吳龍驥 吳志軍 翁 磊

(武漢大學土木建筑工程學院，武漢 430072)

隨著我國交通路網(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，對施工安全構成嚴重威脅[3]。注漿技術作為一種高效修復破碎巖體、提高圍巖強度的加固手段，在處理不良地層加固實踐中得到廣泛應用。通過將漿液注入到巖層的裂隙或孔隙中，使?jié){液在固結后將原含有張開裂隙的斷層破碎帶膠結成整體，進而提升巖體的強度[4]。注漿材料作為注漿技術中最關鍵的組成部分，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注漿材料、有機注漿材料以及無機–有機復合注漿材料等3 類。以水泥基為主的無機注漿材料具有來源廣、成本低的優(yōu)點，被廣泛應用于圍巖加固[5-6]。利用純水泥漿液進行注漿加固，張農(nóng)等[7]發(fā)現(xiàn)了注漿固結后巖石的殘余強度增大，且側向變形和徑向變形趨于協(xié)調(diào)，塑性變形性能增大。劉長武等[8]研究發(fā)現(xiàn)加固后的巖石其結構面的內(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，水泥基漿液凝固時間長，漿液結石體后期干縮性大、易開裂，難以達到長期加固巖體的目的。有機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漿液，具有黏度低、凝膠時間易調(diào)節(jié)等優(yōu)點[10-12]，但漿液的制備工藝往往復雜，同時價格昂貴、不環(huán)保，限制了其大規(guī)模應用。鑒于無機注漿材料和有機注漿材料各自的特點，學者們嘗試研發(fā)有機–無機復合注漿材料，其中在聚合物改性水泥基復合材料的研發(fā)方面取得了諸多研究進展。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度和韌性得到了提升[15]。然而，將兩種材料的優(yōu)點結合起來，也帶來了它們固有的缺點。如環(huán)氧樹脂價格昂貴[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用，具有良好的抗?jié)B、抗裂、耐化學腐蝕、耐磨、抗老化和環(huán)保性能[19-20]，同時相較于其他高聚物改性水泥材料，具有成本低、施工工藝簡單等優(yōu)點[21]。這些性能正是注漿材料所需要的，然而在注漿領域，對PLMC 的研究較少。

針對于斷層破碎帶加固，注漿材料的力學性能是至關重要的。為探究PLMC 漿液是否可以作為一種修復破碎巖體的注漿材料，本文首先針對不同配比的注漿材料展開單軸抗壓測試，選出具有最佳力學性能的配比。然后將具有最佳力學性能的PLMC 漿液結石體與實際工程中應用過的注漿材料漿液結石體進行強度對比測試。最后通過低場核磁共振裝置及電鏡掃描對幾種注漿材料的微觀結構進行表征研究。

1 試驗材料和試驗方法

1.1 注漿材料及制備方法

首先制備PLMC 注漿材料，本試驗所用水泥為1000 目超細水泥（pure cement，PC）（D50≤5 μm，D90≤13 μm），購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，購自臨沂市凱奧化工有限公司。根據(jù)工程現(xiàn)場常用的3 種水灰比，以及試驗中常用的5 種聚灰比，進行全面試驗，表1 為PLMC 的配比，其中，W/C為水灰比，P/C為聚灰比。制備時，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 ℃的室溫下進行。

表1 PLMC 試驗配比Table 1 Mix proportions of PLMC

為進一步探究PLMC 注漿材料在實際工程中的應用潛力，將PLMC 注漿材料與以往工程中用以圍巖加固的注漿材料進行對比測試，表2 為在實際工程中應用過的5 種注漿材料，其中3 種為無機注漿材料，另外2 種為無機–有機復合注漿材料。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（對照組）。本測試中，選擇具有最佳力學強度的水灰比1.0 的配比進行對比研究。

表2 實際工程中應用過的注漿材料Table 2 Grouting materials applied in actual engineering

即時密封水泥注漿材料 (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)量分數(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 種在實際工程中得到過應用的材料來源和具體制備方法可參考表2 中相應的文獻。

1.2 試樣制備

對于漿液結石體（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28 d。對于注漿加固體（如圖1(b)所示），通過圖2 所示的注漿模擬試驗裝置中的注漿泵向裂隙巖樣中注入漿液，巖體右側有漿液流出后仍持續(xù)注漿1 min，保證漿液在裂隙中充分擴散，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28 d。所選取的巖樣為黃砂巖，均鉆取自同一個塊體，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 注漿模擬試驗裝置Fig.2 Grouting simulation test device

1.3 試驗方法

1.3.1 單軸抗壓強度

單軸抗壓強度：使用RMT-301 巖石與混凝土力學試驗系統(tǒng)對漿液結石體及注漿加固體進行單軸抗壓強度（uniaxial compressive strength，UCS）測試。試驗時的載荷由立式液壓缸施加，加載速率由力控制，設定為0.05 kN/s。試驗過程中，采用與系統(tǒng)匹配的位移傳感器，量程為5 mm，對試件的軸向變形進行監(jiān)測。對15 種不同配比的PLMC 漿液結石體的每個樣本組測試3 次，取平均值作為最后的單軸抗壓強度。對于已在實際工程中應用過的注漿材料漿液結石體以及注漿加固體進行1 次測試。

1.3.2 漿液結石體孔徑分布

對養(yǎng)護過的漿液結石體按照Weng 等[27]提到的方法進行飽水，通過低場核磁共振裝置對漿液結石體的孔徑分布進行表征測試。所使用的低場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。核磁共振技術是基于流體氫原子在外加磁場作用下會發(fā)生定向排列的原理，來測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無序排列，在射頻脈沖和外加磁場的共同作用下，氫核能吸收電磁能量達到高能態(tài)。當射頻脈沖停止后，磁化的氫原子核會釋放吸收的射頻能量，這種從高能級狀態(tài)恢復到低能級狀態(tài)的能量釋放過程被稱為弛豫[28]。通過采用較短回波時間的CPMG 脈沖序列可以對孔隙中流體的橫向弛豫時間T2進行測量并反演計算，獲得孔隙內(nèi)流體的分布狀態(tài)。每個孔隙都有各自的孔表面積和孔體積，對應著相應的弛豫時間T2，核磁共振信號強度T2譜分布反映了孔隙的尺寸和分布特征。通過預實驗獲得最佳采樣參數(shù)，回波時間、回波數(shù)、等待時間和掃描次數(shù)分別設置為0.25 ms，6000，6000 ms 和32。

1.3.3 漿液結石體表面及巖–漿界面形貌特征

通過武漢大學測試中心的Zeiss SIGMA 場發(fā)射掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）觀測漿液結石體的內(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，以增強導電性。在制樣完成后，將試樣放入烘干箱中進行干燥處理，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，進行抽真空工作，待真空度達到要求后，開始進行離子濺射。濺射電流選擇30 mA，噴涂時間設置為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 試驗結果與分析

2.1 單軸抗壓強度

如圖3 所示為不同配比條件下PLMC 漿液結石體3 d 和28 d 的單軸抗壓強度。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石體的3 d 抗壓強度和28 d 抗壓強度，且抗壓強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石體3 d 和28 d 抗壓強度的效果更加顯著。當水灰比為0.6 時，純水泥漿液結石體的28 d 抗壓強度為15.14 MPa，當聚丙烯酸酯乳液摻量為20%時，強度為20.18 MPa，提高了33.29%。當水灰比分別為0.8 和1.0 時，加入20%摻量的聚丙烯酸酯乳液后28 d 抗壓強度分別提高了52.40%和72.79%。如圖4 所示，聚丙烯酸酯乳液可以提高3 d 強度和28 d 強度的比值，漿液結石體早強性得到了增強，當聚丙烯酸酯乳液摻量為15%時，3 d 強度和28 d 強度之間的比值最高。

圖3 不同配比條件下漿液結石體單軸抗壓強度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石體3 d 與28 d抗壓強度比值Fig.4 3 d strength/28 d strength with different admixtures of cement and polyacrylate latex

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

通過上面的測試可知當水灰比為1.0，聚丙烯酸酯乳液摻量為20%時，漿液結石體的單軸抗壓強度最高。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石體與其他注漿材料液結石體的強度進行對比測試。

如圖5 所示為不同注漿材料漿液結石體的單軸測試結果。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石體的單軸抗壓強度要更高。CIS 漿液結石體的強度最小，通過下面的孔徑分布特征和電鏡掃結果描可知，CIS 漿液結石體的孔隙多，內(nèi)表面結構松散，這與其強度小可能關系密切。ERMC，GFMC 和NCC 注漿材料的漿液結石體相較于純水泥漿液結石體強度都有所增大，而PUMC 和CIS 的漿液結石體的強度都有所減小。應力–應變曲線，與對照組純水泥漿液結石體相比，改性后的漿液結石體的峰值應變均增大，其中玻璃纖維改性水泥漿液結石體的峰值應變最大，這與玻璃纖維具有較高的抗拉強度有關，當結石體受力時，玻璃纖維因水泥礦物顆粒的錯動而受拉，由于纖維具有較大的抗拉強度，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石體表現(xiàn)出良好的韌性，當塑性變形發(fā)生后，不會立即發(fā)生破壞。

圖5 不同注漿材料漿液結石體單軸抗壓測試結果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試結果。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度相差不大，為完整巖樣強度的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。注漿加固體的強度與漿液結石體的強度和漿–巖界面膠結狀況有關，結合上面的漿液結石體單軸抗壓強度結果和2.3 節(jié)中的漿–巖界面SEM 掃描結果可知，PLMC 漿液結石體的單軸抗壓強度最高，巖–漿界面之間沒有縫隙，因此其注漿加固體強度最高。聚氨酯改性水泥漿液結石體的強度較差，同時巖–漿界面存在縫隙，導致其強度最低。圖6(b)為單軸受壓應力–應變曲線，與完整巖樣相比，注漿加固體的峰值應變均有所增大，其中無機–有機注漿材料加固后的裂隙巖樣峰值應變增大更加顯著。

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

2.2 漿液結石體孔徑分布

水泥基漿液結石體的孔隙特征影響其力學強度，孔隙率較小的結石體具有較高的強度[27]。通過低場核磁共振裝置對飽水后漿液結石進行測試獲得其孔徑分布特征。檢測到的磁化信號為橫向弛豫時間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。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為橫向弛豫時間

圖7 為水灰比0.8 時，在不同聚丙烯酸酯乳液摻量下漿液結石體的孔徑分布特征。對于純水泥漿液結石體，孔徑分布曲線覆蓋的面積最大，其曲線峰值為0.32%，所對應孔徑大小為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移動，表明漿液結石體的孔隙率逐漸減小，當聚丙烯酸酯乳液摻量為20%時，孔徑分布曲線的峰值為0.029%，所對應孔徑大小為0.19 μm。聚丙烯酸酯乳液可以顯著改善漿液結石體的孔隙結構，與純水泥漿液結石體相比，可以減少結石體中的孔隙數(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反應有關，大致可以分為3 個階段[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+連接兩個羧基，那么這兩個聚丙烯酸酯鏈是過化學鍵相互連接。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，形成有機物和無機物組成的交聯(lián)網(wǎng)格結構。物理變化伴隨著化學反應，部分水化產(chǎn)物和水泥顆粒被包裹在這些交聯(lián)網(wǎng)格結構中，填補了交聯(lián)網(wǎng)格結構的空白，進一步改善了有機–無機界面，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石體的孔隙特征。整體上，無機改性劑對結石體的孔隙特征產(chǎn)生了不利影響。有機改性劑的使用可以有效地改善結石體的孔隙特征。這是由于有機改性劑中存在活性基團，如羧基（-COOH）和酯基（-COOR）。這些基團可以與水泥和水泥水化產(chǎn)物中存在的鈣離子發(fā)生物理和化學反應，從而形成交聯(lián)的網(wǎng)格結構。聚合物和水泥水化產(chǎn)物通過這種交聯(lián)網(wǎng)絡緊密連接，一些水化產(chǎn)物和水泥顆粒被封閉在網(wǎng)格結構內(nèi)，從而填補了水化產(chǎn)物之間的空隙[30]。相較于其他注漿材料的漿液結石體，聚丙烯酸酯改性水泥漿液結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 的純水泥漿液結石體和水灰比0.8、聚灰比0.2 的復合漿液結石體在標準條件下養(yǎng)護28 d 后通過SEM 在不同放大倍數(shù)下觀察結石體的內(nèi)表面，如圖9 所示。純水泥漿液結石體的內(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石體的孔隙特征一致。相較于純水泥漿液結石體，復合漿液結石體的界面更加密實，沒有觀察到縫隙。

圖9 不同配比下漿液結石體表面形貌特征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。與對照組純水泥漿液結石體相比，無機注漿材料漿液結石體的密實度較差，可以觀測到明顯的縫隙。無機–有機復合注漿材料漿液結石體界面密實，沒有觀測到縫隙。這是由于有機改性劑有效地結合了水化產(chǎn)物。聚丙烯酸酯改性水泥漿液結石體的內(nèi)表面十分的密實。

圖10 不同注漿材料漿液結石體表面形貌特征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情況，放大倍數(shù)為200 倍。無機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合良好，漿液與巖體融合，巖–漿界面無明顯縫隙。這是因為聚丙烯酸酯乳液和環(huán)氧樹脂含有羧基（-COOH），羧基是具有強內(nèi)聚力的極性基團，在聚合物和臨界界面之間產(chǎn)生強電磁引力[30]。

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

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

通過低場核磁技術和電鏡掃描對漿液結石體以及注漿加固體的微觀結構進行了表征，從微觀結構出發(fā)對聚丙烯酸酯改性水泥漿液結石體以及注漿加固體具有良好的強度進行了分析，但還可以進一步通過X 射線衍射或紅外光譜等技術手段從分子層面來揭示其強度大的原因。

3 結論

本文對PLMC 用于加固裂隙巖體的可行性進行了力學性能研究，首選進行了不同配比的復合漿液結石體單軸抗壓強度試驗，隨后與實際工程中應用過的注漿材料進行了強度對比測試，最后對幾種注漿材料的微觀結構進行了表征。根據(jù)實驗結果，得出以下主要結論。

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

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

（3）聚丙烯酸酯乳液在改善漿液結石體孔隙結構方面比其他改性劑更有效，使結石體更加致密。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。