薛春梅,武 軍
(山西省交通科學(xué)研究院,山西 太原 030006)
隨著國民經(jīng)濟水平的逐步提高,我國的公路交通行業(yè)也得到了較為快速的發(fā)展。山西省高速公路建設(shè)從1993年開始起步,經(jīng)歷了1993—1999年的初步建設(shè)和2000年至今快速發(fā)展兩個階段,截至目前通車?yán)锍桃淹黄? 000 km,實現(xiàn)了歷史性跨越。山西屬于產(chǎn)煤大省,煤層采出后形成采空區(qū),公路路基常由于采空區(qū)的沉陷而發(fā)生變形,從而進一步導(dǎo)致路面等結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。這種現(xiàn)象對于公路尤其是高速公路危害很大,為了消除安全隱患,保證公路運營安全,目前通常采用全充填式注漿法來進行治理。全充填式注漿法中采用的純水泥漿液由于凝結(jié)時間難以控制,所以堵水效果并不理想。而以水泥漿和水玻璃為主要材料的新型液體漿材,不但能夠提高注漿的結(jié)石率,同時也加快了水泥漿液的凝結(jié)速度,因此取得了良好的排水效果。本研究對此新型液體漿材進行了性能測定,包括密度、黏度、結(jié)石率、凝結(jié)時間以及結(jié)石體的無側(cè)限抗壓強度等各項參數(shù)。之前安妮等[1]進行了水泥-水玻璃雙液漿的凝結(jié)時間、一軸抗壓強度的試驗研究,但未涉及重要的黏度和結(jié)石率;龐宗霞等[2]分析了水泥漿液摻入水玻璃對水泥凝結(jié)時間和無側(cè)限抗壓強度的影響,未涉及水玻璃對黏度和結(jié)石率的討論。本文根據(jù)具體工程設(shè)計要求,對室內(nèi)試驗得到的數(shù)據(jù)進行整理,詳細(xì)分析了水玻璃對水泥漿液的黏度和結(jié)石率兩個參數(shù)的影響,并以此為依據(jù)為該工程施工提供推薦配比。
山西呂梁環(huán)城高速公路于2011年4月正式開工建設(shè),2014年9月完成交工驗收,2015年11月10日全線通車。
由于通車后郭家溝1號大橋附近地面出現(xiàn)橫縱向裂縫,2016年4月—6月期間,設(shè)計院對呂梁環(huán)城高速公路郭家溝1號大橋采空區(qū)進行了工程地質(zhì)勘察,綜合運用采空區(qū)專項調(diào)查、工程地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探等綜合勘察手段,初步查明采空區(qū)的規(guī)模特征。從掉鉆和冒落孔平面位置分析,礦層開采規(guī)律性差,未根據(jù)國家相關(guān)要求進行開采。根據(jù)實際勘察情況制定了呂梁環(huán)城高速公路郭家溝1號大橋橋下采空區(qū)處治設(shè)計方案,方案中采用對冒落部位裂隙進行補強注漿的方法,注漿過程中若出現(xiàn)大量跑漿,采用間歇式注漿,以阻止?jié){液從地面大量流失。具體漿液配合比設(shè)計如下:水固比在1∶1~1∶1.5之間,并在漿液中摻加水泥重量2%的速凝劑,以使注入采空區(qū)的漿液盡快凝固,避免橋下地層長時間存在漿液。水泥為符合國家標(biāo)準(zhǔn)的32.5硅酸鹽水泥或礦渣水泥,速凝劑可選用水玻璃等。注漿采用漿液濃度先稀后稠的方法,可根據(jù)實際情況及時調(diào)整注漿濃度。
根據(jù)《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細(xì)則》[3](JTG/T D31-03—2011)6.2.5規(guī)定,本工程項目的注漿材料選用情況如下:
a)水玻璃為山西鼎和新型建筑材料有限公司生產(chǎn)的合格產(chǎn)品,屬于硅酸鈉液體狀態(tài),俗稱“泡花堿”,為無色、略帶色的透明或半透明黏稠狀液體,它可以改變漿液性能,縮短凝結(jié)時間。
b)對水玻璃的規(guī)格要求是模數(shù)2.4~3.4,濃度50°Be’以上。
c)水泥為臨縣大禹水泥廠生產(chǎn)的合格產(chǎn)品,是32.5礦渣硅酸鹽水泥,強度等級不低于32.5級。
a)標(biāo)準(zhǔn)漏斗黏度計;b)秒表;c)100 mL 量筒;d)BL-2200H 電子天平(0.01 g)。
漿液的配比及性能指標(biāo),嚴(yán)格按設(shè)計文件及現(xiàn)場試驗結(jié)果執(zhí)行,確保漿液質(zhì)量滿足設(shè)計要求。其中包括黏度、結(jié)石率兩個重要指標(biāo)。黏度:是度量漿液黏滯性大小的物理量,是漿液流動時內(nèi)摩擦力的一種指標(biāo)。結(jié)石率:水泥類漿液凝結(jié)后的固體成為結(jié)石體,結(jié)石體積與漿液體積之比。
本試驗針對水固比在1∶1~1∶1.5之間6種不同配比的漿液,對同一配比漿液,一組不摻入速凝劑,另外一組摻入水泥質(zhì)量2%的水玻璃,對比觀察因加入水玻璃所引起的黏度、結(jié)石率變化,最后總結(jié)其變化規(guī)律。通過試驗結(jié)果分析水玻璃對水泥漿液性能(即黏度和結(jié)石率)的影響,從而推薦一種適合本工程實際情況的摻配比例,達(dá)到防止?jié){液大量流失的最佳效果。
在本試驗中,根據(jù)依托工程設(shè)計文件,水玻璃摻量設(shè)計為水泥質(zhì)量的2%,水固比(即水與水泥的質(zhì)量比)按照 1∶1、1∶1.1、1∶1.2、1∶1.3、1∶1.4、1∶1.5六次遞增。配制漿液的各材料質(zhì)量組成(%)見表1。
表1 試驗分組情況 %
試驗情況如圖1、圖2所示。
圖1 結(jié)石率試驗效果圖
圖2 摻入水玻璃的結(jié)石率試驗效果圖
試驗過程中,將每組配制好的漿液經(jīng)充分?jǐn)嚢柚辆鶆蚝?,分別測試其黏度;再攪拌均勻注入100 mL量筒中測試其結(jié)石率。為控制初始條件一致,漿液采用隨用隨配的原則。整個試驗過程中,室內(nèi)溫度控制在20℃左右。
為測試水玻璃摻入前后對水泥漿液黏度的影響,將1 000 mL水和按表1中質(zhì)量組成分別稱取1 000 g、1 100 g、1 200 g、1 300 g、1 400 g、1 500 g水泥進行混合配比;再將各組按照占水泥質(zhì)量2%的水玻璃分別稱取 20 g、22 g、24 g、26 g、28 g、30 g與對應(yīng)的水泥漿再次進行混合配比,共得12組試樣,分別利用標(biāo)準(zhǔn)漏斗黏度計測試每個試樣的黏度,每組漿液黏度的試驗結(jié)果如表2。
表2 黏度的試驗結(jié)果 s
將表2的試驗結(jié)果的對比情況繪入圖3。
圖3 漿液黏度與固水比關(guān)系曲線
對圖3進行分析可知:a)在純水泥漿液和水泥水玻璃漿液曲線上,隨著水固比的遞增,即水泥用量的增加,黏度的試驗結(jié)果呈現(xiàn)遞增趨勢;b)從縱向分析,水固比1∶1時,摻水泥用量2%水玻璃前后,黏度值相差18.4 s;水固比1∶1.1時,摻水泥用量2%水玻璃前后,黏度值相差20.5 s;水固比1∶1.2時,摻水泥用量2%水玻璃前后,黏度值相差23.9 s;水固比1∶1.3時,摻水泥用量2%水玻璃前后,黏度值相差47.4 s;水固比1∶1.4時,摻水泥用量2%水玻璃前后,黏度值相差86.8 s;水固比1∶1.5時,摻水泥用量2%水玻璃前后,黏度值相差111 s;即隨著水固比的增加,同一配比的黏度差異越來越大,僅從圖上觀察,水固比1∶1.2及之前的黏度差異值比較均勻,水固比1∶1.2以后的黏度差異幅度呈現(xiàn)陡增趨勢。
為測試水玻璃摻入前后對水泥漿液結(jié)石率的影響,將200 mL水和按表1中質(zhì)量組成分別稱取200 g、220 g、240 g、260 g、280 g、300 g 水泥進行混合配比;再將各組按照占水泥質(zhì)量2%的水玻璃分別稱取 4.0 g、4.4 g、4.8 g、5.2 g、5.6 g、6.0 g 與對應(yīng)的水泥漿再次進行混合配比,共得12組試樣,分別注入100 mL量筒測試每個試樣的黏度,每組漿液結(jié)石率的試驗結(jié)果如表3。
表3 漿液結(jié)石率的試驗結(jié)果 %
圖4 漿液結(jié)石率與固水比關(guān)系曲線
將表3的試驗結(jié)果的對比情況繪入圖4。對圖4進行分析可知:a)在純水泥漿液和水泥水玻璃漿液曲線上,隨著水固比的遞增,即水泥用量的增加,結(jié)石率的試驗結(jié)果也是呈遞增趨勢;b)從縱向分析,水固比1∶1時,摻水泥用量2%水玻璃前后,結(jié)石率相差11.0;水固比1∶1.1時,摻水泥用量2%水玻璃前后,結(jié)石率相差5.0;水固比1∶1.2時,摻水泥用量2%水玻璃前后,結(jié)石率相差1.0;水固比1∶1.3時,摻水泥用量2%水玻璃前后,結(jié)石率相差0.5;水固比1∶1.4時,摻水泥用量2%水玻璃前后,結(jié)石率相差0.5;水固比1∶1.5時,摻水泥用量2%水玻璃前后,結(jié)石率相差0;即隨著水固比的增加,同一配比的結(jié)石率差異越來越小,僅從圖上觀察,水固比1∶1.2之前的結(jié)石率差異幅度較大,水固比1∶1.2以后的結(jié)石率差異幅度很小。
a)影響?zhàn)ざ群徒Y(jié)石率的因素中,水泥量起到關(guān)鍵的作用;當(dāng)水固比保持不變的時候,水玻璃的摻入有一定的影響。
b)結(jié)合固水比與黏度、結(jié)石率兩個圖表,可以看出:
(a)隨著水泥用量的增加,摻入水玻璃前后,黏度差異值越來越大,結(jié)石率差異值越來越小。
(b)當(dāng)水固比為1∶1.2時,黏度和結(jié)石率是一個轉(zhuǎn)折點,在這個配比下的水泥漿液,從漿液流動及填充率效果方面考慮,都是符合施工技術(shù)要求的;同時工程材料投入也符合經(jīng)濟成本的要求,因此推薦在本工程施工中使用這一比例的漿液進行填充治理,以獲得更佳的工程效果。