高渗透改性环氧树脂充填砂浆材料裂隙试验研究

朱豪伟，刘长武，陈小强，赵 超

(1.四川大学水利水电学院，成都 610065；2.水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，成都 610065； 3.联勤保障部队,西宁联勤保障中心军事设施建设处，西宁 810007)

0 引 言

在矿山、水利、土建、铁道、交通等工程建设领域常常会应用注浆技术加固裂隙岩体，目前注浆技术已经发展成为比较成熟的施工工法[1]。一些学者对注浆后的裂隙岩体从多方面进行了研究。王汉鹏等[2]在岩石试件单轴压缩破裂的基础上采用水泥浆和玛丽散N加固破裂试件进行试验，验证了注浆加固是加固围岩非常有效的方法；韩立军等[3]通过剪切试验研究破裂岩体结构面的注浆加固效果，发现注浆后结构面的刚度及抗剪强度参数都有所改善，而刚度的改善更为明显；Lu等[4]通过直剪试验研究灌浆砂岩的特性，发现水泥浆的充填率对于试样剪切强度的影响很大；蒋庆仁等[5]对人工劈裂的花岗岩节理试件进行水泥灌浆加固处理，总结了由充填度决定的灌浆节理两种压剪破坏形式，并揭示了其破坏机理。

除了灌注水泥浆外，环氧树脂注浆材料也在工程中得到了广泛的应用。环氧树脂因其强度高、粘结力强、收缩小、化学稳定性好，以及可以室温固化等[6]一系列优点被广泛应用于大坝坝基基础加固和防渗、矿山与隧道开凿、地铁开挖、楼房纠偏、混凝土缺陷修复、文物保护等诸多工程领域[7]。相对而言，人们对灌注环氧树脂后的裂隙岩体研究则较少。王志等[8]利用邻苯二甲酸二丁酯增韧的环氧树脂浆液对类岩石试样进行注浆，认为注浆加固能使试样形成较为完整的整体，影响注浆效果的主要因素是注浆材料的强度及其与基体材料的粘结情况；乐慧琳等[9]对含不同角度和不同注浆材料裂隙试样进行单轴压缩试验，结果表明环氧树脂加固效果优于纯水泥浆，注浆可有效地消除预制裂纹尖端的应力集中。

在实际工程注浆中，由于工程岩体细微裂隙较多，地质水文条件复杂，注浆设备存在一定的局限性等，深部岩体的注浆压力往往达不到预期的目标，裂隙充填往往不充分。注浆压力不足甚至没有注浆压力的情况下，高渗透改性环氧树脂的充填效果如何，充填不充分裂隙岩体的强度能否得到提高，这些问题都没有确切的答案。因此，研究含不同倾角的裂隙试样在无注浆压力充填高渗透改性环氧树脂前后的强度特性和破坏模式，从而得出相关规律，为工程建设提供数据支撑，具有重要的理论意义与工程价值。

1 实 验

1.1 水泥砂浆材料

水泥砂浆材料配合比为m(水) ∶m(水泥) ∶m(砂)=1 ∶2.5 ∶2.5，其中，水为无杂质的纯净水，水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，砂为粒径0.25～0.5 mm的标准砂。按此配合比制作完整砂浆试样并测定相关物理力学参数，结果如表1所示。结果表明此配合比的砂浆材料强度和弹性模量较高，具有良好的脆性，与砂岩的物理力学特性相似，可视为类岩石材料。

表1 水泥砂浆物理参数Table 1 Physical parameters of cement mortar

1.2 高渗透改性环氧树脂

本次试验选用高渗透改性环氧树脂化学灌浆材料充填砂浆材料裂隙，后文简称为环氧树脂。此材料由A、B组分按照2 ∶1的质量比混合后得到，可操作时间约为60 min，固化时间4～6 d，粘度低，渗透力强，其技术性能指标及实物图片分别如表2、图1所示。

表2 环氧树脂技术性能指标(据厂家)Table 2 Technical performance indexes of epoxy resin (according to manufacturer)

图1 环氧树脂及其固化物Fig.1 Epoxy resin and its curing agent

图2 裂隙试样及面积连通率示意图Fig.2 Schematic diagram of fracture specimen and area connectivity rate

1.3 试样制作及环氧树脂充填

1.3.1 裂隙试样制作

根据选定的配合比制作直径100 mm、高度200 mm的圆柱体水泥砂浆裂隙试样。在试样的中部构建3条相互平行的直线形单向贯通裂隙，裂隙垂直间距2b均为20 mm，裂隙面积连通率N均为45%，裂隙厚度t为0.3 mm，裂隙倾角α分别为0°、30°、45°、60°，对应的裂隙长度2a分别为37 mm、43 mm、52 mm、73 mm，裂隙试样及面积连通率示意图如图2所示。

裂隙试样的制作方法为预埋钢片的方法：在自制的模具中预埋厚度t为0.3 mm的长方形钢片，钢片表面涂抹有凡士林防止钢片难以拔出；然后浇筑搅拌均匀的水泥砂浆，并用钢条插捣均匀；在水泥砂浆终凝前拔出钢片从而构建特定产状的裂隙，将裂隙试样放入标准养护室养护以供后续试验使用。

1.3.2 环氧树脂充填

待裂隙试样养护至21 d，用高渗透改性环氧树脂材料充填试样的裂隙，每种裂隙倾角的试样充填3个。依靠环氧树脂良好的流动性和渗透性，采用无压力充填的方法充填裂隙：用针筒从裂隙前端注入环氧树脂，待环氧树脂从裂隙后端渗出时封闭裂隙后端，然后继续从裂隙前端充填2 min，直至浆液填满裂隙。

环氧树脂初步凝结后将试样放入标准养护室继续养护至28 d，然后开展充填前后试样的单轴压缩试验。单轴压缩试样类型如表3所示。

表3 试样类型Table 3 Types of specimens

1.4 试验设备及加载条件

图3 MTS815岩石力学试验系统Fig.3 MTS815 rock mechanics test system

依托于四川大学水利水电学院MTS815 Flex Test GT电液伺服岩石力学试验系统进行单轴压缩试验，如图3所示，加载方式采用位移加载，加载速率为0.05 mm/min，试验过程中采用系统自带传感器记录试样轴向变形和轴向荷载，并记录试样的破坏模式。

2 结果与讨论

用上述MTS815岩石力学试验系统对两组不同的试件进行了单轴压缩试验，得到不同裂隙倾角试样在充填环氧树脂前后的应力-应变曲线，同时记录了试样变形破坏的特征，对试样的强度、变形及破坏模式的影响结果分析如下。

2.1 充填前后砂浆材料强度特性

图4 不同裂隙倾角试样的抗压强度Fig.4 UCS of specimens with different fissure inclination angles

充填前和充填后不同倾角裂隙试样的抗压强度(UCS)及增强百分比如图4和表4所示。

根据图4中抗压强度随倾角的变化规律可看出，随着裂隙倾角的增加，不论是充填前试样的抗压强度σM还是充填后试样的抗压强度σH均逐渐减小。裂隙倾角对试样的抗压强度有很大的影响，随着裂隙倾角的增大，抗压强度一般呈U型分布[10]，试验结果和前人[10-11]的研究一致，即裂隙倾角为60°的试样抗压强度最低。

充填前4种裂隙倾角试样的抗压强度相比于完整砂浆材料的强度均明显降低。这主要是由于裂隙的存在削弱了试样的完整性，加载过程中裂隙两两之间相互作用，产生的裂纹很快相互贯通，形成裂隙所在区域的薄弱区域，进而大大削弱了试样的强度。由表4可知，试验中60°倾角裂隙试样的抗压强度最低，仅为7.8 MPa，约为完整试件强度的13.76%。分析认为这主要是因为60°倾角试样的裂隙尖端应力集中，首先在裂隙尖端产生裂纹，且60°倾角本来就接近于无缺陷试样的剪切破坏角α=45°+φ/2=61.5°，此时试样最容易发生脆性破坏[11]，随着轴向荷载的增大，裂纹扩展并相互之间搭接贯通最终导致试样的破坏。

表4 充填前后试样抗压强度增强百分比Table 4 UCS increment percentage of specimens before and after filling

充填后和充填前试样抗压强度随倾角的变化规律一致，均随着倾角的增大，强度降低，但充填环氧树脂试样的曲线形式更加接近于一条斜线。试样充填环氧树脂后抗压强度得到了不同程度的提高，试样强度的提高百分比如表4所示，其中45°倾角试样和60°倾角试样的抗压强度增强效果明显优于另外两个倾角的试样。

试验结果表明，在重力作用下，依靠环氧树脂优异的渗透性和流动性充填裂隙能提高试样的抗压强度，且不同裂隙倾角试样的抗压强度增强效果不同。这是因为环氧树脂在重力作用下能缓慢渗透到裂隙中，固化后填充裂隙使试样更加完整，改善了试样的受力情况，从而提高试样的抗压强度。

2.2 充填前后砂浆材料变形特性

绘制同一倾角下充填环氧树脂前后试样的应力-应变曲线，如图5所示，图中M和H分别表示未充填环氧树脂的试样和充填环氧树脂后的试样。随着轴向应变的增加，曲线分为非线性的压密阶段、弹性阶段和脆性破坏阶段。充填前试样的应力-应变曲线直线段有部分下降的不光滑区段(见图中方框)，45°倾角和60°倾角试样的曲线尤为明显，分析认为这是由于预制裂隙闭合所致，而充填环氧树脂后试样的受力情况得到改善，应力-应变曲线则相对光滑。

图5 充填环氧树脂前后试样的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curves of specimens before and after epoxy resin filling

2.3 充填前后砂浆材料破坏模式

记录试样的破坏形态并绘制裂隙倾角为60°的试样充填前后裂纹的素描图，如图6所示。乐慧琳等[9]的研究结果表明，注浆材料和裂纹缺陷角度对类岩石试件破坏模式均有影响，且裂纹缺陷角度较小的情况下注环氧树脂能很好地消除预制裂纹尖端的应力集中，改变试样的破坏模式，在裂纹缺陷角度很大的情况下注浆材料不会影响试件的破坏模式。而在本试验中，不同倾角的裂隙试样在充填环氧树脂前后破坏模式相差不大，大多表现为拉应力导致的拉伸劈裂破坏。

沿裂隙处剖开试样(见图7)可以发现，仅在重力的作用下用环氧树脂充填裂隙试样，裂隙的充填度约为70%，并未完全充满裂隙。由于在预制裂隙时钢片表面涂抹了凡士林，拔出钢片后裂隙的内表面较光滑平整，且残留了部分凡士林，导致环氧树脂和砂浆裂隙间的粘结力不足。填充度不足及环氧树脂与裂隙间粘结力不够是导致试样充填前后破坏模式变化不大以及试样强度提高不够的主要原因。

图6 试样破坏模式示意图Fig.6 Schematic diagrams of specimens failure mode

图7 裂隙充填效果剖面图Fig.7 Cross-section view of fissure filling effect

3 结 论

(1)不论是环氧树脂充填前还是充填后，随着裂隙倾角从0°增大到60°，试样的抗压强度均逐渐减小。

(2)高渗透改性环氧树脂具有良好的流动性和渗透性，在重力作用下能渗进试样裂隙并固化；固化后能提高试样的强度，且不同裂隙倾角试样的抗压强度提高程度不同，试验中45°倾角和60°倾角试样的抗压强度提高效果明显；在本试验研究条件下，充填前后试样的破坏模式变化不大。

(3)在实际工程中如裂缝修补等，由于存在不同倾角的裂缝，采用环氧树脂灌浆材料加固时不同倾角的裂缝修补效果存在一定的差别，应根据具体情况适当提高灌浆压力以使环氧树脂充满裂隙，从而保证裂缝修补的效果。