单轴压缩作用下高聚物注浆材料力学特性及其破坏机理研究

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与传统的水泥基注浆材料相比,高聚物注浆材料具有高膨胀率、低密度、速凝、环保、不透水性等优良特性。这些特性为其在基础设施非开挖修复中广泛应用提供了可能。目前,高聚物注浆材料已被用作管道,无砟轨道和路面沉降的抬升;隧道,地铁和大坝的渗漏封堵;地基和路堤土体的固结加固。高聚物注浆材料用于修复基础设施时,常埋于地下,人们主要关注它的抗压性能。充足的屈服强度是保障工程修复后长期稳定运行的关键,然而,过去的研究基本关注密度影响下试样的抗压力学特性,其他影响因素的研究目前尚不多见。此外,对理论模型和破坏机理的关注也较少。因此,本文研究高聚物注浆材料单轴压缩力学特性及其破坏机理,主要结论及成果如下:(1)采用高压气流雾化法制备密度为0.2 g/cm~3和0.4 g/cm~3的高聚物注浆材料试样,基于CT扫描获得10.0 mm和70.7 mm两种尺寸的试样内部特征灰度图。结果表明:不同密度的试样内部存在未发泡区域或裂缝等缺陷;密度是0.2g/cm~3和0.4 g/cm~3的试样,其XY、XZ和YZ截面平均等效直径分别是131μm、139μm、135μm和100μm、102μm、102μm;不同密度的试样泡孔结构均没有明显的各向异性;试样的密度沿底部向上逐渐减小,沿其余两个方向没有明显的变化。(2)通过单轴压缩试验,测试了不同因素对高聚物注浆材料试样力学特性的影响。结果表明:试样密度对其力学特性的影响很大。当高聚物注浆材料试样的密度逐渐增加时,屈服强度(σ1)、弹性模量(E1)和割线模量(Es)均以幂函数的方式逐渐增加,泊松比(v)以对数函数的方式逐渐增加。与试样密度的影响相比,应变速率对其力学特性的影响较小;试样尺寸和加载方向对其力学特性几乎没有影响。(3)基于Hyper Foam模型和弹性力学理论,根据单轴压缩试验数据,建立密度为唯一影响因素的高聚物注浆材料单轴压缩力学特性理论模型。结果表明:建立的理论模型能较好地反映低密度高聚物注浆材料在单轴压缩条件下的应力-应变行为。当密度一定时,不同实验条件得到的高聚物注浆材料屈服强度(σe)与理论得到的屈服强度(σp)很接近(0.1~14.4%)。(4)在单轴压缩试验的基础上,分别结合DIC和CT扫描揭示试样最终失效形式和破坏机理。结果表明:不同密度试样的DIC最终失效模式不同。低密度试样的最终失效形式是试样不断鼓胀导致的表面变形过大;高密度试样最终的失效形式是产生斜对角裂缝使试样破坏。在荷载作用下,材料内部的裂缝首先在泡孔壁相对较薄的区域产生,然后相互连通向表面延伸发展。试样的最终破坏形式不同主要是因为不同密度的材料其分子链之间的吸附能力不同。
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