高貝利特硫鋁酸鹽水泥基注漿材料力學性能研究

2022-04-26 07:05:02呂春岐吳奇帥牛世偉韓鵬舉

四川建材 2022年4期

呂春岐，吳奇帥，馬煒，牛世偉，韓鵬舉

(太原理工大學土木工程學院,山西太原 030024)

0 前言

隨著現代社會的發展，“碳達峰”和“碳中和”目標相繼提出，高污染的水泥行業綠色化受到廣泛重視。對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必會被綠色環保的注漿材料替代[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展的趨勢之一。高貝利特硫鋁酸鹽水泥利用低品位生料和工業廢渣燒制，降低了其生產成本，燒制溫度較低，可節約能源，減少CO2的排放量。

隨著工程中遇到的地質條件日趨復雜，對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不同工況對其性能進行調節，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用轉向復合化，包括各系列水泥-輔助性膠凝材料復合和各系列水泥之間的相互復合[1]。一方面，隨著礦渣、粉煤灰等輔助性膠凝材料優質資源越來越少，其應用成本不斷升高，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，可與水泥水化產物發生二次水化反應，是一種高性能的輔助性膠凝材料。研究表明[3]，將煤系偏高嶺土應用于混凝土和水泥土中，可改善其孔結構、抗壓強度等宏觀特性。另一方面，高貝利特硫鋁酸鹽水泥暫時難以完全取代硅酸鹽系列水泥，二者將長期共存。因此，將普通硅酸鹽水泥應用到高貝利特硫鋁酸鹽水泥基注漿材料中，可進一步降低成本。為此，本文針對高貝利特硫鋁酸鹽水泥注漿材料復合化的問題，以高貝利特硫鋁酸鹽水泥為基體材料，同時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，從宏觀力學性能的角度對復合注漿材料的性能進行研究，為復合注漿材料的推廣應用提供理論基礎。

1 試驗

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，強度等級為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，強度等級為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 水泥的化學成分組成 %

煤系偏高嶺土(CMK)：山西琚豐高嶺土有限公司生產，CMK的化學成分組成采用X射線熒光分析進行測試，如表2所示。從表2中可以看出，SiO2和Al2O3是CMK的主要化學成分，二者含量占總質量的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成分組成 %

1.2 試驗方案

本文共設計5組配比，見表3。其中P1、P2、P3構成相同煤系偏高嶺土摻量，不同普通硅酸鹽水泥摻量下復合注漿材料的力學性能對比；P3、P4、P5構成相同普通硅酸鹽水泥摻量，不同煤系偏高嶺土摻量下復合注漿材料的力學性能對比。試驗水灰比均為0.6。

表3 復合注漿材料配合比 %

2 試驗結果及分析

2.1 復合注漿材料力學性能分析

2.1.1 復合注漿材料抗壓強度分析

復合注漿材料1、7、14和28 d的單軸抗壓強度如圖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：對比P1～P3可知，三組試件的單軸抗壓強度均隨齡期的增加而增長，但增長幅度存在差異。28 d齡期下P1抗壓強度較7 d增大48%，其早期強度增長和后期強度增長速度都較慢；P2早期強度增長較慢，但后期強度增長較快，28 d齡期下的抗壓強度相較7 d增大85%，相較14 d增大53.9%；P3在不同齡期下的抗壓強度均為最大值，其中在1 d齡期下的抗壓強度為4.70 MPa，28 d齡期下的抗壓強度相較7 d增大123%。這是因為，當普通硅酸鹽水泥占比較多時，會在體系內產生大量結合強度不高的分界面，導致復合注漿材料強度和增長速度顯著降低[1]。

煤系偏高嶺土的影響：對比P3～P5可發現，三組試件的單軸抗壓強度均隨齡期的增長而增長，且強度增長率相近。1 d齡期下P4和P5的抗壓強度接近，28 d齡期下P3、P4、P5抗壓強度較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的抗壓強度較P4、P5的大，這表明當煤系偏高嶺土占比較小時，能充分發揮微集料效應，填充材料中的孔隙，從而改善材料的早期強度[4]。

綜上所述，復合注漿材料的抗壓強度隨著齡期的增長而增長，當普通硅酸鹽水泥或煤系偏高嶺土摻量較小時，能夠產生很好的協同效應，改善復合注漿材料的力學性能。普通硅酸鹽水泥或煤系偏高嶺土的摻量較大時，會產生很多強度不高的結合面，導致力學性能的降低。

2.1.2 復合注漿材料應力-應變曲線分析

應力-應變曲線能夠揭示材料的變形特征，是復合注漿材料在單軸壓縮過程中內部結構從連續到不連續的發展階段[1]。為研究不同配比條件下復合注漿材料的應力-應變曲線的變化規律，選取P1～P3和P3～P5在不同齡期下的應力-應變曲線進行研究，并由應力-應變曲線計算其在不同齡期下的彈性模量和極限應變。

1)普通硅酸鹽水泥的影響。對比P1～P3的應力應變曲線可知，普通硅酸鹽水泥占比、養護齡期對其產生一定的影響。在水化1 d時，隨著普通硅酸鹽水泥占比的增加，峰值應變逐漸增大，材料呈現越來越高的韌性。這是因為當普通硅酸鹽水泥占比較多時，沒有足夠的水化產物能夠填充于材料的孔隙之中，材料的孔隙率相對較大，表現為峰值應變較大。在水化7 d時，三組復合注漿材料應力-應變曲線較1 d的出現了一致性的變化規律，表現為上升段變陡，即彈性模量增大，峰態也由平緩逐漸趨向尖峰態，峰值應變減小，材料表現出更強的脆性[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，材料的峰值應變逐漸減小，表現出越來越強的脆性，同時峰值應力逐漸增大[5]。水化14～28 d時，以28 d為例，P2、P3的彈性模量是P1的2.98、4.96倍，P2、P3的峰值應變較P1減小6.7%和18.7%。隨著養護齡期的逐漸增長，復合注漿材料的峰值應力逐漸增加，又可發現三組復合注漿材料應力-應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，表現出更明顯的脆性破壞特征[1]。圖4為不同齡期下材料應力-應變關系曲線，表4為復合注漿材料的彈性模量及峰值應變。

(a)1 d

(b)7 d

(d)28 d

表4 復合注漿材料的彈性模量及峰值應變

2)煤系偏高嶺土的影響。對比P3～P5的應力應變曲線可知，煤系偏高嶺土占比、養護齡期對復合注漿材料應力-應變曲線(見圖5)產生一定的影響。在水化1 d時，隨著煤系偏高嶺土占比減小，復合注漿材料的峰值應變減小，韌性降低，P3、P4的峰值應變較試件P5分別減小33.3%和62.4%，同時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。產生這種現象是因為煤系偏高嶺土加速了材料的早期水化，同時煤系偏高嶺土存在微集料效應，填充了材料中的孔隙，兩者協同作用，使材料的密實度提高，在受到荷載作用下更不易產生變形[6-7]。在水化7 d時，三組材料應力-應變曲線較1 d的出現相近的變化趨勢，上升段變得更加陡峭，峰值應變減小，表現出更強的脆性，其中P3在7 d時的峰值應變相較1 d時減小48.4%，7 d時的彈性模量相較1 d時增大3.62倍。水化14～28 d時，材料的應力-應變曲線上升段繼續變陡峭，材料的峰值應變也繼續減小，其中P3在14 d時的峰值應變較7 d的減小25%，同時材料的峰值應力逐漸增大，曲線的峰態逐漸變為尖峰狀，說明材料的破壞由塑性破壞轉為脆性破壞[8-9]。隨著煤系偏高嶺土占比逐漸增加，材料的峰值應力減小，這是由于煤系偏高嶺土的強度不高，在受到荷載時，主要是是水泥基體承擔應力；而當煤系偏高嶺土過多時，材料的韌性逐漸減弱，越表現出顯著的脆性破壞特征，這是因為當煤系偏高嶺土占比較大時，材料內部低結合度界面過多，在荷載作用下易開裂[10]，而一旦出現裂紋就會迅速發展，進而表現出脆性破壞[11]。表5為復合注漿材料的彈性模量及峰值應變。