防渗新技术分析：常规三轴试验PBFC防渗浆材破坏形态

1）试验步骤

浆材的抗剪强度主要采用三轴应力应变仪进行测试，浆材的配比试验方案见表4.1，其试验步骤如下：

①在浆材搅拌均匀后30 min内，将浆材倒入准备好的模具中，模具直径为61.8 mm，高为120 mm，在模具内壁涂抹凡士林。然后将成型的试样放在水中养护，养护完成后对试样进行裁切和整平。

②试样养护28 d后进行三轴压缩试验，且采用不排水不固结试验（UU试验），试验过程采用按剪切速率进行采样，剪切速率为1 mm/min，采用单级加载的方式，最大剪切量为6 mm。应力应变三轴试验仪在试验过程中会通过数据采集系统实时采集试验数据保存在计算机中，达到试验结束条件后系统会自动停止试验。

③试验完成后，需关闭排水阀，卸载试样周围压力，排除压力缸内的水，拆除试样，切勿将试样小颗粒散落在试验仪器的任何小孔上，拆除试样后用毛巾将试验仪器擦干净，导出试验数据。

2）防渗浆材的破坏机制分析

观察防渗浆材试块通过三轴压缩试验达到破坏后的情况，大部分试块的破坏类型为典型剪切破坏，如图4.9所示。防渗浆材试块出现自端部一侧沿45°～60°倾角的剪切裂缝，这些裂缝沿斜向贯穿整个试块，最后使得试块产生剪切破坏。

部分试块的破坏类型为楔形与劈裂剪切破坏，如图4.10所示。可以看出，试块顶部首先出现竖向裂缝，裂缝自顶部向下不断延伸，产生劈裂剪切破坏，劈裂至试块1/3部位时有斜向倾角裂缝产生，沿着这个裂缝又有楔形破坏产生。

图4.9　试块发生典型的剪切破坏

图4.10　试块发生楔形与劈裂剪切破坏

从材料的破坏机制来看，典型截切破坏、楔形及劈裂剪切破坏均有张拉裂缝产生，且裂缝形式具有自上而下的特点。产生张拉裂缝的主要原因是随着竖向三轴应力逐渐增大，由此产生横向的拉应力超过试块抗拉强度，从而造成材料的破坏。

3）不同配比和围压对防渗材料抗剪强度的影响

按照前述试验方案，对养护龄期为28 d的不同配比的PBFC防渗浆材试块进行围压为100，200和300 kPa的三轴抗压试验，每组编号试块进行了10次以上重复试验，以取得可靠的应力-应变数据。对于不同配比及不同围压条件下，选择UU三轴试验具有代表性的试验组应力-应变曲线关系（A1～A5，B1～B5，C1～C5）如图4.11所示。(www.xing528.com)

图4.11　各组试块三轴UU试验应力-应变关系曲线

从图4.11中给出的曲线可以看出，在不同试验条件的情况下，防渗浆材的应力-应变曲线呈现基本相同的屈服方式。以试验组A3为例，在不同围压状态下，试块的应力-应变曲线变化规律是随着应变的增大，试块的应力是先直线性增大，然后应力下降再增大，最后保持平稳的状态，且在应变达到极限应变时，试样达到其极限应力值，可以得知，试块的极限应变值在0.5%～1.5%。观察其他试验组的关系曲线图也可得出在进行不固结、不排水三轴试验时，防渗浆材试块的极限应变值在0.5%～1.5%，此时可以认为试块已经被破坏，试块应力达到其极限应力。

表4.10　防渗浆材力学性能参数（极限应力、极限应变及抗剪强度参数）

注：εpeak——试样发生破坏时的极限应变，%；
σ1-σ3——试样发生破坏时的极限应力，kPa；
C——试样的黏聚强度，kPa；
φ——试样的内摩擦角，（°）。

为了进一步分析不同配比和围压对防渗材料抗剪强度的影响，给出防渗浆材的极限应力（偏差应力）及对应的极限应变，见表4.10。其中极限应力的部分作为绘制莫尔应力圆并获得抗剪强度参数的依据。从表4.10可以看出，在进行不固结、不排水三轴试验时，防渗浆材试块的极限应变值为0.5%～1.5%，此时可以认为试块已经被受压破坏，当试块达到极限应变时其对应的应力值为其极限应力。

如图4.12所示，在不同的围压状态下：随着水泥掺量的增加，防渗浆材试块的极限应力值先增大后减小，当水泥掺量为200 g/L时，防渗浆材试块的极限应力值达到最大值；随着膨润土掺量的增加，浆材试块的极限应力呈现先增大后减小的趋势。

图4.12　不同围压状态下硬化浆材试块的极限应力随水泥和膨润土掺量的变化

4）防渗浆材的硬化及破坏机理分析

在防渗浆材的主要成分中，水泥和膨润土是决定材料强度的关键，因为材料的强度主要来自水泥和膨润土的硬化，所制备的PBFC防渗浆材是一种自硬性胶凝材料。研究表明，当水泥与加水的膨润土混合后，水泥首先会发生水化反应，水泥中的硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）及铁铝酸四钙（C4AF）会与水发生一系列复杂的化学反应，形成水化硅酸钙胶体（CSHgel）、水化铝酸钙胶体（CAHgel）和氢氧化钙（CH）等产物。产物中的氢氧化钙向溶液中释放Ca2+和OH-。其中，游离的Ca2+会与钠基膨润土中的Na+发生置换，形成钙基膨润土，钙基膨润土在分散性和膨胀系数上均弱于钠基膨润土。这一系列的化学变化是导致材料发生絮凝的原因。

与此同时，水泥水化反应释放出的OH-使泥浆的pH值升高，使得膨润土内部的二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（Al2O3）成分向外溶解。这些SiO2和Al2O3会与水泥水化产生的CH继续反应，从而在膨润土表面再次凝聚形成CSH和CAH胶体，加强了各微粒之间的黏结性，这一反应又被称为火山灰反应。

随着水泥和膨润土用量的增加，水泥的水化反应及与膨润土凝聚反应使得试块内部的黏结作用增强，从而使得试块的抗剪强度增强。但随着水泥掺量的进一步增加，在水化反应过程中产生的大量Ca2+会导致膨润土向钙基膨润土转化，致使膨润土的分散性和膨胀性变差，导致材料内部的黏结作用降低，试块的抗剪强度降低。当膨润土掺量较少时，随着膨润土掺量的增加，水泥水化产物CH与膨润土发生火山灰反应生成CSH和CAH胶体，使得防渗浆材的抗剪强度有一定提高，而膨润土掺量进一步增加，大量的Ca2+与钠基膨润土中Na+发生离子置换作用，使得钙基膨润土在防渗浆材的占比提高，从而导致防渗浆材的抗剪强度降低。

随着碳酸钠和PVA掺量的增加，防渗浆材试块的抗剪强度离散性增大，没有呈现规律性的变化，由于碳酸钠和PVA会发生交联反应，进行三轴抗压试验受外部条件影响较多，尚不能准确确定出碳酸钠和PVA对防渗浆材抗剪强度的影响规律。