水泥基注漿材料固結(jié)體的強(qiáng)度特征是影響巖體注漿加固效果的關(guān)鍵因素,進(jìn)一步提高水泥基注漿材料的力學(xué)特性對(duì)維護(hù)裂隙巖體穩(wěn)定性而言有重要意義。本文結(jié)合國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2013CB036003)和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51734009),研究了碳納米管對(duì)水泥基注漿材料力學(xué)特性的影響,結(jié)合多種納米表征技術(shù)和分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,從微觀角度揭示了碳納米管增強(qiáng)水泥基注漿材料力學(xué)特性的機(jī)理,并對(duì)提高碳納米管在水泥環(huán)境下的分散穩(wěn)定性進(jìn)行初步探索。主要成果及結(jié)論如下:(1)通過常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)研究了碳納米管對(duì)水灰比為0.6的水泥基注漿材料固結(jié)體28天齡期力學(xué)性質(zhì)的影響,結(jié)合壓汞法和掃描電鏡試驗(yàn)等細(xì)觀表征手段對(duì)固結(jié)體的孔隙率和微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明,碳納米管能提高普通水泥基注漿材料固結(jié)體的抗壓、抗拉和抗剪強(qiáng)度;碳納米管可通過納米充填作用降低固結(jié)體的孔隙率和毛細(xì)管孔含量,分布在裂隙內(nèi)的碳納米管還可發(fā)揮橋接作用,從而提高注漿材料的力學(xué)特性。當(dāng)用制備的漿體對(duì)含節(jié)理面的巖石膠結(jié)加固后,加固體破壞時(shí)膠結(jié)面的平均能量釋放率隨碳納米管含量的增大而增大,表明碳納米管增強(qiáng)水泥基注漿材料在巖石注漿加固領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。(2)基于原子力顯微鏡技術(shù),采用Peak Force QNM方法對(duì)碳納米管增強(qiáng)水泥基注漿材料的納米力學(xué)特性進(jìn)行大量測(cè)試,著重分析了碳納米管對(duì)漿液固結(jié)體微觀楊氏模量和表面粘附力的影響。測(cè)試結(jié)果表明,加入0.018~0.036 wt%的碳納米管使基體內(nèi)低密度和高密度水化產(chǎn)物的平均楊氏模量分別增加了21~36%和5~13%,使材料表面微觀粘附力平均提高10~13%左右。微觀力學(xué)特性測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步揭示了碳納米管對(duì)水泥基注漿材料的力學(xué)特性增強(qiáng)機(jī)理。(3)在漿液固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)特征和納米力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上,建立模擬含碳納米管水泥基注漿材料微單元的分子動(dòng)力學(xué)模型,在原子尺度上研究了模型單元在剪切作用下的力學(xué)行為,進(jìn)一步從納米尺度闡述了碳納米管的增強(qiáng)機(jī)理。模擬結(jié)果顯示,碳納米管可通過增大材料單元破壞過程中的納米摩擦作用來(lái)提高斷裂能;分布在低楊氏模量單元內(nèi)的碳納米管的增強(qiáng)效應(yīng)更明顯;碳納米管對(duì)材料納米摩擦作用的增強(qiáng)效應(yīng)隨其傾角的增大而變?nèi)?當(dāng)傾角增加至一定值時(shí),碳納米管能起到引導(dǎo)裂隙擴(kuò)展的作用,反而降低材料單元的強(qiáng)度。(4)對(duì)于碳納米管在水泥環(huán)境下易發(fā)生重新團(tuán)聚的現(xiàn)象,通過在碳納米管水性分散液內(nèi)引入適量甲基纖維素,不僅可以抑制水泥孔隙溶液內(nèi)金屬陽(yáng)離子對(duì)碳納米管的吸附作用,還可以提高分散液粘滯系數(shù),降低納米顆粒因布朗運(yùn)動(dòng)碰撞而團(tuán)聚的幾率,有利于維持碳納米管在水泥環(huán)境下穩(wěn)定分散,從而提高碳納米管對(duì)水泥基注漿材料力學(xué)特性的增強(qiáng)作用。當(dāng)甲基纖維素含量過高時(shí),不僅不利于碳納米管的分散,還會(huì)在漿液固結(jié)體內(nèi)引入大量氣泡,使固結(jié)體內(nèi)孔洞更發(fā)育,于最終強(qiáng)度有不利影響。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TU528
【部分圖文】：

例如：硅粉雖然可以提高水泥類注漿材料的穩(wěn)定性和固結(jié)強(qiáng)度，然而由于其比表面積較大，在漿體攪拌過程中容易導(dǎo)致顆粒間吸附抱團(tuán)，降低漿體的流動(dòng)性[28]；粉煤灰、高爐礦渣等對(duì)漿體性能影響也較為復(fù)雜，甚至降低漿液的穩(wěn)定性和強(qiáng)度[43]；通纖維材料能抑制水泥固結(jié)基體內(nèi)的裂紋萌生擴(kuò)展，但影響漿體在巖體裂隙內(nèi)的運(yùn)移擴(kuò)散[44]；植物灰、廢橡膠顆粒等的使用無(wú)疑又增加了漿體制備的工序。因此需要通過引入新的改性技術(shù)，在能保證水泥基注漿材料強(qiáng)度特性得到提高的同時(shí)不影響其其他方面的性能，在巖體注漿加固領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。1.2.2 碳納米管增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料研究現(xiàn)狀（1）碳納米管的性質(zhì)碳納米管（Carbon nanotubes，以下簡(jiǎn)稱為 CNTs），自 1991 年被日本科學(xué)家 Ijim發(fā)現(xiàn)以來(lái)[64]，由于其新穎獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理力學(xué)特性，已引起國(guó)內(nèi)外物理、化學(xué)、材料、電子界的極大興趣[65-68]。CNTs 是由單層或多層石墨片卷曲而成的無(wú)縫納米級(jí)纖維狀材料，是由一個(gè)碳原子通過 sp2雜化與周圍三個(gè)碳原子完全鍵合而成的六邊形平面組成的圓柱面[19]。CNTs 可分為單壁碳納米管（SWCNTs）和多壁碳納米管（MWCNTs）兩種[69-71]（圖 1-1）。

1 緒論Al-Rub 等[83]研究了普通的和經(jīng)酸化處理后的 CNTs 分別對(duì)水泥材料 28 天齡期的楊氏模量、抗彎強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn) 0.2 wt%含量的 CNTs 能使材料的楊氏模量和抗彎強(qiáng)度分別提高約 27%和 85%左右，而加入酸化處理后的 CNTs 卻對(duì)材料的力學(xué)特性有不利影響。他們將這一現(xiàn)象歸因于酸化處理后的 CNTs 能使水泥基體內(nèi)鈣礬石物相的組分增加，從而降低 C-S-H 凝膠的含量的緣故。Gdoutos 等[84]從斷裂力學(xué)角度分析了碳納米纖維和 CNTs 對(duì)水泥砂漿力學(xué)特性的影響，發(fā)現(xiàn) CNTs 能使水泥砂漿內(nèi) I 型裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子、應(yīng)變能釋放率分別提高約 128%和 155%左右。

目前關(guān)于碳納米管改性水泥基復(fù)合材料的研究已日趨成熟，這為制備高性能水泥注漿材料提供了依據(jù)。水泥基注漿材料水灰比通常較大，然而縱觀國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，關(guān)于 CNTs 對(duì)高水灰比水泥基材料力學(xué)特性的影響的研究較少，有待于進(jìn)一步探索。1.2.3 碳納米管增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料微觀作用機(jī)理研究現(xiàn)狀Makar 等[109]通過掃描電鏡觀測(cè)了 CNTs 對(duì)水泥水化過程的影響，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是聚集成束還是獨(dú)立分散，CNTs 在水泥的早期水化過程中都起到了結(jié)晶成核（nucleationeffect）的作用；水化產(chǎn)物以 CNTs 為媒介附著，加快了水化反應(yīng)的速率，促進(jìn)了水化產(chǎn)物之間的聯(lián)結(jié)，使最終材料基體的結(jié)構(gòu)更加致密（圖 1-3）。Luo 等[89]發(fā)現(xiàn)水化過程中 CNTs 表面會(huì)被 C-S-H 凝膠包裹，水化產(chǎn)物呈網(wǎng)狀分布、互相聯(lián)結(jié)。Balasubramaniam等[110]也研究了CNTs對(duì)水泥水化反應(yīng)的促進(jìn)效應(yīng)。Skripkiūnas等[111]分析了含碳納米管水泥砂漿的傅里葉變換紅外光譜（FT-IR），并基于差示熱量掃描法（differential scanning calorimetry）計(jì)算了水泥砂漿內(nèi)氫氧化鈣的含量的變化量，發(fā)現(xiàn)基體內(nèi)鈣礬石和氫氧化鈣含量都明顯降低，這也說(shuō)明了 CNTs 對(duì)水泥水化反應(yīng)有促進(jìn)作用。
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