有机硅材料改性泥岩的强化机理与效果研究

泥岩的强风化、软化、崩解和膨胀甚至泥化特性是造成重大岩土工程灾害的主要诱因。有机硅材料具有良好的憎水性能，不仅无毒、无腐蚀作用，而且可与无机材料表面产生牢固的结合。鉴此提出了采用有机硅材料改变泥岩特性实现其工程长期稳定性的研究思路。研究以含蒙脱石和高岭石或伊利石含量为主的两类泥岩的孔裂隙结构、表面性质，以及有机硅材料在泥岩孔裂隙中的渗透、扩散规律，建立泥岩渗透、扩散与其孔裂隙结构特征的相关规律。研究泥岩经有机硅材料改性后的矿物组成、微细观结构和表面性质的变化规律，揭示有机硅材料与泥岩表面的界面偶联机理和结合形式，探索有机硅材料改性泥岩的物理力学强化机制。研究不同温度、压力和作用时间，不同种类、浓度的有机硅材料对泥岩试件及重塑样的改性效果，包括吸水膨胀性能、崩解性能和力学性能，得出有机硅材料种类、浓度、温度、作用时间等因素与改性效果的相关规律，建立有机硅材料改性泥岩的基础理论。

针对煤系地层泥岩的矿物特性与水化膨胀、碎胀扩容、强度降低等物理力学特征和软岩工程地质灾害特点及目前工程控制方法中存在的问题，提出了采用材料改性技术对煤系泥岩进行原位改性提高其强度、降低其水敏性进而实现软岩工程稳定性控制，为软岩及其工程稳定性的研究开创了新的思路和技术途径；基于泥岩样品的扫描电镜测试和液氮等温吸附试验，系统研究了煤系泥岩的显微孔裂隙形态特征和分布规律，进而探讨了孔裂隙分布特征对其吸水软化崩解性的影响规律，认为泥岩吸水软化崩解是在宏观结构破坏或扰动的基础上，由微孔裂隙吸附效应引起的，受其物质组成不同的影响，自然吸水率和软化崩解机理存在明显差异；通过对自然含水状态泥岩试样的变角剪切压模试验，研究泥岩压剪破坏裂隙演化规律和破裂块体分布的分形特征，发现泥岩压剪破坏是能量耗散的非线性动力学过程，破裂块体分布具有明显的自相似性，可用分形维数值表征破裂块体的块度分布特征；受破裂类型由张性破裂为主转变为剪切破裂为主的影响，随剪切角的增大，破裂块体分布的分形维数值呈对数关系递减。通过膨胀试验研究了不同水化学环境下泥岩的胀缩性能，分析了层理面方位、同种类不同浓度、同浓度不同价位阳离子以及不同化学路径对泥岩胀缩性的影响规律。并结合扫描电镜能谱分析，探讨了泥岩胀缩性能发生变化的内在机制；对泥岩进行了有机硅材料改性试验，采用静态水接触角法、液氮等温吸附、自由膨胀试验、扫描电镜能谱分析以及常规岩石力学强度试验等物理化学测试手段对比分析了泥岩改性前后疏水性、孔裂隙、胀缩性、微结构及物理力学特征等物性变化规律，并分析了有机硅材料改性泥岩的改性机理；自主开发研制了软岩膨胀试验装置，可实施水化学和电化学条件下软岩的膨胀试验，有助于对软岩改性效果的定量研究。创造性的提出膨胀性软岩土的原位改性加固方法，丰富和完善了软岩工程稳定性控制技术的理论体系和实践内涵，对软岩及其工程稳定性控制理论的研究和控制实践的发展具有积极的推动作用。