馬鵬遠(yuǎn)，楊其新，蔣雅君

(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

隧道及地下工程穿過溶洞、軟弱地層、斷層破碎帶等不良地質(zhì)時(shí)，需要注漿加固。由于工程施工工藝及工期等條件的限制，要求注漿材料能夠在可控制的較短時(shí)間內(nèi)膠凝并具有較高的凝膠強(qiáng)度。丙烯酸鹽-水泥基復(fù)合漿液(簡(jiǎn)稱復(fù)合漿液)是在丙烯酸鹽灌漿材料的基礎(chǔ)上研制出來的一種復(fù)合漿液。為了提高漿液加固地層的承載力，采用水泥替代丙烯酸鹽漿液中的部分成分。復(fù)合漿液綜合了丙烯酸鹽漿材和水泥漿材的優(yōu)點(diǎn):丙烯酸鹽作為有機(jī)化學(xué)漿材，具有粘度低、可灌性好的優(yōu)點(diǎn)，并且丙烯酸鹽增加了復(fù)合漿液固結(jié)體的彈性，吸水膨脹;水泥漿材大幅提高了復(fù)合漿液的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度，并能夠調(diào)整膠凝時(shí)間。

本文通過試驗(yàn)主要研究該復(fù)合漿液的膠凝時(shí)間和凝膠強(qiáng)度在不同配比條件下的變化規(guī)律。優(yōu)化調(diào)整復(fù)合漿液各組份配比，使復(fù)合漿液能夠基本滿足早凝快硬的工程注漿使用要求，具有良好的注漿性能。

1 復(fù)合作用機(jī)理

水泥的復(fù)合作用機(jī)理大致可以歸納為以下幾點(diǎn)［1-3］。

(1)均勻分散，可以防止或減少水分蒸發(fā)和防止干燥基體對(duì)水分的吸收，從而使水化作用更趨完善。

(2)丙烯酸鹽的加入改善了凝膠材料與巖體界面的狀況，增大了它們之間的粘結(jié)力，而粘結(jié)力對(duì)固結(jié)巖體的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度同時(shí)做出了貢獻(xiàn)。

(3)丙烯酸鹽與超細(xì)水泥同時(shí)起到膠凝作用，其結(jié)果增大了漿液固結(jié)結(jié)石的強(qiáng)度，使結(jié)石只有連續(xù)出現(xiàn)微裂紋后才會(huì)遭到壓縮破壞。

(4)丙烯酸鹽在水泥水化結(jié)構(gòu)中均勻分布，并與水泥凝膠形成了立體三維網(wǎng)絡(luò)，并且這兩種網(wǎng)絡(luò)形成相互貫穿，相互依托，組成空間的立體交叉結(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，由于有機(jī)、無機(jī)兩相之間，發(fā)生一定程度的交聯(lián)，增強(qiáng)了材料的復(fù)合效應(yīng)，這是低水灰比聚合物水泥基復(fù)合材料中一種獨(dú)特的優(yōu)異結(jié)。

(5)水泥在凝結(jié)硬化過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量孔隙或微裂紋而在材料中形成薄弱部位，加入的丙烯酸鹽分散并聚集于孔隙壁上，在孔隙壁上或微裂紋表面形成一層聚合物膜，對(duì)于這些薄弱部位產(chǎn)生增強(qiáng)作用。

2 膠凝時(shí)間

2.1 正交試驗(yàn)ZJ1

本文通過多次正交試驗(yàn)篩選得到影響因子為:丙烯酸鹽溶液、水泥、水、過硫酸鈉，其中丙烯酸鹽溶液濃度36%～40%，復(fù)合漿液中過硫酸鈉占丙烯酸鹽溶液的1‰。通過L8(23)正交試驗(yàn)研究各因子對(duì)膠凝時(shí)間的作用大小并優(yōu)選配方，該組試驗(yàn)編號(hào)為ZJ1，優(yōu)化的正交試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 復(fù)合漿液膠凝時(shí)間

2.2 結(jié)果分析

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)復(fù)合漿液膠凝時(shí)間影響最大的因子是水，漿液的水灰比會(huì)對(duì)膠凝時(shí)間產(chǎn)生很大影響，因此水灰比是控制復(fù)合漿液凝結(jié)時(shí)間的重要指標(biāo)。

(2)復(fù)合漿液膠凝時(shí)間在1～3 min范圍波動(dòng)，時(shí)間較短，適用于雙液注漿，能夠滿足注漿快凝的要求。

(3)試驗(yàn)優(yōu)選配方為A1B2C2D，即丙烯酸鎂溶液60 mL，水泥 60 g，水 20 mL，過硫酸鈉 0.06 g。

3 結(jié)石抗壓強(qiáng)度

3.1 正交試驗(yàn)ZJ2、ZJ3

結(jié)石強(qiáng)度試驗(yàn)參照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》之砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行，通過L9(34)正交試驗(yàn)研究復(fù)合漿液各因子對(duì)結(jié)石抗壓強(qiáng)度的影響作用大小并優(yōu)化配方。

設(shè)計(jì)第一組試驗(yàn)，編號(hào)為ZJ2，試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)ZJ2組試驗(yàn)得到優(yōu)選配方為A2B3C2D2，在該配方的因子水平基礎(chǔ)上，進(jìn)一步縮小因子水平范圍，設(shè)計(jì)第二組試驗(yàn)，編號(hào)為ZJ3組，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

3.2 結(jié)果分析

(1)ZJ2、ZJ3組試驗(yàn)結(jié)果表明，影響復(fù)合漿液結(jié)石強(qiáng)度的主要因素是復(fù)合漿液中水泥的含量，隨著水灰比減小，復(fù)合漿液的結(jié)石抗壓強(qiáng)度明顯提高。因此水灰比也是控制復(fù)合漿液強(qiáng)度的重要指標(biāo)。

(2)兩組試驗(yàn)得出最優(yōu)配方為A1B3C1D3，即丙烯酸鎂溶液 70 mL，水泥 110 g，水 30 mL，過硫酸鈉0.12 g;第二位的是 A2B3C2D2，即丙烯酸鎂溶液80 mL，水泥100 g，水 40 mL，過硫酸鈉 0.08 g;第三位的是A1B2C1D1，即丙烯酸鎂溶液90 mL，水泥100 g，水30 mL過硫酸鈉0.08 g。

表2 ZJ2組復(fù)合漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度

表3 ZJ3組復(fù)合漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度

(3)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然過硫酸鈉對(duì)復(fù)合漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度的影響最小，但是它又是復(fù)合漿液能夠產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)必不可缺的重要組份。

4 優(yōu)化配比

通過以上試驗(yàn)分析可見，水灰比是影響復(fù)合漿液性能的重要指標(biāo)。因此將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照水灰比、聚灰比(丙烯酸鹽溶液:水泥)、水聚比(水:丙烯酸鹽溶液)的變化，研究復(fù)合漿液膠凝時(shí)間和結(jié)石抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，并繪制曲線圖。如圖1、圖2所示。

在試驗(yàn)研究的范圍內(nèi)，隨著水灰比的增大，膠凝時(shí)間有先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì)，復(fù)合漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度明顯提高。隨著聚灰比的減小，復(fù)合漿液膠凝時(shí)間有縮短的趨勢(shì)，結(jié)石抗壓強(qiáng)度提高。

綜合考慮復(fù)合漿液的膠凝時(shí)間和結(jié)石抗壓強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo)，并保證復(fù)合漿液具有良好的流動(dòng)性、可灌性及施工可行性，最終確定優(yōu)化的復(fù)合漿液配比是，水 ∶丙烯酸鹽溶液∶水泥=3∶6∶10，過硫酸鈉占丙烯酸鎂溶液的1‰，該復(fù)合漿液適用于雙液法注漿，A組份水泥漿，B組份丙烯酸鹽溶液混合過硫酸鈉。漿液的膠凝時(shí)間2 min左右，30 min結(jié)石抗壓強(qiáng)度能達(dá)到5 MPa左右。

圖1 膠凝時(shí)間變化趨勢(shì)

圖2 結(jié)石抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)

5 注漿模擬

為檢驗(yàn)復(fù)合漿液在實(shí)際工程注漿中的可行性及效果，在試驗(yàn)室通過雙組份注漿設(shè)備完成模擬注漿試驗(yàn)。

將粒徑小于10 mm的碎石砂子裝滿塑料桶并壓實(shí)，模擬破碎松散圍巖(圖3)。注漿壓力控制在1～2 MPa，漿液從PVC管中注入，當(dāng)漿液從頂部冒出時(shí)停止注漿(圖4)。

圖3 破碎松散圍巖模擬試件

圖4 模擬灌漿試驗(yàn)過程

完成注漿后3 min，剖開塑料桶后觀察，灌漿漿液在碎石中的混合效果較好，能形成較為均勻的包裹和粘結(jié)效果(如圖5、圖6)。完成注漿30 min后，觀察注漿體試樣成型較好，用鐵鍬敲打其表面無變形和水泥塊剝落的情況，強(qiáng)度較高，鑿開試樣上下端部位，可見試樣內(nèi)部復(fù)合漿液凝結(jié)均勻填充在碎石縫隙內(nèi)，并具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度(圖7、圖8)。

圖5 灌漿結(jié)束1 min左右的試樣表面

圖6 桶內(nèi)灌漿試樣觀察

圖7 試件頂部粘結(jié)情況

圖8 試件底部粘結(jié)情況

6 結(jié)論

(1)通過試驗(yàn)研究的丙烯酸鹽-水泥基復(fù)合漿液的最優(yōu)配比為，水 ∶丙烯酸鹽溶液 ∶水泥=3∶6∶10，過硫酸鈉占丙烯酸鎂溶液的1‰。

(2)該復(fù)合漿液適用于雙液法注漿，A組份水泥漿，B組份丙烯酸鹽溶液混合過硫酸鈉。漿液的膠凝時(shí)間2 min左右，30 min結(jié)石抗壓強(qiáng)度能達(dá)到5 MPa左右。

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