高貝利特硫鋁酸鹽水泥基注漿材料力學(xué)性能研究

呂春岐，吳奇帥，馬 煒，牛世偉，韓鵬舉

(太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院,山西 太原 030024)

0 前 言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，“碳達(dá)峰”和“碳中和”目標(biāo)相繼提出，高污染的水泥行業(yè)綠色化受到廣泛重視。對(duì)需求量日益增加的注漿工程而言，普遍使用的高能耗水泥注漿材料勢(shì)必會(huì)被綠色環(huán)保的注漿材料替代[1]，其中高貝利特硫鋁酸鹽水泥注漿材料便是未來注漿材料發(fā)展的趨勢(shì)之一。高貝利特硫鋁酸鹽水泥利用低品位生料和工業(yè)廢渣燒制，降低了其生產(chǎn)成本，燒制溫度較低，可節(jié)約能源，減少CO2的排放量。

隨著工程中遇到的地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，對(duì)注漿材料性能的要求逐步提高，而目前高貝利特硫鋁酸鹽水泥注漿材料尚不能依據(jù)不同工況對(duì)其性能進(jìn)行調(diào)節(jié)，所以其在工程中的適用范圍受限。因此，高貝利特硫鋁酸鹽水泥注漿材料的研究和應(yīng)用轉(zhuǎn)向復(fù)合化，包括各系列水泥-輔助性膠凝材料復(fù)合和各系列水泥之間的相互復(fù)合[1]。一方面，隨著礦渣、粉煤灰等輔助性膠凝材料優(yōu)質(zhì)資源越來越少，其應(yīng)用成本不斷升高，在工程中大量使用受到一定限制。而煤系偏高嶺土具有很高的火山灰活性，可與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次水化反應(yīng)，是一種高性能的輔助性膠凝材料。研究表明[3]，將煤系偏高嶺土應(yīng)用于混凝土和水泥土中，可改善其孔結(jié)構(gòu)、抗壓強(qiáng)度等宏觀特性。另一方面，高貝利特硫鋁酸鹽水泥暫時(shí)難以完全取代硅酸鹽系列水泥，二者將長(zhǎng)期共存。因此，將普通硅酸鹽水泥應(yīng)用到高貝利特硫鋁酸鹽水泥基注漿材料中，可進(jìn)一步降低成本。為此，本文針對(duì)高貝利特硫鋁酸鹽水泥注漿材料復(fù)合化的問題，以高貝利特硫鋁酸鹽水泥為基體材料，同時(shí)引入普通硅酸鹽水泥和煤系偏高嶺土組成高貝利特硫鋁酸鹽水泥基注漿材料，從宏觀力學(xué)性能的角度對(duì)復(fù)合注漿材料的性能進(jìn)行研究，為復(fù)合注漿材料的推廣應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

高貝利特硫鋁酸鹽水泥(HBSC)：唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)，強(qiáng)度等級(jí)為42.5，粒徑主要分布在2～15 μm，平均粒徑為9.96 μm。普通硅酸鹽水泥(OPC)：太原獅頭水泥股份有限公司生產(chǎn)，強(qiáng)度等級(jí)為42.5，粒徑主要分布為5～20 μm，平均粒徑為14.85 μm。水泥的粒徑分布如圖1所示，化學(xué)成分組成如表1所示。

圖1 水泥的粒徑分布

表1 水泥的化學(xué)成分組成 %

煤系偏高嶺土(CMK)：山西琚豐高嶺土有限公司生產(chǎn)，CMK的化學(xué)成分組成采用X射線熒光分析進(jìn)行測(cè)試，如表2所示。從表2中可以看出，SiO2和Al2O3是CMK的主要化學(xué)成分，二者含量占總質(zhì)量的95.66%，且SiO2/Al2O3摩爾比為1.94，接近偏高嶺土的理論摩爾比2.0。

表2 煤系偏高嶺土的化學(xué)成分組成 %

1.2 試驗(yàn)方案

本文共設(shè)計(jì)5組配比，見表3。其中P1、P2、P3構(gòu)成相同煤系偏高嶺土摻量，不同普通硅酸鹽水泥摻量下復(fù)合注漿材料的力學(xué)性能對(duì)比；P3、P4、P5構(gòu)成相同普通硅酸鹽水泥摻量，不同煤系偏高嶺土摻量下復(fù)合注漿材料的力學(xué)性能對(duì)比。試驗(yàn)水灰比均為0.6。

表3 復(fù)合注漿材料配合比 %

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 復(fù)合注漿材料力學(xué)性能分析

2.1.1 復(fù)合注漿材料抗壓強(qiáng)度分析

復(fù)合注漿材料1、7、14和28 d的單軸抗壓強(qiáng)度如圖2～3所示。

(a)P1

(b)P2

(c)P3

(a)P3

(b)P4

(c)P5

普通硅酸鹽水泥的影響：對(duì)比P1～P3可知，三組試件的單軸抗壓強(qiáng)度均隨齡期的增加而增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度存在差異。28 d齡期下P1抗壓強(qiáng)度較7 d增大48%，其早期強(qiáng)度增長(zhǎng)和后期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度都較慢；P2早期強(qiáng)度增長(zhǎng)較慢，但后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，28 d齡期下的抗壓強(qiáng)度相較7 d增大85%，相較14 d增大53.9%；P3在不同齡期下的抗壓強(qiáng)度均為最大值，其中在1 d齡期下的抗壓強(qiáng)度為4.70 MPa，28 d齡期下的抗壓強(qiáng)度相較7 d增大123%。這是因?yàn)椋?dāng)普通硅酸鹽水泥占比較多時(shí)，會(huì)在體系內(nèi)產(chǎn)生大量結(jié)合強(qiáng)度不高的分界面，導(dǎo)致復(fù)合注漿材料強(qiáng)度和增長(zhǎng)速度顯著降低[1]。

煤系偏高嶺土的影響：對(duì)比P3～P5可發(fā)現(xiàn)，三組試件的單軸抗壓強(qiáng)度均隨齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，且強(qiáng)度增長(zhǎng)率相近。1 d齡期下P4和P5的抗壓強(qiáng)度接近，28 d齡期下P3、P4、P5抗壓強(qiáng)度較7 d分別增大124%、144%、134%，較14 d分別增大57.0%、60.3%、72.4%。但在不同齡期下，P3的抗壓強(qiáng)度較P4、P5的大，這表明當(dāng)煤系偏高嶺土占比較小時(shí)，能充分發(fā)揮微集料效應(yīng)，填充材料中的孔隙，從而改善材料的早期強(qiáng)度[4]。

綜上所述，復(fù)合注漿材料的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)普通硅酸鹽水泥或煤系偏高嶺土摻量較小時(shí)，能夠產(chǎn)生很好的協(xié)同效應(yīng)，改善復(fù)合注漿材料的力學(xué)性能。普通硅酸鹽水泥或煤系偏高嶺土的摻量較大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很多強(qiáng)度不高的結(jié)合面，導(dǎo)致力學(xué)性能的降低。

2.1.2 復(fù)合注漿材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

應(yīng)力-應(yīng)變曲線能夠揭示材料的變形特征，是復(fù)合注漿材料在單軸壓縮過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)從連續(xù)到不連續(xù)的發(fā)展階段[1]。為研究不同配比條件下復(fù)合注漿材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，選取P1～P3和P3～P5在不同齡期下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行研究，并由應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算其在不同齡期下的彈性模量和極限應(yīng)變。

1)普通硅酸鹽水泥的影響。對(duì)比P1～P3的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，普通硅酸鹽水泥占比、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)其產(chǎn)生一定的影響。在水化1 d時(shí)，隨著普通硅酸鹽水泥占比的增加，峰值應(yīng)變逐漸增大，材料呈現(xiàn)越來越高的韌性。這是因?yàn)楫?dāng)普通硅酸鹽水泥占比較多時(shí)，沒有足夠的水化產(chǎn)物能夠填充于材料的孔隙之中，材料的孔隙率相對(duì)較大，表現(xiàn)為峰值應(yīng)變較大。在水化7 d時(shí)，三組復(fù)合注漿材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線較1 d的出現(xiàn)了一致性的變化規(guī)律，表現(xiàn)為上升段變陡，即彈性模量增大，峰態(tài)也由平緩逐漸趨向尖峰態(tài)，峰值應(yīng)變減小，材料表現(xiàn)出更強(qiáng)的脆性[5]。7 d齡期下P3的彈性模量較1 d的增大了3.64倍，其峰值應(yīng)變減小了48.4%，并且隨著普通硅酸鹽水泥占比的減小，材料的峰值應(yīng)變逐漸減小，表現(xiàn)出越來越強(qiáng)的脆性，同時(shí)峰值應(yīng)力逐漸增大[5]。水化14～28 d時(shí)，以28 d為例，P2、P3的彈性模量是P1的2.98、4.96倍，P2、P3的峰值應(yīng)變較P1減小6.7%和18.7%。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的逐漸增長(zhǎng)，復(fù)合注漿材料的峰值應(yīng)力逐漸增加，又可發(fā)現(xiàn)三組復(fù)合注漿材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段變化較小，而下降段存在較大差異，普通硅酸鹽水泥占比越小，下降段就越陡峭，表現(xiàn)出更明顯的脆性破壞特征[1]。圖4為不同齡期下材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，表4為復(fù)合注漿材料的彈性模量及峰值應(yīng)變。

(a)1 d

(b)7 d

(c)14 d

(d)28 d

表4 復(fù)合注漿材料的彈性模量及峰值應(yīng)變

2)煤系偏高嶺土的影響。對(duì)比P3～P5的應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，煤系偏高嶺土占比、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)復(fù)合注漿材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線(見圖5)產(chǎn)生一定的影響。在水化1 d時(shí)，隨著煤系偏高嶺土占比減小，復(fù)合注漿材料的峰值應(yīng)變減小，韌性降低，P3、P4的峰值應(yīng)變較試件P5分別減小33.3%和62.4%，同時(shí)曲線的上升段也更陡峭，即彈性模量較大，P3、P4的彈性模量分別為P5的1.80倍和2.88倍。產(chǎn)生這種現(xiàn)象是因?yàn)槊合灯邘X土加速了材料的早期水化，同時(shí)煤系偏高嶺土存在微集料效應(yīng)，填充了材料中的孔隙，兩者協(xié)同作用，使材料的密實(shí)度提高，在受到荷載作用下更不易產(chǎn)生變形[6-7]。在水化7 d時(shí)，三組材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線較1 d的出現(xiàn)相近的變化趨勢(shì)，上升段變得更加陡峭，峰值應(yīng)變減小，表現(xiàn)出更強(qiáng)的脆性，其中P3在7 d時(shí)的峰值應(yīng)變相較1 d時(shí)減小48.4%，7 d時(shí)的彈性模量相較1 d時(shí)增大3.62倍。水化14～28 d時(shí)，材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段繼續(xù)變陡峭，材料的峰值應(yīng)變也繼續(xù)減小，其中P3在14 d時(shí)的峰值應(yīng)變較7 d的減小25%，同時(shí)材料的峰值應(yīng)力逐漸增大，曲線的峰態(tài)逐漸變?yōu)榧夥鍫?，說明材料的破壞由塑性破壞轉(zhuǎn)為脆性破壞[8-9]。隨著煤系偏高嶺土占比逐漸增加，材料的峰值應(yīng)力減小，這是由于煤系偏高嶺土的強(qiáng)度不高，在受到荷載時(shí)，主要是是水泥基體承擔(dān)應(yīng)力；而當(dāng)煤系偏高嶺土過多時(shí)，材料的韌性逐漸減弱，越表現(xiàn)出顯著的脆性破壞特征，這是因?yàn)楫?dāng)煤系偏高嶺土占比較大時(shí)，材料內(nèi)部低結(jié)合度界面過多，在荷載作用下易開裂[10]，而一旦出現(xiàn)裂紋就會(huì)迅速發(fā)展，進(jìn)而表現(xiàn)出脆性破壞[11]。表5為復(fù)合注漿材料的彈性模量及峰值應(yīng)變。

(a)1 d

(b)7 d

(c)14 d

(d)28 d

表5 復(fù)合注漿材料的彈性模量及峰值應(yīng)變

3 結(jié) 論

1)復(fù)合注漿材料的抗壓強(qiáng)度隨齡期的增加而增長(zhǎng)，但不同配比的復(fù)合注漿材料抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度存在差異。

2)當(dāng)普通硅酸鹽水泥或煤系偏高嶺土占比為10%時(shí)，能夠產(chǎn)生很好的協(xié)同效應(yīng)，材料的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較為迅速。

3)由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，復(fù)合注漿材料峰值應(yīng)力逐漸增加，峰值應(yīng)變逐漸減小。當(dāng)普通硅酸鹽水泥或煤系偏高嶺土的占比較小時(shí)，材料峰值應(yīng)力較大，峰值應(yīng)變較小，材料表現(xiàn)出更強(qiáng)的韌性。

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