房靖超，陳 濤，何巖東，汪峻峰

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?70228)

?

珊瑚砂層注漿的固化技術(shù)研究

房靖超，陳 濤，何巖東，汪峻峰

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?70228)

為了解決珊瑚島礁出現(xiàn)的空縫、凹陷等問題,本研究利用注漿設(shè)備將帶有一定壓力的特種注漿材料注入珊瑚砂層中，并將珊瑚砂作為骨料，制成砂漿膠凝材料，同時(shí)根據(jù)固化珊瑚砂層的技術(shù)要求，研制了一種新型的注漿裝置，并在實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)該裝置旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿的工藝進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)表明其最佳操作條件為：在轉(zhuǎn)桿注漿孔尺寸為φ5，固定轉(zhuǎn)桿抬升速度為0.03 m·s-1，轉(zhuǎn)速為60 r·min-1時(shí)，注漿后能夠起到更好的固化珊瑚砂的作用.實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)模擬注漿設(shè)備具有1.0 MPa的加壓注漿能力，它可以通過漿體擠壓及螺旋鉆頭破碎珊瑚砂層的作用，使珊瑚砂達(dá)到較好的固化效果.

珊瑚砂； 注漿工藝； 島礁工程； 珊瑚砂固化

我國(guó)南海諸島的地質(zhì)結(jié)構(gòu)主體是珊瑚群體死后由其骨骼或遺骸所構(gòu)成的巖體[1-5]，在遠(yuǎn)離大陸的珊瑚礁石上為了能利用珊瑚碎屑物，人們常利用吹砂船將其進(jìn)行吹砂造島，這樣就逐漸形成以珊瑚碎屑物為主要填充材料的人工島嶼.然而在海洋水動(dòng)力影響下，人工島的珊瑚砂流失速度較快[6].因此為了延長(zhǎng)人造珊瑚砂島礁的使用時(shí)間，維持珊瑚砂工程的穩(wěn)定，研究和克服該問題具有重要的實(shí)際工程意義.天津港口曾引進(jìn)CDM[7]技術(shù)對(duì)軟弱土體進(jìn)行加固，這項(xiàng)技術(shù)是通過對(duì)土體進(jìn)行擾動(dòng)、攪拌和沖切來固化軟弱土體，同時(shí)通過鉆孔向土層中加壓注入一定水灰比的漿液，通過滲透、充填、壓密擴(kuò)展以形成漿脈.這類技術(shù)的共同點(diǎn)在于該技術(shù)使鉆孔周圍的土體被擠壓充填，致使緊靠漿體的土體遭受破壞和剪切[8-9]，待水泥漿體凝結(jié)后而達(dá)到固化地基的目的.

鑒此，對(duì)我國(guó)海南的珊瑚砂技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了分析，研究了用其配制的水泥砂漿的物理力學(xué)性能，在實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)和制作了機(jī)械旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿的設(shè)備，并研制出符合相應(yīng)技術(shù)要求的水泥基注漿材料.

1 試驗(yàn)原材料與方法

1.1 原材料及設(shè)備 珊瑚砂材料來自海南省的某兩個(gè)島嶼，對(duì)比組選用實(shí)驗(yàn)室普通河砂和?？谑形骱０兜钠胀êＩ埃z凝材料選用海南大學(xué)海洋工程材料研究中心配制的海工水泥POP 52.5(表1和表2).

試驗(yàn)砂漿注漿所用的設(shè)備為廣州英利機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YL-PJ03砂漿注漿機(jī)技術(shù)參數(shù)見表3：

自主研制的機(jī)械旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿設(shè)備，如圖1所示：

自主研制的機(jī)械旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿設(shè)備通過變速電機(jī)及配合的皮帶齒輪來帶動(dòng)注漿設(shè)備主體旋轉(zhuǎn)螺桿，從而使螺桿帶有一定的鉆速，再配合制作好的小型螺紋鉆頭，可旋轉(zhuǎn)鉆入砂體；此外，它可通過翻轉(zhuǎn)開關(guān)進(jìn)行反轉(zhuǎn)，并經(jīng)二氣聯(lián)動(dòng)閥門調(diào)整后，通過空氣加壓進(jìn)行注漿.

1.2 水泥膠凝材料樣品的制備 本試驗(yàn)利用珊瑚砂作為骨料來配制40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試件，海工水泥和珊瑚砂的配比按1 ∶1，1 ∶2，1 ∶3，1 ∶4，1 ∶5，1 ∶6和1 ∶7來進(jìn)行配制.

表1 海工水泥POP52.5水泥的化學(xué)成分表

表2 POP52.5水泥的物理性能指標(biāo)

表3 設(shè)備基礎(chǔ)性能

1．注漿孔 2.鉆頭 3.鉆桿 4.變速電機(jī) 5.砂漿管接頭圖1 設(shè)備2

1.3 性能檢測(cè) 材料物理性能、顆粒分析、含泥量測(cè)定：按照《GB/T 14684—2011建設(shè)用砂標(biāo)準(zhǔn)》[10]測(cè)定；

力學(xué)強(qiáng)度：參照《GB/17671—1990》[11]；

試驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定，砂的常水滲透實(shí)驗(yàn)根據(jù)《GB/T50123—1999土工試驗(yàn)》[12]進(jìn)行測(cè)定.

稠度試驗(yàn)：參照《GB/T2419—2005水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》[13]對(duì)砂漿進(jìn)行稠度試驗(yàn)；對(duì)比組均用普通砂制作.

兩種不同設(shè)備的注漿效果對(duì)比：試驗(yàn)效果對(duì)比主要以設(shè)備在砂中擠出的距離(直徑)、注漿曲線圖與效果進(jìn)行對(duì)比.

表4 珊瑚砂、海砂及河砂的性能對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 珊瑚砂的理化性能 按照《GB/T 14684—2011建設(shè)用砂標(biāo)準(zhǔn)》中的規(guī)定對(duì)兩個(gè)不同地點(diǎn)的珊瑚砂與普通河砂進(jìn)行對(duì)比分析，并進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，重復(fù)次數(shù)為8次，結(jié)果如表4所示.試驗(yàn)結(jié)果顯示，珊瑚砂相較于河砂、和海砂擁有更高的吸水性能和保水性能，珊瑚砂中的氯離子含量也高于近海岸海砂中的氯離子含量.同時(shí)珊瑚砂相對(duì)于普通河砂和海砂具有更優(yōu)質(zhì)的透水性能.宏觀來說珊瑚砂作為海砂中的一種，它既具有與普通砂質(zhì)土的特征，同時(shí)又具有較高的空隙率.珊瑚砂作為一種特殊的海砂，其骨料強(qiáng)度相對(duì)于普通河砂來說會(huì)有所降低，其松散堆積密度在1157.4～1284.3 kg·m-3之間，空隙率為：51.9%、57.0%，這也說明珊瑚砂具有很高的透水性能和吸水性能，因此在制作膠凝材料時(shí)，需要提前對(duì)珊瑚砂進(jìn)行飽水處理.

由表5中可以看出，普通河砂與海砂在大于或等于9.5 mm孔徑的篩網(wǎng)上沒有篩余，而在珊瑚砂中其組分中擁有大于或等于9.5 mm粒徑的砂石較多，其中大部分是珊瑚或貝殼類，在自然取樣中最大粒徑超過100 mm，其中超過部分與建筑用砂《GB/T 14684—2011》標(biāo)準(zhǔn)不相符，因此，本試驗(yàn)剔除該部分大粒徑珊瑚顆粒部分，結(jié)果見表5.

表5 珊瑚砂顆粒篩分 %

表6 珊瑚砂含泥量 %

珊瑚砂的含泥量屬于建筑用砂的第三級(jí)含泥量(≤5%)，通過圖2與下表6可知，珊瑚砂與實(shí)驗(yàn)室普通砂相比其小于0.15 mm的珊瑚細(xì)顆粒較多，通過累積篩余百分比細(xì)度模數(shù)計(jì)算公式得出，珊瑚砂是細(xì)度為0.8～1.0的細(xì)砂.由表5可知，珊瑚礁砂偏細(xì)，由于篩底部分的細(xì)小顆粒多，增加了部分比表面積，從而增加了珊瑚砂混凝土試塊的用水量，另外，成型過程中由于珊瑚砂的孔隙較多，會(huì)出現(xiàn)直徑較小和數(shù)量較多的氣泡，上述指標(biāo)在一定程度上會(huì)影響珊瑚砂混凝土的物理性能，因?yàn)榧?xì)顆粒若過多也會(huì)影響注漿效果.

參照《GB17671—1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》制作 40 mm×40 mm×160 mm的試塊，由于珊瑚砂材料在南海中普遍存在，故試驗(yàn)所采用的原材料為珊瑚砂A.測(cè)試結(jié)果如表7所示，在海工水泥與珊瑚砂和普通砂的配比為1 ∶1、1 ∶2時(shí)，珊瑚砂與普通砂相比，具有相近的物理力學(xué)特性，但隨著配比中珊瑚砂的摻量增加，其抗壓強(qiáng)度則迅速降低，在海工水泥和珊瑚砂與普通砂的配比為1 ∶3時(shí)，其抗壓強(qiáng)度下降速度較快，配比為1 ∶6時(shí)強(qiáng)度消失，該珊瑚砂與普通砂在1天沒有強(qiáng)度.表7中的結(jié)果顯示，珊瑚砂混凝土可以滿足中等強(qiáng)度等級(jí)砂漿設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求.與普通河砂組分不同，珊瑚砂材料的本身硬度要低于普通砂.

水泥基砂漿強(qiáng)度如表7：

表7 砂漿強(qiáng)度發(fā)展

配制好的改性水泥基注漿材料FJ與普通水泥凈漿PJ相比具有更好的流動(dòng)性、同時(shí)在加水量升高時(shí)，不易產(chǎn)生分層，這樣有利于注漿材料在注入過程中不會(huì)因?yàn)楸蛔{砂層的含水量過大，而導(dǎo)致注漿材料吸水過多，從而造成成型時(shí)強(qiáng)度降低.

水泥基注漿材料的流動(dòng)性能如表8：

表8 流動(dòng)性能單位 cm

在制作水泥膠砂試塊時(shí)，由于所加入的珊瑚砂A和普通砂的比例在不斷提高，因而加水量會(huì)不斷提高.因?yàn)樯汉魃氨旧砭哂卸嗫孜奶匦?，從而造成在制作珊瑚砂膠凝材料時(shí)需水量會(huì)增加(表9).在灰砂比為1 ∶1或1 ∶2時(shí)，其基本物理抗壓性能主要由水泥基注漿材料承擔(dān)；在介于1 ∶3～1 ∶5時(shí)則由骨料與水泥基注漿材料共同承擔(dān)；大于1 ∶5時(shí)主要借助膠凝材料的粘結(jié)力進(jìn)行固定(表9).

表9 珊瑚砂砂漿與普通砂配制的砂漿需水量 g

2.2 注漿實(shí)驗(yàn) 通過砂的常水滲透試驗(yàn)(參照《GB/T50123—1999土工試驗(yàn)》)進(jìn)行測(cè)定，可以得出砂的滲透系數(shù)，未經(jīng)過人工處理的珊瑚砂、普通河砂和經(jīng)過篩除大于4.75 mm顆粒后的珊瑚砂的透水性能結(jié)果，如圖3所示.

由圖3可知，未經(jīng)過人工處理的珊瑚砂比普通河砂和經(jīng)過細(xì)處理后的珊瑚砂具有更高的透水性能，珊瑚砂經(jīng)過洋流作用，在高透水性和疏散的結(jié)構(gòu)特性下，在人造島礁壩體混凝土壓塊的周圍容易產(chǎn)生砂流失.因此在這個(gè)過程中對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行加固處理，補(bǔ)充空隙，具有可操作性.

本次試驗(yàn)對(duì)比組所采用的設(shè)備為YL-PJ03型設(shè)備，注漿結(jié)果如圖3所示，這可以在變化趨勢(shì)圖中發(fā)現(xiàn)，在灌注過程中容易出現(xiàn)壓力不足和上涌的情況，并且在注漿中期也無法保證良好的壓力過渡和送漿過程；此外，在注漿過程中沒有完全發(fā)揮注漿壓力的作用，而是沿著薄弱砂層向上涌，這樣注漿容易導(dǎo)致注漿不均勻的情況(圖4-a).形成3.5 cm凹陷的原因是初始水泥漿在出漿的過程中管端頭的壓力突然沿管壁上涌所致.

4-a 4-b

對(duì)實(shí)驗(yàn)室制作的注漿設(shè)備的試驗(yàn) 將漿料壓入預(yù)定鋼瓶中，通過空氣加壓閥控制輸送氣壓，給予壓力瓶預(yù)定的壓力，為減小材料壓力損失，所采用的鋼瓶尺寸為φ120，高度為50 cm，氣壓輸送管長(zhǎng)1.1 m，為方便漿料輸送，料管長(zhǎng)1.4 m.抬升采用小型輪圈φ 50進(jìn)行手搖操作，平均上升速度以0.03 m·s-1作為固定轉(zhuǎn)桿抬升.旋轉(zhuǎn)控制是采用調(diào)速器來進(jìn)行調(diào)整，最高轉(zhuǎn)速為120 r·min-1，在試驗(yàn)中調(diào)整最佳轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，注漿孔尺寸為φ5，水泥漿料是均勻地滲入孔隙內(nèi).它將原有松散的珊瑚砂顆粒固結(jié)起來.操作步驟通過鉆孔到達(dá)預(yù)定深度→下噴管加壓→噴注擠壓土體→裝置反轉(zhuǎn)提升均勻注入→設(shè)備沖洗→成型.兩種不同設(shè)備注漿情況如圖5(設(shè)備1：英利設(shè)備，設(shè)備2：實(shí)驗(yàn)室制作裝置)所示:

通過實(shí)驗(yàn)室制作的設(shè)備效果(圖3-b)對(duì)比與廣州英利機(jī)械制造產(chǎn)生產(chǎn)的YL-PJ03型注漿設(shè)備，試驗(yàn)室研發(fā)的注漿設(shè)備注漿壓力可達(dá)到1.0 MPa，與廣州英利機(jī)械制造廠的注漿設(shè)備對(duì)比，實(shí)驗(yàn)室制作的設(shè)備具上配有二聯(lián)動(dòng)氣壓控制閥門可調(diào)整進(jìn)瓶端處壓力，在注漿過程中可較好保證水泥基改性注漿材料有良好的動(dòng)力，可以將壓力均勻布置在所需砂體周圍，并摻攪周圍砂層提高周圍砂體強(qiáng)度.在不降低漿料水灰比的同時(shí)，配合漿體材料形成珊瑚砂砂漿或混凝土拌合物，達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度，并固化砂層.通過設(shè)備之間的對(duì)比，實(shí)驗(yàn)室制作的注漿設(shè)備，在機(jī)械貫入過程中配合改性水泥注漿材料固化砂質(zhì)層的能力來說，產(chǎn)生的壓力更加穩(wěn)定，端頭擠出壓力更加均勻.

3 結(jié) 論

本文將珊瑚砂作為骨料，制備了砂漿，并根據(jù)固化珊瑚砂層的技術(shù)要求，研制一種新型的注漿裝置，對(duì)該裝置旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿的工藝進(jìn)行了模擬試驗(yàn)研究.在空氣動(dòng)力加壓下，使用該裝置輸送特種注漿材料于珊瑚砂層中，注漿后能夠起到固化珊瑚砂的作用.實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)模擬注漿設(shè)備具有1.0 MPa的加壓注漿能力，并可以通過漿體擠壓及螺旋鉆頭破碎珊瑚砂層，起到固化珊瑚砂的效果.利用該注漿技術(shù)可對(duì)珊瑚砂體進(jìn)行模擬固化，達(dá)到對(duì)珊瑚砂體缺陷處加固處理的目的.這種通過機(jī)械旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿的新工藝技術(shù)，在工程中具有一定的應(yīng)用前景，值得進(jìn)一步研究和推廣.

[1] 潘柏州，韋灼彬.原材料對(duì)珊瑚砂混凝土抗壓強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究[J]. 工程力學(xué)，2015，S1：221-225.

[2] 陳兆林，陳天月，曲勣明. 珊瑚礁砂混凝土的應(yīng)用可行性研究[J]. 海洋工程，1991，3：67-80.

[3] 李林. 珊瑚混凝土的基本特性研究[D]. 南寧：廣西大學(xué)，2012.

[4] 趙艷林，韓超，張栓柱，等. 海水拌養(yǎng)珊瑚混凝土抗壓齡期強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 混凝土，2011，2：43-45.

[5] 紫民，劉曠怡，劉松，等. 珊瑚礁砂細(xì)骨料基本性能研究[J]. 建材世界，2015，5：11-14.

[6] 曾成杰. 珊瑚砂運(yùn)動(dòng)特性及珊瑚砂島泥沙流失防治研究[D].南京：南京水利科學(xué)研究院，2009.

[7] 葉國(guó)良，李偉，朱勝利. CDM法在碼頭接岸結(jié)構(gòu)軟基加固工程中的應(yīng)用[J]. 水運(yùn)工程，2003，3：31

[8] 倪茂光.富水砂層注漿試驗(yàn)研究[D].北京：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，2014.

[9] 鄒超.砂土層中超細(xì)水泥注漿機(jī)理的試驗(yàn)研究[D]. 淮南市：安徽理工大學(xué)，2006.

[10] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB/T 14684—2011建設(shè)用砂標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

[11] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB17671—1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[12] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB/T50123—1999土工試驗(yàn)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[13] GB/T 2419—2005，水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法[S].

Solidification Technology of Coral Sand

Fang Jingchao, Chen Tao，He Yandong, Wang Junfeng

(College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

In the report, to solve the gap, depression and some other problems of the loose coral sand, cement slurry and a special inject equipment were used and the special cement slurry was injected into the coral sand layer under specific air pressure, coral sand was used as aggregate and slurry cementing materials were prepared. According to the technology requirements of solidification coral sand layer, the inject equipment was designed and the simulation test was performed. The results indicated that the obtained optimum conditions were as follows: diameter of rotating rod is φ5 mm, the lifting speed of rotating rod is 0.03 m·s-1, the rotating speed is 60 r·min-1. The cement slurry can be injected with this inject equipment to solidify the loose coral sand layer.

coral sand； cement slurry； inject equipment； solidification of coral sand

2016-06-13

中西部計(jì)劃

房靖超(1990-)，男，海南?？谌耍Ｄ洗髮W(xué)土木建筑工程學(xué)院，2013級(jí)碩士研究生，752937034@qq.com

汪峻峰(1963-)，男，海南?？谌?，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，教授，E-mail：drjunfengwang2010@163.com

1004-1729(2016)03-0264-06

TQ 638

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0040