耿耀強 徐文全 黃耀光 胡國和 趙騰飛

摘 要：為研究新型復合注漿材料（SCPJG-2）的變形和破壞機理，以提高注漿加固效果，并為指導破碎煤巖體注漿設計提供依據，采用CT掃描、常規(guī)壓拉剪試驗和VIC-3D觀測相結合的方法，重點探究具有不同漿液體積配比的新型復合注漿固結體的微觀結構、力學強度和破壞特征。結果表明：隨著漿液體積配比的增大，固結試樣的內部缺陷呈現先減小后增大再減小的趨勢，導致試樣的抗壓強度、抗拉強度與抗剪強度均呈現先快速增大后急劇減小再緩慢增大的趨勢。并且體積配比為1∶1時，其拉壓剪強度皆為最大，宜被作為復合注漿加固材料。不同配比下的固結試樣在單軸壓縮下呈現出塑性破壞、劈裂破壞和剪切破壞等不同的破壞特征。但在巴西劈裂下皆為起裂于中心且沿縱向擴展貫通的劈裂破壞。隨著漿液體積配比的增加，試樣沿中心且沿剪傾角方向的剪切破壞越明顯；而隨著剪傾角的增大，試樣發(fā)生剪切主破壞時伴生的次生裂紋也增多。其可為預測和評估新型復合注漿材料對破裂圍巖的強化效果和穩(wěn)定性奠定基礎。

關鍵詞：復合注漿材料；CT掃描；單軸抗壓強度；抗拉強度；抗剪強度；破壞特征

中圖分類號：TD 235

文獻標志碼：A

文章編號：1672-9315（2022）05-0884-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2022.0506開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Mechanical properties and failure characteristics of new composite grouting material for mining

GENG Yaoqiang^1，2，3，XU Wenquan^2，3，HUANG Yaoguang⁴，HU Guohe^2，3，ZHAO Tengfei^2，3

（1.College of Energy Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；2.Weinan Shaanxi Coal Qichen Technology Co.，Ltd.，Weinan 714000，China；3．National ＆ Local United Engineering Research Center of Green Safety Efficient Mining，Xian 710065，China；4.College of? Sciences，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：To explore the deformation and failure mechanism of the new composite grouting material（SCPJG-2），improve the grouting reinforcement effect，and provide a basis for guiding the grouting design of broken coal and rock mass，a combination method of CT scanning，conventional compression-tension-shear test and VIC-3D observation was adopted.The microstructure，mechanical strength，and failure characteristics of new composite grouting consolidated bodies with different volume ratios of grouts were investigated.The results show that with the increase of the volume ratio of grouts，the internal defects in the consolidated bodies decrease first，then increase，and then decrease，resulting in the facts that the compressive strength，tensile strength and shear strength of the samples increase rapidly at first，then sharply decrease and then slowly increase.Moreover，when the volume ratio is 1∶1，the tensile，compressive and shear strength reaches the maximum，which works well with composite grouting reinforcement material.The consolidated samples with different volume ratios of grouts shows different failure characteristics such as plastic failure，splitting failure and shear failure under uniaxial compression.However，under Brazilian splitting，the splitting failure starts in the center and extends along the longitudinal direction.With the increase of the volume ratios of grouts，the shear failure of the consolidated bodies along the center and along the shear inclination angle becomes ever more obvious.With the increase of the shear inclination angle，the secondary cracks associated with the shear failure of the consolidated bodies also increase.The? results can lay a foundation for predicting and evaluating the strengthening effects and stability of the new composite grouting material on the fractured surrounding rock.

Key words：composite grouting material；CT scanning；uniaxial compressive strength；tensile strength；shear strength；failure characteristics

0 引 言當前，煤炭開采不得不面臨深部巷道圍巖在“三高一擾動”下呈現變形破壞極為嚴重的問題^[1-2]，而注漿加固是維持圍巖穩(wěn)定的一種有效方法^[3]。為了提高圍巖承載力并獲得更好的注漿效果，選擇合適的注漿材料變得尤為重要^[4]?；诖?，越來越多具有不同用途和經濟成本的注漿材料被用于煤礦注漿加固工程中，包括無機注漿材料、有機注漿材料和復合注漿材料等^[5-7]。其中，復合注漿材料由于具有早期強度高、反應時間可控、滲透擴散性能好、材料價格適中等特點，因而在注漿工程被廣泛應用^[8]。但這些材料本身具有不同的力學特性，其膠凝和固結破裂、破碎圍巖的能力存在差別，進而影響注漿加固后的效果。因此，掌握新型復合注漿材料的力學性能和破壞特征將有助于評估和預測其注漿加固效果。對此，劉人太等研究一種新型注漿材料（VCH）的主要性能參數，指出VCH材料前期強度增長相比傳統注漿材料要快^[9]。陳灃等得出以最佳漿液配比配制的鋼渣改性硅酸鹽水泥-水玻璃漿液硬化后的早期強度均大于40 MPa^[10]。管學茂等將有機調節(jié)劑和無機注漿材料復合，并制備微納米注漿材料，且其2h抗壓強度為10.2 MPa^[11]。賀文等利用水玻璃作為漿液主劑，對復合漿液的膠凝時間、抗壓強度進行了研究^[12]。試驗結果表明，新型復合漿液能實現漿液的膠凝時間的可調性，且固砂體力學性能較高。孫鈞祥等對不同配比、不同養(yǎng)護時間條件下的復合材料進行的單軸壓縮試驗結果表明，材料破壞類型有典型塑性破壞、劈裂破壞、局部剪切破壞等^[13]。黃志安等對復合漿液固結體進行抗壓強度與抗折強度測試^[14]。結果表明，復合漿液固結體抗折抗壓強度均較高。SANG等得出硅酸鹽、鋁酸鹽膠凝復合注漿材料的抗壓強度隨養(yǎng)護時間的延長而增加^[15]。WANG等在硫鋁酸鹽水泥基復合材料中加入石灰石粉，發(fā)現漿液凝結時間大大縮減，早期和后期的抗壓強度均有明顯升高^[16]。

ZHANG等研究了由水泥、硅粉等復合而成的注漿材料的單軸抗壓強度^[17]。魏廣造等通過室內試驗對漿液材料水泥、粉煤灰、砂、膨潤土、水不同配比下漿液的析水率、抗壓強度、黏度、結石率進行研究^[18]。這些成果為認識各種復合注漿材料的力學特性及注漿效果提供了試驗依據，但是因其僅涉及復合注漿材料的抗壓強度和壓縮破壞特征，而缺乏對其抗剪強度與抗拉強度及破壞特征的研究，導致其不能有效評價經復合材料注漿加固后的固結體在復雜應力下的強度。為了解決上述問題，對不同配比下的新型復合注漿加固材料SCPJG-2（該材料是在現有煤巖體加固用硅酸鹽改性聚氨酯材料基礎上，通過添加環(huán)氧樹脂來降低聚氨酯的用量，從而達到降低最高反應溫度，提高抗壓強度的目的，且具有反應時間可調、可注性、流動性好和粘結性強的優(yōu)點）開展CT掃描試驗、單軸壓縮試驗、變角剪切試驗、巴西劈裂試驗及VIC-3D試驗，研究其在壓拉剪下的變形、強度和破壞特征，以及漿液配比對力學特性的影響規(guī)律，為選擇合適的漿液配比提供依據，并為研究新型復合注漿加固材料SCPJG-2對破裂圍巖注漿加固后的力學性能奠定一定的基礎。

1 試驗系統及試驗方案

1.1 試驗儀器在常規(guī)單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗中，儀器主要包括DNS200電子萬能試驗機、非接觸全場應變光學測量儀VIC-3D和數據采集計算機等，其中在常規(guī)單軸壓縮試驗中，DNS200電子萬能材料試驗機采用位移控制，加載速率為0.5 mm/min；在巴西劈裂試驗中，DNS200電子萬能材料試驗機采用力控制，加載速率為0.3 MPa/s，VIC-3D用于實時拍攝試樣的表面宏觀變形和破壞演化圖，并進行應變場計算，其具體的測試原理和使用方法可參考文獻^[19-20]。在變角剪切試驗中，儀器主要包括WDW100電子萬能試驗機、變角剪切儀、VIC-3D和數據采集計算機等，加載速率為0.5 mm/min。各強度試驗儀器整體連接如圖1所示。

1.2 試樣制備將材料A液與B液按照一定體積比例混合即為復合注漿材料SCPJG-2。在制樣過程中發(fā)現，隨著漿液A∶B的配比的增大，漿液反應溫度逐漸升高，且當配比超過2.5∶1時，溫度達到130 ℃左右，不利于礦用注漿工程的安全性。因此，選擇A液與B液體積配比為0.5∶1，1∶1，1.5∶1，2∶1及2.5∶1的5種比例混合，攪拌均勻后分別倒入?50 mm×100 mm的圓柱形模具、?50 mm×25 mm圓盤形模具以及50 mm×50 mm×50 mm的正方體模具中，待固結后脫模養(yǎng)護7 d，再用打磨機將試樣表面打磨光滑，分別制得單軸壓縮圓柱形標準試樣、巴西劈裂圓盤形試樣及變角剪切方形試樣。為了減少試驗誤差，提高試驗數據的可靠性，每種試驗在不同比例下的試樣均制作3個，試驗結果皆取3個試樣測試結果的平均值。其中，單軸壓縮試樣按照配比的遞增，依次標記為M1～M5，M1下的3個試樣標記為M1-1，M1-2，M1-3，依次類推。同理，巴西劈裂試樣在0.5∶1配比下依次標記為MB1-1，MB1-2，MB1-3，其余類推。變角剪切試樣按照配比的遞增依次標記為MS1～MS5，用于剪傾角為50°，60°，70°的變角剪切試驗，0.5∶1配比用于50°剪傾角下的試樣標記為MS1-5-1，MS1-5-2，MS1-5-3，其余類推。制得的試樣如圖2所示。

1.3 試驗方案為了獲得不同配比下新型復合注漿材料SCPJG-2的抗壓、抗拉、抗剪力學性能與破壞特征，對試樣進行CT掃描試驗，獲得內部微觀孔裂隙特征，然后對試樣分別進行單軸壓縮試驗、巴西劈裂試驗、變角剪切試驗及同步的VIC-3D試驗，

以獲得新型復合注漿材料的力學特征及破壞特征。

2 注漿材料固結體的內部微觀特征CT掃描試驗可以在較高精度下呈現材料內部的復雜孔裂隙微觀結構^[21]，為了探究新型復合材料固結體的內部密實程度，對不同體積配比下的固結試樣進行了CT掃描試驗，結果如圖3所示，見表1。

從圖3可以看出，不同配比下的復合材料試樣內部孔裂隙分布不同。隨著漿液體積配比的增大，試樣內部的缺陷表現出先減小后增大再減小的變化趨勢。其中，當體積配比為1∶1時，漿液A和B反應最為充分，形成的試樣孔隙裂隙較少，密實程度較高，而其它配比下形成的固結試樣均有較多的孔隙裂隙，內部缺陷程度較大。這將顯著影響試樣的力學特征，導致其強度與破壞也將會存在一定差異。

3 注漿材料的抗壓強度和破壞特征

3.1 單軸抗壓強度對不同配比下的新型復合注漿材料試樣進行單軸壓縮試驗，得到試樣在整個加載過程中的應力-應變（σ-ε）曲線。考慮到相同配比下的試樣的σ-ε曲線的變化規(guī)律具有相似性，因此選擇每一種配比下的固結試樣的一組試驗數據（M1-2，M2-2，M3-1，M4-3及M5-2）繪制σ-ε曲線，結果如圖4所示，試驗結果見表2。從圖4和表2可以看出，不同配比下的新型復合注漿材料試樣的應力-應變曲線變化特征相似，都先后經歷了壓密階段、彈性階段、塑性階段、破壞階段、峰后殘余變形階段。隨著A液與B液體積配比的增大，試樣的單軸抗壓強度表現為先快速增大再急劇減小后緩慢增大的趨勢。首先，試樣的平均單軸抗壓強度先從0.5∶1配比下的23.62 MPa增大到1∶1配比下的41.76 MPa，增大約76.8%，緊接著，試樣的單軸抗壓強度下降到1.5∶1配比下的22.05 MPa，減小約47.2%，最后增大到2.5∶1配比下的31.56 MPa，增大約43.13%。

在所研究的復合材料漿液配比范圍內，當配比為1∶1時，試樣的平均單軸抗壓強度最大，這是因為該體積配比下的漿液反應最為充分，形成的試樣內部孔、裂隙缺陷較少（圖3（b）），密實較好且完整程度高，因而承載能力較大。而試樣最小單軸抗壓強度出現在體積配比為1.5∶1處。這主要是由于在該體積配比下，漿液反應不充分，試樣內部孔、裂隙缺陷最多（圖3（c）），致使其內部結構的整體性極差，故承載能力較差。

3.2 單軸壓縮破壞特征考慮到試樣的破壞形式是表現材料破壞機制的重要特征，將由VIC-3D試驗所得的不同配比下的新型復合注漿材料在單軸壓縮試驗過程中的表面應變場如圖5所示。

從圖5可以看出，不同配比下的新型注漿材料試樣在單軸壓縮下的破壞形式是不同的。當復合注漿材料體積配比為0.5∶1和2∶1時（圖5（a）、（d）），試樣的破壞呈現明顯的塑性破壞。這是由于在此配比下試件混合不均，隨著加載的不斷進行，復合材料試件表現為軸向壓縮，徑向膨脹。當試樣的徑向應變值超過極限拉應變后，復合材料試樣表面首先產生微裂紋，并逐漸向材料內部擴展、貫通，直至試件發(fā)生破壞，顯現出明顯的塑性變形。當復合注漿材料體積配比為1∶1和2.5∶1時（圖5（b）、（e）），試樣破壞表現為劈裂破壞，試樣兩側邊緣和內部產生較長的劈裂裂隙，這是壓縮過程中復合材料試樣內裂紋發(fā)展且不斷向內部擴展的結果。當復合注漿材料體積配比為1.5∶1時（圖5（c）），試樣的破壞形式為剪切破壞。這可能是由于該配比下的復合注漿材料難以充分結合，試樣內形成較多的弱結構面，在受力不勻條件下，當弱結構面上的剪切應力大于該界面的強度時，材料就發(fā)生沿著軟弱結構面的剪切破壞。

通過對不同配比條件下新型復合注漿材料抗壓強度和破壞特征分析可知，試樣在軸向應力作用下會產生劈裂破壞和剪切破壞。由此綜合考慮復合材料SCPJG-2在不同配比下的固結密實程度、反應溫度、固結體試樣的單軸抗壓強度和破壞特征得出，由于1∶1配比下的試樣單軸抗壓強度較高，同時具有明顯的塑性特征，因此能夠在一定程度上適應圍巖變形，達到較好的注漿加固效果。

4 注漿材料的抗拉強度和破壞特征

4.1 巴西劈裂抗拉強度巴西劈裂實驗作為間接測量巖石材料抗拉強度的常用手段，最常用的計算公式為^[22]

式中 σ_t為材料試樣的抗拉強度，Pa；P_t為破壞載荷，N；d，h分別為試件的直徑和厚度，m。在巴西劈裂試驗過程中，得到試驗機的軸向載荷P_t后，利用式（1）可得材料試樣在整個巴西劈裂試驗加載過程中的垂直應力-垂直應變曲線（σ_t-ε_t）。考慮到相同配比下的試樣的σ_t-ε_t曲線的變化規(guī)律具有相似性，因此選擇每一種配比下試樣的一組試驗數據（MB1-1，MB2-1，MB3-2，MB4-1及MB5-3）繪制σ_t-ε_t曲線，如圖6所示。

從圖6可以看出，不同配比下的新型復合注漿材料試樣在巴西劈裂試驗中的σ_t-ε_t曲線變化趨勢相近，試樣都經歷了4個階段，分別是壓實階段、彈性階段、裂紋擴展階段和峰后應力驟降階段。由于試樣中存在一定的孔裂隙，在初始加載階段，裂隙面垂直于加載方向的裂隙發(fā)生閉合。當裂隙完全閉合后，試件進入彈性變形階段，此時垂直應力與應變呈線性關系。隨著加載過程的持續(xù)，試件中出現新裂紋，并不斷擴展，垂直應力增長速率變緩，σ_t-ε_t曲線斜率降低。當垂直應力達到巖石極限強度時，試件被劈裂，壓力瞬間釋放，巖石進入峰后驟降階段，5種配比下的試樣均表現為較為明顯的脆性破壞。

為研究不同配比下的復合材料試樣的抗拉強度，將每種配比下的復合材料試樣的抗拉強度及其平均值的變化規(guī)律如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著復合材料體積配比的增加，試樣的抗拉強度表現為先快速增大再急劇減小后緩慢增大的趨勢，這與材料的單軸抗壓強度變化趨勢一致。例如，試樣的平均抗拉強度先從0.5∶1配比下的2 MPa增大到1∶1配比下的15.77 MPa，增大約688.5%，再下降到1.5∶1配比下的6.72 MPa，減小約57.39%，最后增大到2.5∶1配比下的11.53 MPa，增大約71.58%。但隨著漿液配比的增大，其抗拉強度的增長曲線斜率明顯減小，增長速率明顯變緩。同樣考慮到漿液反應程度與反應溫度。因此綜合考慮認為，在所研究的配比范圍內，當配比為1∶1時，試樣的平均抗拉強度最大，而體積配比為0.5∶1時的抗拉強度最小。這主要是由于1∶1配比下的漿液反應最為充分，形成的試樣內部孔、裂隙缺陷較少，完整程度高，而0.5∶1配比下的則相反。以上表明，當新型復合注漿材料的漿液體積配比為1∶1時，其抗拉強度最大，具有較好的抵抗拉伸變形的能力。且綜合其混合反應溫度和固結密實程度認為，在實際的注漿加固工程中宜選取漿液體積配比為1∶1的復合注漿材料。

4.2 巴西劈裂破壞特征在巴西劈裂試驗過程中，由VIC-3D試驗獲得試樣在巴西劈裂試驗過程中的裂紋擴展演化特征，其不同配比下的材料固結試樣在巴西劈裂試驗過程中的應變場演化特征如圖8所示。

從圖8可以看出，不同體積配比下的復合材料固結試樣在巴西劈裂試驗中的破壞形式基本一致，都是產生縱向劈裂破壞，具體為在試樣中部沿幾乎垂直方向起裂，繼而擴展演化為一條主裂紋，且所有的主裂紋都基本上下垂直貫穿。當配比為0.5∶1（圖8（a））時，由于試樣的抗拉強度較小，試樣在較短時間內產生劈裂破壞，因此表面應變變化較小。當配比為1∶1（圖8（b））時，試樣表面的應變逐漸增大，即表明其需要產生較大的變形后才發(fā)生破壞，因而其抗拉強度最大。隨著漿液體積配比的持續(xù)增大，試樣表面的應變先快速減小而后緩慢增加甚至不變（圖8（c）～（e）），且主裂紋也由直裂紋轉為傾斜裂紋，并有局部微小裂紋產生，但仍以縱向劈裂破壞為主。

5 注漿材料的抗剪強度和破壞特征

5.1 變角剪切所測抗剪強度在變角剪切試驗中，受剪巖樣剪切面上的正應力和剪應力分別為

而剪切巖樣的剪應變計算公式為

式中 σ為巖樣剪切面上的正應力，MPa；τ為巖樣剪切面上的剪應力，MPa；P為壓縮試驗機施加給巖樣的軸向載荷，N；A為巖樣剪切面面積，mm²；α為剪傾角，即剪切試樣放置角度，（°）；ε_τ為剪切巖樣的剪應變；S為壓縮試驗機的軸向位移，mm；L為受剪巖樣的長度，mm。在變角剪切試驗過程中，得到試驗機的軸向載荷P和軸向位移S后，利用式（3）和式（4）可得巖樣在整個剪切試驗加載過程中的τ-ε_τ曲線?？紤]到相同剪傾角、相同體積配比下的τ-ε_τ曲線的變化規(guī)律具有相似性，因此選擇每個剪傾角及每種體積配比下的復合材料的一組剪切試驗數據繪制τ-ε_τ曲線，其中，50°剪傾角下的試樣選擇MS1-5-3，MS2-5-2，MS3-5-3，MS4-5-1，MS5-5-2；60°剪傾角下的試樣選擇MS1-6-2，MS2-6-1，MS3-6-1，MS4-6-3，MS5-6-2；70°剪傾角下的試樣選擇MS1-7-3，MS2-7-3，MS3-7-3，MS4-7-2，MS5-7-2。其結果如圖9所示，試驗結果平均值見表3。

從圖9和表3可以看出，在相同剪傾角下，隨著復合材料體積配比的增加，試樣的抗剪強度依然呈現先快速增大后急劇減小再緩慢增大的變化趨勢。當漿液配比為1

∶1時，不同剪傾角的試樣抗剪強度最大。例如，以60°剪傾角為例，試樣的平均抗剪強度先從0.5∶1配比下的1.96 MPa增大到1∶1配比下的23.25 MPa，增大約1 086.2%；緊接

著，試樣的抗剪強度下降到2∶1配比下的15.74 MPa，

減小約32.3%，最后增大到2.5∶1配比下的17.51 MPa，增大約11.2%。隨著剪傾角的增大，相同配比下的復合材料的抗剪強度不斷減小，尤其當剪傾角為70°時，復合材料試樣的剪應力-剪應變曲線在過峰值剪切強度后，其剪應力快速減小，表現出明顯的脆性破壞，幾乎沒有殘余階段。

5.2 變角剪切破壞特征為了進一步研究復合注漿材料在變角剪切試驗過程中的變形破壞演化規(guī)律，將VIC-3D試驗所得的不同配比的試樣破壞后的表面應變云圖由圖10給出。從圖10可以看出，50°剪傾角下（圖10（a）），由于0.5∶1配比的試樣抗剪強度較低，因此其破壞最為嚴重，而1∶1配比下的試樣抗剪強度較高，故其破壞程度較小。在相同剪傾角下，當材料配比小于等于1.5∶1時，復合材料試樣剪切破壞過程中產生較多的次生裂紋，當配比大于等于1.5∶1時，試樣在中間位置產生明顯的剪切破壞。而在相同體積配比下，隨著剪傾角的增加，新型復合注漿材料試樣的剪切破壞越來越明顯，剪切主裂隙越來越接近試樣中心線，且在試樣中間位置處，剪切應變值最大，并有較多的次生裂紋產生。但其仍以沿試樣中心位置的剪切破壞為主。

通過對不同剪傾角及不同配比下的新型復合注漿材料試樣的抗剪強度和破壞特征的分析，并結合反應溫度與固結密實程度可以認為，當體積配比為1∶1時，材料的抗剪強度最大，具有良好的抵抗圍巖剪切變形與破壞的能力，因此在實際的注漿加固工程中，宜選取體積配比為1∶1的復合注漿材料。

6 結 論

1）隨著漿液體積配比的增大，復合注漿加固材料固結試樣的內部缺陷呈現出先減小后增大再減小的趨勢，導致試樣的單軸抗壓強度、抗拉強度與抗剪強度均呈現出先快速增大后急劇減小再緩慢增大的變化特征。

2）在有效的漿液體積配比范圍內，綜合考慮固結體的密實程度和反應溫度認為，當復合注漿加固材料的漿液體積配比為1∶1時，其固結試樣的壓拉剪強度皆最大，表明其具有在復雜應力下良好的承載能力，宜被作為復合注漿加固材料。

3）在不同漿液體積配比下，復合注漿材料固結試樣在單軸壓縮下呈現出塑性破壞、劈裂破壞和剪切破壞。在巴西劈裂條件下，其固結試樣表現為起裂于中心且沿縱向擴展的劈裂破壞，且漿液體積配比越大，其貫穿裂隙呈現出傾斜的趨勢。在變角剪切試驗中，當剪傾角相同時，隨著漿液體積配比的增加，其沿試樣中心的剪切破壞越明顯；而在相同體積配比下，隨著剪傾角的增大，其固結試樣在發(fā)生剪切破壞時，其伴隨產生的次生裂紋也增多。

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