任瑞，黎亦丹，徐方，王輝明，李婉文

[中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074]

0 引言

在隧道建設(shè)中，常需要穿越地質(zhì)條件不良的砂層、土層，開挖前常采用注漿超前加固，隧道注漿材料的研究也隨之成為研究熱點。張林緒和劉順波[1]對超細(xì)水泥研制的塑性注漿料的物理力學(xué)性能及其流動規(guī)律進(jìn)行了模型實驗研究。郎佳川龍[2]介紹了膨潤土注漿材料的性能及其在工程中的注漿施工工藝。鄧尤東等[3]探討了快硬硫鋁鹽水泥單液漿的性能和在富水隧道注漿施工中的應(yīng)用。遲建平[4]研究了超細(xì)水泥在青島地鐵隧道初期支護(hù)滲漏水治理?？偨Y(jié)起來，目前研究較廣的是超細(xì)水泥、水玻璃與水泥雙液注漿及膨潤土等材料作為注漿材料，這些注漿材料在實際應(yīng)用中取得了較好效果，但一般造價較高，并且原材料資源有限。

20世紀(jì)70年代，一種被稱為地聚合物的膠凝材料被發(fā)現(xiàn)和研究[5]，地聚合物具有耐久性好、抗?jié)B性強(qiáng)、早強(qiáng)等特點[6-9]，其生產(chǎn)過程中CO2的排放極低，是一種綠色環(huán)保型材料[10]。賈屹海等[11-13]對粉煤灰為原材料的地聚合物材料的性能進(jìn)行了試驗研究，結(jié)果表明，地聚合物力學(xué)性能好，凝結(jié)時間短，可以通過調(diào)整配合比設(shè)計得到凝結(jié)時間從幾分鐘到幾小時不等的地聚合物材料。但對地聚合物作為隧道注漿材料的試驗研究較少，并且對地聚合物的脆性較大問題也沒有得到有效解決。本文研究了纖維改性后的地聚合物注漿材料的流動度、凝結(jié)時間、抗壓強(qiáng)度和抗裂性能，并在成貴高速試驗段中應(yīng)用效果良好，將對地聚合物注漿材料的試驗和應(yīng)用具有借鑒意義。

1 試驗

1.1 原材料與制備過程

粉煤灰：Ⅰ級低鈣粉煤灰，SiO2和Al2O3總含量約為80%；復(fù)合堿激發(fā)劑：由水玻璃和KOH復(fù)合而成，水玻璃模數(shù)為3.4，氫氧化鉀的純度高于95%；水泥：P·O42.5水泥；聚丙烯纖維；自來水

試驗所用復(fù)合堿激發(fā)劑預(yù)先用水玻璃和氫氧化鉀調(diào)配好，水玻璃溶液中加入氫氧化鉀溶解，根據(jù)已有的初期試驗和相關(guān)學(xué)者的研究，確定復(fù)合堿激發(fā)劑的模數(shù)為1.8。需要摻加聚丙烯纖維的試件，將聚丙烯纖維先加入到復(fù)合堿激發(fā)劑溶液中配制好，將配制好的溶液與水一起倒入到攪拌鍋中，然后緩慢加入粉煤灰和水泥的復(fù)合粉體。開動攪拌鍋，攪拌時間遵循GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測試方法》的要求。

1.2 試驗設(shè)計

由于少量聚丙烯纖維的摻入是為改善地聚合物注漿材料的脆性，對工作性能和力學(xué)性能的影響較小。因此，試驗分為2階段：第1階段，研究水泥取代粉煤灰率和水膠比對注漿材料性能的影響；第2階段，研究聚丙烯纖維摻量對注漿材料抗裂性能的影響。

2 試驗結(jié)果與討論

試驗配合比設(shè)計和性能測試結(jié)果見表1。

表1 試驗配合比設(shè)計和性能測試結(jié)果

2.1 水泥取代率與水膠比對地聚合物隧道注漿材料流動度的影響

為研究水泥取代率和水膠比對地聚合物凈漿的流動度影響，采取等值線作圖分析的方法，結(jié)果見圖1，圖中等值線上的數(shù)值為流動度，單位為mm。

圖1 水泥取代率和水膠比對地聚合物流動度的影響

由圖1可知，地聚合物凈漿的流動度受水泥取代率和水膠比2個因素綜合影響，隨著水泥取代率的增加而減小，隨著水膠比的增加而增大。并且，當(dāng)水膠比大于0.3，水泥取代率大于16%時，流動度等值線近水平偏向于水膠比，流動度受水泥取代率的影響作用顯著減小。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，注漿初始流動度應(yīng)大于230 mm，從等值線可直觀得到滿足規(guī)范要求流動度的水泥取代率和水膠比取值范圍。

2.2 水泥取代率與水膠比對地聚合物隧道注漿材料終凝時間的影響

水泥取代率和水膠比對終凝時間的影響如圖2所示，圖中等值線上的數(shù)值為終凝時間，單位為min。

圖2 水泥取代率和水膠比對地聚合物終凝時間的影響

由圖2可知，終凝時間與水泥取代率成反比，與水膠比成正比。但是由圖2顯見，等值線接近水平，表明終凝時間主要受水泥取代率控制。實際施工應(yīng)用中，可考慮施工配制與運(yùn)輸時間，選取合適的水泥取代率和水膠比配制地聚合物凈漿，用于注漿加固。

2.3 水泥取代率與水膠比對地聚合物隧道注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖3為地聚合物凈漿3 d抗壓強(qiáng)度受水泥取代率和水膠比影響的等值線，圖中等值線上的數(shù)值為3 d抗壓強(qiáng)度，單位為MPa。

圖3 水泥取代率和水膠比對地聚合物3 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可見，等值線大體呈拋物線型，3 d抗壓強(qiáng)度整體隨水膠比的增加而降低；但3 d抗壓強(qiáng)度隨水泥取代率的增加呈先提高后降低的趨勢，呈現(xiàn)以水膠比為縱坐標(biāo)的拋物線形式，在水泥取代率約為15%時，3 d抗壓強(qiáng)度取得最大值。

圖4為地聚合物凈漿7 d抗壓強(qiáng)度受水泥取代率和水膠比影響的等值線圖，圖中等值線上的數(shù)值為7 d抗壓強(qiáng)度，單位為MPa。

圖4 水泥取代率和水膠比對地聚合物7 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可見，7 d抗壓強(qiáng)度隨水泥取代率和水膠比的綜合影響規(guī)律與3 d抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律相似，都是隨水膠比的增大而降低，在水泥取代率約為15%時，7 d抗壓強(qiáng)度取得最大值。

2.4 第1階段性能試驗結(jié)果綜合分析

由以上流動度、終凝時間、3 d、7 d抗壓強(qiáng)度4項性能指標(biāo)受水泥取代率和水膠比的影響規(guī)律分析可知，水泥取代率為15%，對強(qiáng)度是最優(yōu)的配比選擇，可以通過調(diào)整水膠比來調(diào)整流動度和終凝時間，達(dá)到實際工程應(yīng)用中的具體要求。

2.5 第2階段聚丙烯改性抗裂性能試驗結(jié)果分析

在實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，地聚合物凈漿易開裂，因此添加聚丙烯纖維進(jìn)行改善。以K5組為對照組，分別摻入0.5%和1.0%體積摻量聚丙烯纖維的K10組和K11組為試驗組，進(jìn)行橢圓環(huán)試驗，通過測試橢圓環(huán)試驗初始開裂時間和裂縫情況來判別抗裂性能，橢圓環(huán)試驗初始開裂時間與裂縫情況如表2所示。

表2 地聚合物初始開裂時間與裂縫情況

由表2可知，摻加0.5%、1.0%聚丙烯纖維的地聚合物凈漿的初裂時間分別是未摻聚丙烯纖維對照組的3.15倍、4.29倍。并且摻加聚丙烯纖維的地聚合物凈漿裂縫短小，僅有較淺、窄的細(xì)小裂縫，數(shù)量少，而對照組別裂縫自初裂后，裂縫沿初始裂縫展開，裂縫形態(tài)粗長、寬且數(shù)量較多。由此可見，聚丙烯纖維能夠顯著改善地聚合物凈漿的抗裂能力，考慮到添加聚丙烯纖維會降低流動度，過量的聚丙烯纖維也較易結(jié)團(tuán)，形成空鼓，因此，建議采用體積摻量為0.5%的聚丙烯纖維，不僅可顯著改善抗裂性，還可兼顧其它性能指標(biāo)不受影響。

3 在成貴高速公路應(yīng)用

地聚合物隧道注漿材料試驗段位于四川宜賓縣內(nèi)，所在區(qū)域為川南紅層丘陵地貌。山間發(fā)育著起伏較大的丘包、槽谷與沖溝。隧道地表土層主要為粉質(zhì)黏土和粗圓礫土。下伏基巖主要是白堊系下統(tǒng)窩頭山組泥質(zhì)砂巖夾泥巖。地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水，地下水對圬工結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。

隧道開挖前采用超前小導(dǎo)管注漿的加固措施，超前支護(hù)參照V級圍巖加固設(shè)計。拱周內(nèi)設(shè)L=3.8 m，Ф42 mm×3.5 mm，插入角為12°，環(huán)向間距0.3 m的預(yù)注漿小導(dǎo)管。注入地聚合物漿液根據(jù)性能試驗結(jié)果，配合比設(shè)計主要參數(shù)為：水泥取代率15%，水膠比0.28，聚丙烯纖維體積摻量0.5%。采用超前小導(dǎo)管注漿對掌子面前的圍巖進(jìn)行預(yù)加固，超前注漿加固現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 試驗段隧道小導(dǎo)管注漿加固現(xiàn)場

為了判別地聚合物注漿效果，選取6個注漿孔中間鉆測試孔，通過檢測滲漏情況來判別注漿效果。經(jīng)測試，6個試驗孔中沒有連續(xù)水流，僅見少量水滴，注漿效果達(dá)到設(shè)計要求。

4 結(jié)論

（1）地聚合物凈漿的流動度受水泥取代率和水膠比2個因素綜合影響，隨著水泥取代率的增大而減小，隨著水膠比的增大而增加。并且，當(dāng)水膠比大于0.3，水泥取代率大于16%時，流動度等值線近水平偏向于水膠比，流動度受水泥取代率的影響作用顯著減小。

（2）終凝時間與水泥取代率成反比，與水膠比成正比，等值線近水平，表明終凝時間主要受水泥取代率控制。

（3）水泥取代率取15%，對抗壓強(qiáng)度是最優(yōu)的配比選擇，可以通過調(diào)整水膠比來調(diào)整流動度和終凝時間，達(dá)到實際工程應(yīng)用中的具體要求。

（4）聚丙烯纖維能夠顯著改善地聚合物凈漿的抗裂能力，采用體積摻量為0.5%的聚丙烯纖維不僅可改善抗裂性，還能夠兼顧其它性能指標(biāo)不受影響。

（5）聚丙烯纖維改性地聚合物用于成貴高速試驗段隧道超前注漿加固中取得較好的應(yīng)用效果。

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