，，

(1.長江科學(xué)院 武漢長江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，武漢 430010； 2.中鐵十三局集團有限公司，天津 300300)

1 研究背景

水玻璃是一種兼具可灌性好、凝結(jié)時間可調(diào)、綠色環(huán)保、易施工、經(jīng)濟性優(yōu)良等特點的傳統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)化學(xué)灌漿材料。對于地下水封洞庫工程，需常態(tài)控制來自于洞庫埋置深度內(nèi)穩(wěn)定的地下裂隙水產(chǎn)生的穩(wěn)定動態(tài)壓力，以保證洞庫內(nèi)涌水形成的地下水漏斗降深達到最小，同時針對復(fù)雜圍巖、超前地質(zhì)預(yù)報預(yù)警條件下的突發(fā)注漿封堵，水玻璃灌漿材料可發(fā)揮其工期短、見效快，機動性強的動態(tài)控制特點，固結(jié)處理效果較好。而灌漿后結(jié)石體的穩(wěn)定性和耐久性同樣是延長地下水封洞庫工程綜合服役壽命的一個重要因素[1-3]。復(fù)雜的地質(zhì)條件下，動態(tài)饋控灌漿帷幕防滲效果則在很大程度上取決于灌漿材料的耐久性。因此，充填和滲透在巖層裂隙中漿液結(jié)石體的壽命性態(tài)對于地下工程結(jié)構(gòu)能否長期安全運行起著重要作用[4]。

灌漿結(jié)石體的耐久性試驗及評估研究目前我國進行的較少。而近年來大量灌漿工程需要結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定多年后再進行開挖作業(yè)，面對復(fù)雜嚴(yán)苛的工程服役環(huán)境，建筑物基礎(chǔ)圍巖的加固處理，大深度、多維度地下洞室開挖等工程對灌漿材料的耐久性匹配提出了更高的要求[2]。本文以湛江國家石油儲備地下水封洞庫工程為依托，在工程前期研究滲透注漿資料和現(xiàn)場勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合原材料、水泥水玻璃配方優(yōu)選試驗研究以及水泥水玻璃固結(jié)體耐久性室內(nèi)試驗研究等探求地下水封洞庫工程防滲水泥-水玻璃灌漿材料品質(zhì)控制要求和綜合耐久性影響因素，為類似工程水泥-水玻璃灌漿材料質(zhì)量控制提供參考。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗用原材料

2.1.1 水 泥

灌漿時，應(yīng)根據(jù)灌漿的目的和環(huán)境水的腐蝕性等因素，選擇符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)規(guī)定的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。實施灌漿時，宜優(yōu)先采用上述兩品種的水泥配制，因為水玻璃與其反應(yīng)的活性較好。在充填灌漿時，對活性和強度要求不是很高時，可采用其他類型水泥，但應(yīng)進行試驗研究與工程試用并應(yīng)符合相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求[5]。根據(jù)現(xiàn)場工況，本次試驗選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

2.1.2 水玻璃

水玻璃模數(shù)表示其所含二氧化硅與氧化鈉摩爾數(shù)的比值，其數(shù)值大小對固結(jié)體質(zhì)量影響較大。模數(shù)高時，二氧化硅含量高，固結(jié)體強度增大，漿液膠凝時間減??；模數(shù)小時，二氧化硅含量低，固結(jié)體強度低。總結(jié)大量試驗和實際工程所用的水玻璃模數(shù)，本試驗使用的水玻璃應(yīng)該符合《工業(yè)硅酸鈉》(GB/T 4209—2008)的要求，模數(shù)在2.2～3.4之間，以適應(yīng)不同工況的需要[5-6]。

水玻璃溶液濃度用“波美度”表示，濃度的大小對固結(jié)體性能有一定的影響。濃度低，固結(jié)體強度低；濃度過高，黏度增大，不具有可灌性。根據(jù)試驗情況，并結(jié)合工程施工的可行性和經(jīng)濟適用的要求，本次試驗根據(jù)現(xiàn)場工況采用水玻璃濃度為3045波美度。但后期若在實際應(yīng)用時，需經(jīng)室內(nèi)試驗檢驗其效果后決定具體數(shù)值并根據(jù)需要稀釋后使用。

2.2 試驗方案

對于水泥-水玻璃灌漿材料，根據(jù)灌漿工程的需要可以分為加固和堵水2個方面。對于防滲堵漏，特別是水壓較大，水流速度較快或充填巖土的大空隙，要求漿液的凝結(jié)時間短且具有一定的抗壓強度；對于補強加固，則要求固結(jié)體具有足夠的抗壓強度。鑒于湛江國家石油儲備地下水封洞庫工程的重要性，擬用的水泥-水玻璃灌漿材料應(yīng)滿足補強加固的要求，同時也應(yīng)考慮耐久性指標(biāo)。固結(jié)體的耐久性是指漿液灌入后的補強加固效果的持久性。在地下水的物理、化學(xué)作用下，漿液固結(jié)體的一些組份會發(fā)生老化、溶出等現(xiàn)象，這會使固結(jié)體性能降低或喪失。另外當(dāng)固結(jié)體所處的環(huán)境發(fā)生變化時，如開挖暴露、地下水升降等，都會使固結(jié)體發(fā)生崩解風(fēng)化[7]。為科學(xué)判定水泥-水玻璃灌漿材料耐久性能，本次試驗研究試圖建立材料耐久性試驗方法和控制標(biāo)準(zhǔn)。在參考大量其他材料試驗方法的基礎(chǔ)上進行耐久性試驗，通過抗硫酸鹽侵蝕、抗凍性能及干燥收縮性能3項性能試驗來綜合判定耐久性。

2.2.1 抗硫酸鹽侵蝕試驗

抗硫酸鹽侵蝕試驗參考《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》(GB/T 749—2008)進行；試件采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸(40 mm×40 mm×160 mm)，試件成型養(yǎng)護(24±2)h后拆模。試件脫模后放入50 ℃溫?zé)狃B(yǎng)護箱中，在(50±1)℃水的容器中養(yǎng)護7 d取出[8]。1組放入20 ℃養(yǎng)護箱中，在(20±1)℃水的容器中繼續(xù)養(yǎng)護;另1組在硫酸鹽侵蝕溶液的容器中浸泡，置于20 ℃養(yǎng)護箱養(yǎng)護。試件在容器中浸泡時，侵蝕試驗浸泡試件液面至少高出試件頂面10 mm[9]。為避免蒸發(fā)，容器密封加蓋。受侵蝕試件浸泡過程中，每天用硫酸水(1體積硫酸∶5體積水)滴定硫酸鹽侵蝕溶液，以中和試件在浸泡過程中釋放的堿。2組試件養(yǎng)護28 d后取出，用軟布吸去表面可見的自由水。測定其抗折強度，計算抗折強度損失率[10]。

2.2.2 抗凍性能試驗

抗凍性能參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)中第11章“抗凍性能試驗”進行；試體制備與養(yǎng)護按JGJ/T 70—2009中9.0.1—9.0.2節(jié)進行，試件養(yǎng)護至28 d，將試件取出，用軟布吸去表面可見的自由水；設(shè)置溫度冷凍箱溫度將至-15 ℃，將1組3個試件置于其中，開始凍結(jié)試驗，時長為4 h，每個試件周圍留有至少20 mm空隙；凍結(jié)試驗結(jié)束后，立即將試件放入15～20 ℃的水槽中進行融化，融化時間≥4 h。槽中試件表面的液面高度≥20mm，融化完畢后即1次凍融循環(huán)結(jié)束，重復(fù)以上操作進行后續(xù)凍融循環(huán)過程。每5次循環(huán)結(jié)束后應(yīng)進行一次外觀檢查，觀察有無明顯分層裂開、貫通縫等。若有2塊試件出現(xiàn)上述劣化情況，凍融試驗應(yīng)終止。凍融試驗結(jié)束時測定其強度損失率和質(zhì)量損失率。并與另一組3個在水中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護同齡期的試件的質(zhì)量和抗壓強度對比，計算其質(zhì)量損失率和強度損失率[11]。

2.2.3 干燥收縮性能

干燥收縮性能參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)中第12章“收縮試驗方法”進行，試件尺寸為標(biāo)準(zhǔn)砂漿試件尺寸，成型養(yǎng)護7 d后拆模，測定初長[11]。測定初始長度后，測定7，14，28，56 d齡期的干濕循環(huán)收縮值，以觀察養(yǎng)護條件的變化對其耐久性的影響。

3 試驗結(jié)果與討論

試驗選擇2種不同波美度的水玻璃樣本；設(shè)定6個水灰比分別為：0.50，0.75，1.00，1.25，1.50，2.00；其6個水泥漿液與水玻璃體積比分別為1∶0.10，1∶0.50，1∶0.75，1∶ 1.00，1∶1.25，1∶1.50，共計制備72組配合比對比樣本。通過對比72組灌漿材料漿液物理性能和可灌性，針對不同耐久性參數(shù)篩選出部分性能較優(yōu)的灌漿材料配合比進行綜合耐久性試驗研究[12-13]。72組水泥-水玻璃灌漿材料配合比和漿液物理性能見表1。

3.1 抗硫酸鹽侵蝕試驗結(jié)果

在72組配合比中篩選較優(yōu)配合比成型試件進行抗硫酸鹽侵蝕試驗，不同配比28 d抗折強度損失率見圖1(a)。試驗結(jié)果表明：水泥-水玻璃灌漿材料受多因素影響，離散性較大，水泥及水玻璃品種、水灰比、水泥與水玻璃體積比等都將影響材料抗硫酸鹽侵蝕性能，但通過大量樣本試驗可以得到其抗折強度損失率基本處于50%～(-50%)之間;從散點圖分布規(guī)律看，大多數(shù)水泥水玻璃受侵蝕樣本抗折強度損失率較低，說明水泥水玻璃灌漿材料受硫酸鹽侵蝕敏感性較低，在少數(shù)極端配比條件下出現(xiàn)超強或超低強情況，可通過工程特定材料試配試驗確定。

表1 72組水泥-水玻璃灌漿材料配合比和漿液物理性能Table 1 Mix proportions and physical properties of 72 groups of cement-sodium silicate grouting material

圖1 不同配合比水泥-水玻璃灌漿材料28 d抗折強度損失率Fig.1 Loss rate of rupture strength of cement-sodium silicate grouting material of different mix proportions at the 28th day

根據(jù)地下洞封油庫工程特點，將上述配合比中固結(jié)體28 d抗壓強度≥20 MPa作為優(yōu)選指標(biāo)，優(yōu)選后的配合比成型試件再次進行抗硫酸鹽侵蝕試驗，28 d抗折強度損失率見圖1(b)。試驗結(jié)果表明：工程采用的水泥-水玻璃灌漿材料，可以根據(jù)抗硫酸鹽侵蝕試驗抗折強度損失率40%為上限控制。

3.2 抗凍性能試驗結(jié)果

對篩選較優(yōu)配合比成型試件進行抗凍性能試驗，抗凍融5次28 d抗壓強度損失率見圖2(a)，質(zhì)量損失率見圖2(b)。試驗結(jié)果表明：優(yōu)選配合比5次凍融試驗強度損失率<25%，質(zhì)量損失率<3.0%，地下水封洞庫工程水泥-水玻璃灌漿材料凍融指標(biāo)可參照此標(biāo)準(zhǔn)控制。

圖2 優(yōu)選后配合比凍融試驗28 d抗壓強度及質(zhì)量損失率Fig.2 Loss rate of compressive strength and mass of cement-sodium silicate grouting material with optimized mix proportion at the 28th day

圖3 不同齡期干燥收縮率Fig.3 Drying shrinkage rate at different ages

3.3 干燥收縮性能試驗結(jié)果

對篩選較優(yōu)配合比優(yōu)選配合比成型試件進行干燥收縮性能試驗，7，14，21，28，56 d齡期的自然干燥收縮值見圖3。地下水封洞庫工程多數(shù)灌漿固結(jié)體處于水封條件下，控制水泥-水玻璃灌漿材料自收縮變形度，對于固結(jié)體本身設(shè)置干燥條件下收縮率控制指標(biāo)有一定的參考價值，而對于地下水封洞庫工程可適當(dāng)放寬指標(biāo)要求。試驗結(jié)果表明：18個優(yōu)選配比56 d干燥收縮值均<7%，可綜合考慮設(shè)立針對不同灌漿部位的固結(jié)體干燥收縮控制指標(biāo)。

4 結(jié) 語

本文通過試配大量不同配合比的水泥-水玻璃灌漿材料樣本，通過抗硫酸鹽侵蝕、抗凍性能、干燥收縮性能等材料耐久性試驗，針對湛江國家石油儲備地下水封洞庫工程特點，提出符合工程耐久性質(zhì)量要求的相關(guān)控制指標(biāo)，力求對地下洞封油庫工程防滲體工程質(zhì)量控制提供依據(jù)[14]。

由于湛江國家石油儲備地下水封洞庫工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，各種灌漿漿液性質(zhì)各異，在灌漿過程中時刻存在著漿液內(nèi)部的物理化學(xué)變化以及漿液與周圍環(huán)境的相互作用[15]。本文在一定程度上只是對試驗室灌漿固結(jié)體耐久性進行了初步研究，由于地下水封洞庫工程技術(shù)要求高，施工難度大、建設(shè)周期長，本文所涉及的水泥-水玻璃灌漿材料耐久性研究只是整個工程中很小的一部分，雖然對工程有一定的指導(dǎo)作用，但是對灌漿材料耐久性綜合影響因素和劣化機理仍需進一步研究。