薛春梅，武 軍

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

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。

1 工程概況

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。

2 原材料及試驗設(shè)備

2.1 原材料

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。

2.2 儀器設(shè)備

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）。

3 試驗方法

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。

4 試驗結(jié)果及討論

4.1 水玻璃對每組漿液黏度的影響

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。

4.2 水玻璃對每組漿液結(jié)石率的影響

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。

5 結(jié)論

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。