并逐渐形成宏观裂隙，结石体失去承载能力破坏，试样到达峰值应力，有时宏观裂隙的形成会有多个阶段，导致应力-应变曲线表现为多次“台阶”状的下降，结石体试样有一定的承载能力，应力并不是直接下降为零，具有明显的峰后残余强度。

表2 相同含量纳米添加剂结石体力学参数

2.1.2 强度特征分析

从表2可知，添加3%纳米二氧化硅后结石体的峰值强度提高了6.19 MPa，试验数据表明纳米二氧化硅的添加使结石体试样强度提高，添加含量为3%碳酸钙后结石体的峰值强度降低了2.44 MPa，这与其他人的试验结果不相符[10-12]，分析原因发现，加入纳米添加剂后，结石体的孔隙增多，导致结石体强度降低。选择对应力-应变曲线中弹性变形阶段的数据计算结石体的弹性模量，由表2可知，添加纳米二氧化硅的结石体弹性模量为1.77 GPa，比普通浆液结石体增加了29.2%，纳米碳酸钙的弹性模量为1.47 GPa，比普通浆液结石体增加了7.3%。由此可知，与nano-CaCO3相比，nano-SiO2对浆液结石体力学特性的改善效果更好。

2.2 纳米添加剂含量对浆液结石体力学特性的影响

2.2.1 纳米二氧化硅含量对浆液结石体力学特性的影响

由表3可知，添加0.5%的纳米二氧化硅后，注浆材料结石体的峰值强度降低2.40 MPa；
添加1%的纳米二氧化硅后，注浆材料结石体的峰值强度提高了1.60 MPa；
添加2%的纳米二氧化硅后，注浆材料结石体的峰值强度为提高了2.85 MPa；
添加3%的纳米二氧化硅后，注浆材料结石体的峰值强度提高了6.19 MPa，达到历次试验强度最高值，为后续纳米添加剂的含量提供了参考；
添加4%的纳米二氧化硅后，注浆材料结石体的峰值强度降低了0.88 MPa。试验数据表明随着纳米二氧化硅含量的增加，浆液结石体强度先升高后降低。

选择对应力-应变曲线中弹性变形阶段的数据计算结石体的弹性模量，由表3可知，随着纳米二氧化硅含量(0.5%、1%、2%、3%、4%)增加，浆液结石体弹性模量依次为1.48 GPa、1.58 GPa、1.65 GPa、1.77 GPa、1.52 GPa，结石体弹性模量与纳米二氧化硅含量呈正相关。

表3 加入不同比例纳米SiO2的结石体力学参数

2.2.2 纳米碳酸钙含量对浆液结石体力学特性的影响

从表4可知，添加3%的纳米碳酸钙后，注浆材料结石体的峰值强度降低了2.44 MPa；
添加6%的纳米碳酸钙后，注浆材料结石体的峰值强度降低了2.90 MPa；
添加9%的纳米碳酸钙后，注浆材料结石体的峰值强度降低了3.42 MPa；
添加12%的纳米碳酸钙后，注浆材料结石体的峰值强度降低了3.45 MPa；
添加15%的纳米碳酸钙后，注浆材料结石体的峰值强度降低了3.56 MPa；
试验数据表明随着纳米碳酸钙含量的增加，浆液结石体强度越来越低。

选择对应力-应变曲线中弹性变形阶段的数据计算结石体的弹性模量，从表4可知，随着纳米碳酸钙含量(3%、6%、9%、12%、15%)增加，浆液结石体弹性模量依次为1.47 GPa、1.44 GPa、1.34 GPa、1.29 GPa、1.26 GPa，即随着纳米碳酸钙含量增加，浆液结石体弹性模量逐渐降低。

表4 加入不同比例纳米CaCO3的结石体试样力学参数

通过超景深显微镜观测纳米浆液结石体表面，并统计对应孔隙数量(如图2)。圆点的数量越来越多，代表着结石体表面孔隙越多。通过试验结果分析得到，随着纳米添加剂含量的增加，注浆材料结石体的气泡越来越多。这表明在试样制作过程中，有部分气泡残留在结石体试样中，并形成缺陷，在进行结石体单轴压缩试验时，孔隙周边形成应力集中，降低了注浆材料结石体的强度。

对于nano-SiO2来说，由于其对浆液结石体力学特性的改善效果更加明显，因此当nano-SiO2含量较少时(含量小于等于3%)，孔隙等缺陷对结石体强度的弱化作用小于nano-SiO2对其力学特性的改善作用，浆液结石体强度明显高于普通水泥浆液结石体强度，并随nano-SiO2含量增加而增加；
但nano-CaCO3对浆液结石体力学特性的改善效果较弱，因此孔隙等缺陷对结石体强度的弱化作用强于nano-CaCO3对其力学特性的改善效果，因此浆液结石体强度小于普通水泥浆液结石体，且随着nano-CaCO3含量的增加结石体强度逐渐降低(如图3)。

图2 1%纳米SiO2结石体孔隙测试结果

图3 不同纳米添加剂含量的结石体表面孔隙面积

注浆技术在工程中应用十分广泛，纳米注浆材料在注浆工程中的应用也越来越广泛，因此通过利用电液伺服岩石真三轴试验机，开展了不同纳米添加剂浆液结石体单轴压缩试验，分析了纳米添加剂类型及含量对浆液结石体的力学特性，对试验数据进行了整理，得到了具体结论如下：

(1)开展了纳米注浆材料结石体单轴压缩试验，研究了结石体力学特性，分析了结石体的应力-应变曲线、单轴抗压强度、变形特性、破坏特征。结果表明：与nano-CaCO3相比，nano-SiO2对浆液结石体力学特性的改善效果更好。随着纳米二氧化硅含量的增加，结石体强和弹性模量度先升高后降低；
随着纳米碳酸钙的含量增加，结石体的强度和弹性模量越来越低。

(2)利用超景深显微系统对所有结石体试样进行了孔隙测试，根据试验结果分析发现，普通水泥结石体的孔隙最少，随着纳米添加剂含量的增加，结石体内的孔隙也越来越多，这也是添加纳米添加剂后浆液结石体的力学特性降低的主要原因。