摘 要：采取熱活化、機(jī)械活化、化學(xué)活化、晶種活化等復(fù)合激發(fā)措施充分激發(fā)煤矸石潛在的火山灰反應(yīng)活性，進(jìn)而選取物化性能符合要求且價(jià)格低廉的輔助材料（主要是石灰和石膏）進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，配制了以煤矸石作為主要原材料的注漿材料。并研究了漿材的水化機(jī)理及其各種基本物理力學(xué)性能指標(biāo)，通過對(duì)其工作性及耐久性進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其具有較好的膠凝性質(zhì)及抗?jié)B性能，符合現(xiàn)時(shí)通用的注漿材料檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，可以用作隧道侵限加固材料。

關(guān)鍵詞：隧道 侵限 注漿材料 耐久性

中圖分類號(hào)：U45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（c）-0036-03

由于地質(zhì)及施工等方面原因，隧道運(yùn)營過程中會(huì)出現(xiàn)一定的病害狀況，這些病害的發(fā)展將嚴(yán)重威脅隧道的安全運(yùn)營。目前主要的隧道病害類型為二次襯砌裂損、拱背空洞或不密實(shí)、滲漏水、內(nèi)空侵限、路面斷板及冒水等[1]。其中，針對(duì)侵限內(nèi)裂縫的整治處理措施主要為采用一種高性能的注漿材料，即要求漿液具有較高的工作性能，包括良好的流動(dòng)性、穩(wěn)定性、可塑性以及易密性。本文以焦柳鐵路郜營局界至西齋局界（K478+000～K798+477.4）的隧道侵限整治工程，共計(jì)9座隧道出現(xiàn)侵限病害問題為研究背景。主要以大摻量改性煤矸石粉為基礎(chǔ)，引入高活性激發(fā)劑及誘導(dǎo)水化晶種等組分，設(shè)計(jì)一種高性能低成本化的注漿材料，并進(jìn)行工作性及耐久性等方面試驗(yàn)研究。

1 原材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

選用焦作地區(qū)煤矸石，將煤矸石經(jīng)800 ℃低溫煅燒，恒溫1 h后在空氣中快速冷卻，并將煅燒煤矸石磨細(xì)，經(jīng)Ka法[2]和ISO法測(cè)定，其火山灰活性合格。采用石灰與硬石膏，經(jīng)機(jī)械粉磨、過篩（篩孔為0.06 mm）后做輔助材料。采用自主研發(fā)的外加劑（ZGW），主要有早強(qiáng)、減水及微膨脹作用。在膠凝材中引入鈣礬石、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等作為晶種。主要原材料化學(xué)組成見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)主要考慮參數(shù)為粘度、析水率、凝膠時(shí)間及漿材抗壓強(qiáng)度，主要試驗(yàn)方法見文獻(xiàn)[3]。

首先進(jìn)行基礎(chǔ)配合比研究，在確定煤矸石、石灰、石膏之間的配比后，選一抗壓強(qiáng)度最優(yōu)的配方，將自主研發(fā)的ZGW復(fù)合激發(fā)劑摻入其中。通過正交試驗(yàn)找到本文實(shí)驗(yàn)條件下的材料組成最優(yōu)組別。煤矸石選60%、70%、80%三個(gè)水平，而石灰和石膏則分別選15%、20%、25%和3%、4%、5%水平，選抗壓強(qiáng)度作為考核指標(biāo)。本次實(shí)驗(yàn)采用L9（34）的正交表（即4因素3水平的正交表）安排試驗(yàn)方案，正交試驗(yàn)中配料配合比及測(cè)試結(jié)果如表2所示。

通過分析各因素對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響可知，煤矸石摻量在60%～80%之間變化時(shí)，結(jié)石體強(qiáng)度先增大后減小，其中70%時(shí)，結(jié)石體強(qiáng)度較好，而60%、80%時(shí)強(qiáng)度較低，但60%的仍然比80%高；當(dāng)石灰、石膏分別在15%～25%和3%～5%之間變化時(shí)，隨著摻量的增加，結(jié)石體強(qiáng)度經(jīng)歷不同的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為：隨石灰摻量的增加，強(qiáng)度先增大后減小，其中石灰摻量20%的強(qiáng)度較好，而針對(duì)石膏，早期（3 d、7 d）的強(qiáng)度隨著摻量的增加而增大，而在后期（28 d）卻先增大后減小。

由表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，最佳的組合為：煤矸石、石灰、石膏的摻量分別為70%、20%和4%，折合成百分比即為74.5%、21.3%、4.2%。本文以此優(yōu)化配比作為基礎(chǔ)配合比，采用自主研發(fā)的外加劑（ZGW）進(jìn)行復(fù)摻，以進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 粘度

表3為不同水灰比下粘度的測(cè)試結(jié)果，由表3可以看出：當(dāng)水灰比較小時(shí)，漿液粘度隨著水灰比增大顯著減小，但是當(dāng)W/C>1.5后，漿液粘度減小幅度很小，逐漸趨于一致；漿液若沒有外加劑摻入，在低水灰比（W/C≤1）條件下，本漿液的粘度高于《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》的界定值（30 s），若用此配比的漿液進(jìn)行注漿，漿液的可灌性將會(huì)很差。而在同一水灰比條件下，摻入ZGW外加劑的煤矸石粉漿液，其粘度大幅度地降低，幾乎與單液水泥漿的粘度相同。

2.2 析水率

表4為不同水灰比下析水率的測(cè)試結(jié)果，由表4可以看出：煤矸石粉漿液析水率受水灰比影響很大，隨水灰比增加漿液的析水率增大，穩(wěn)定時(shí)間縮短，摻ZGW外加劑后，漿液的析水率有所降低，穩(wěn)定時(shí)間相應(yīng)延長。

本研究擬在漿液中摻入水玻璃以改善漿液的穩(wěn)定性。圖1是在W/C=0.9漿液中摻入占膠凝材（摻有ZGW外加劑）質(zhì)量2%、4%、6%、8%、10%的水玻璃后，漿液的穩(wěn)定曲線。由圖1可知，水玻璃能很好地增加煤矸石粉漿液的穩(wěn)定性，減少析水量，并隨水玻璃摻量增加析水率越來越低。若將漿液析水率控制在10%以下，水玻璃摻量為膠凝材質(zhì)量的4%以上，即可滿足要求。并經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果證明，摻4%水玻璃入漿液中，漿液的粘度有所增大，但仍小于30 s。

2.3 凝膠時(shí)間

表5水灰比對(duì)漿液凝膠時(shí)間的影響，由表5可以看出：煤矸石粉漿液的凝膠時(shí)間受漿體中水分的影響極大，隨著水灰比的增大，凝膠時(shí)間大大延長。究其原因是因?yàn)楫?dāng)料漿中水含量增加時(shí)，料漿中的顆粒相互接觸碰撞的機(jī)會(huì)就減少。摻入ZGW外加劑后，漿液的凝膠時(shí)間有所縮短。因?yàn)閆GW外加劑進(jìn)一步激發(fā)了煤矸石潛在活性，提高了其早期水化率，為其水化產(chǎn)物晶體成核與長大提供了更有利的條件，結(jié)果早期生成了相對(duì)更多的鈣礬石，加快了水化速度，同時(shí)晶種降低成核勢(shì)壘的作用，因而漿液的凝膠時(shí)間縮短，但縮短的幅度不大。

2.4 漿材強(qiáng)度

由圖2可見，漿材強(qiáng)度受水灰比影響很大，隨用水量的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，至水灰比（W/C）達(dá)到1.5時(shí)，28 d的抗壓強(qiáng)度下降55.8%左右。原因在于：一方面因?yàn)楫?dāng)料漿中水含量增加時(shí)，料漿中的顆粒相互接觸碰撞的機(jī)會(huì)就減少，其重新組合成更大的膠團(tuán)（即膠凝化）的機(jī)會(huì)亦隨之變小，拉大了膠核等物質(zhì)間離，在沒有更多的膠凝物質(zhì)充填其中的情況下，抗壓強(qiáng)度下降；另一方面，大量的水存留在水泥石，一部分在未凝結(jié)之前就會(huì)泌出積聚在表面；另一部分在硬化過程中蒸發(fā)出去，而這些水最終都將在水泥石內(nèi)部形成孔隙。這些孔隙間由毛細(xì)孔連接相通，形成通道，使抗壓強(qiáng)度降低[4]。采用布金漢-萊納公式驗(yàn)算可知，對(duì)一般充滿漿液的裂隙而言，本試驗(yàn)開發(fā)的煤矸石漿材結(jié)石強(qiáng)度能夠抵御高水頭的滲透破壞。

2.5 抗?jié)B透性

參照GBJ82規(guī)定的抗?jié)B透性能試驗(yàn)方法進(jìn)行[5]，采用抗?jié)B標(biāo)號(hào)評(píng)價(jià)固結(jié)體的抗?jié)B能力，同一水灰比為0.4，其中A系列為未摻ZGW，B系列為已摻ZGW?？?jié)B標(biāo)號(hào)是用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)試件滲水時(shí)的最大水壓力來計(jì)算，并用S2、S4、S6、S8、S10、S12等級(jí)別表示抗?jié)B能力：

計(jì)算公式為：

式中，S為抗?jié)B標(biāo)號(hào)（等級(jí)）；

H為六個(gè)試件中三個(gè)頂面滲水時(shí)的壓力。

由表6數(shù)據(jù)可以看出，在沒有摻ZGW復(fù)合外加劑的情況下，砂漿結(jié)石體在水壓為1.8 MPa時(shí)，已有三個(gè)試件滲水，另外三個(gè)也接近透水，滲水高度分別為：26 mm、25 mm、27 mm，其抗?jié)B標(biāo)號(hào)已達(dá)S17；而摻有ZGW復(fù)合外加劑的砂漿結(jié)石體，在水壓達(dá)到2.6 MPa時(shí)仍不見透水，平均滲水高度在21 mm左右，抗?jié)B標(biāo)號(hào)大于S25?？梢姡尤隯GW復(fù)合外加劑后本注漿材料砂漿結(jié)石體的抗?jié)B性能得以很大的改善。

3 結(jié)論

以石灰與硬石膏輔助材料，并引入自主研發(fā)有早強(qiáng)、減水及微膨脹作用的外加劑（ZGW）及鈣礬石、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物作為晶種，配制了一種以煤矸石作為主要原材料的高性能低成本化注漿材料。從粘度、析水率、凝膠時(shí)間及漿體強(qiáng)度等工作性能與抗?jié)B透性的耐久性能方面進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)經(jīng)優(yōu)化配比后的產(chǎn)品符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，可作為一種性能優(yōu)良，成本低廉的隧道侵限加固材料。本文提出，在充分激發(fā)素廢日用建筑陶瓷潛在火山灰反應(yīng)活性的基礎(chǔ)上，利用活性超細(xì)廢建筑陶瓷粉、石膏、石灰石粉等工業(yè)廢棄物，通過正交試驗(yàn)篩研發(fā)一種新型綠色高性能注漿材料，并按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（SL62-94）檢驗(yàn)其可灌性、固結(jié)強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

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