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(1.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，長沙 410114；2.紅河哈尼族彝族自治州水利水電工程地質(zhì)鉆探隊，云南 蒙自 661199)

1 研究背景

在水利水電基礎(chǔ)工程中，富水巖溶大孔隙地層的充填、防滲、加固是經(jīng)常遇到的難題。如壩基的溶洞、地下廠房、隧道周邊巖溶、江河湖泊堤防防滲加固等基礎(chǔ)工程處理中，目前常采用砂漿或速凝漿材進(jìn)行灌漿，而砂漿存在穩(wěn)定性差、抗水沖釋能力弱等不足，速凝漿材存在成本高等劣勢。因此有必要針對富水巖溶大孔隙地層這類地質(zhì)結(jié)構(gòu)，研制一種滿足此類工程基礎(chǔ)處理要求的可選材料。

在裂隙巖土地層的灌漿材料的研究上已有許多成果，研發(fā)了多種普通水泥砂漿及水泥膏漿等漿材。對富水巖溶大孔隙地層灌漿材料的研究，也大多在普通水泥砂漿及速凝漿材類材料層面上。普通水泥砂漿雖有一定技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面的優(yōu)勢，但存在前期塑性黏度和屈服應(yīng)力較小、漿材凝結(jié)時間較長、抗水流沖釋能力弱等不足。速凝類漿材具有凝結(jié)時間可控和良好的抗水流沖釋等優(yōu)點(diǎn)，但其截斷滲水通道范圍有限，不能有效地控制滲水流量，且速凝漿材成本較高，對于富水巖溶大孔隙地層的地基處理，需要大量漿材進(jìn)行灌注。

凌英顯[1]研究了水泥砂漿在凝固前的初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和流變特性，其初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度取決于水泥凈漿的內(nèi)聚力和與集料之間的黏附力，硬化前的塑性黏度和屈服應(yīng)力較?。恍箱h等[2]提出U型流動法測定剪切力屈服值較小的Bingham體的塑性黏度，應(yīng)用于評價水泥砂漿的流變性能；王海龍等[3]以水泥砂漿復(fù)合土作為研究對象，通過研究摻砂量與強(qiáng)度之間的關(guān)系，得出水泥摻量分別為10%和20%時，摻砂量分別為30%和40%的強(qiáng)度最佳；曹明莉等[4]分析不同水灰比、砂灰比及碳酸鈣晶須摻量下，水泥砂漿拌合物流變性能的變化情況，得出碳酸鈣晶須摻量能一定程度增加拌合物的屈服應(yīng)力和塑性黏度；何靜等[5]以普通砂作為細(xì)骨料，通過內(nèi)摻風(fēng)積沙替代同等質(zhì)量的普通砂配制水泥砂漿，可提高水泥砂漿的前期強(qiáng)度，在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面具有潛在優(yōu)勢；馮虎等[6]研究了聚合物改性劑、硅烷偶聯(lián)劑、減縮劑及消泡劑對聚合物改性水泥砂漿凝結(jié)時間的影響，在不添加這些外加劑時，水泥砂漿的初凝時間大部分需要幾個小時；趙衛(wèi)全等[7]研制了一種摻入新型外加劑的水泥膏漿，其具有自堆積、凝結(jié)時間可控和良好的抗水流沖釋等優(yōu)點(diǎn)，但黏度過大，會使?jié){液的流動性變差，攪拌和泵送困難；符平等[8]對水泥膏漿和速凝膏漿進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出速凝水泥膏漿擴(kuò)散范圍受到一定的限制，截斷滲水通道范圍有限，不能有效地控制滲水流量；劉旭升[9]研究表明新型水泥膏漿適合于較大孔隙地層的動水堵漏，是圍堰防滲的一種有效手段，較常規(guī)連續(xù)墻圍堰防滲縮短工期50%以上。成虎林等[10]在土石堰防滲堵漏中采用了速凝水泥膏漿進(jìn)行灌漿，堵漏效果極好，漏水量減少了約70%，提出采用速凝水泥膏漿成本較高，爭取使用其他價格較低的速凝漿材。

本文通過綜合考慮普通水泥砂漿和速凝漿材的優(yōu)缺點(diǎn)，通過大樣本長周期室內(nèi)試驗(yàn)，對水泥砂膏漿的穩(wěn)定性、可控性、抗沖釋性能及結(jié)石體性能研究分析，研制出一種可以用來處理富水巖溶大孔隙地層的新型可控速凝漿材。

2 水泥砂膏漿組分研究

2.1 試驗(yàn)原材料及機(jī)理

(1)水泥：試驗(yàn)所用水泥為湖南碧螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其主要性能指標(biāo)見表1。

(2)改性劑：采用本課題組所研發(fā)的改性劑。改性劑中的無機(jī)鹽首先水解，生成大量的AlO2-，SO42-，OH-，而AlO2-與水泥水化反應(yīng)后生成Ca(OH)2溶解后的Ca2+發(fā)生反應(yīng)生成水化3CaO·Al2O3，降低了溶液中Ca2+的濃度；而水化3CaO·Al2O3的結(jié)晶體成為后續(xù)反應(yīng)物晶體生長的晶核，加快了各種水化產(chǎn)物晶體的生長，從而加快了水泥的水化反應(yīng)，提高了早期強(qiáng)度，縮短了初凝時間。

(3)砂：砂子采用天然河砂，篩選后細(xì)度模數(shù)2.56，含泥量1.6%，堆積密度1 465 kg/m3，表觀密度2 645 kg/m3，含水率為1.987%，顆粒級配良好。

在水泥類漿液中摻入一定量的砂，可以提高黏聚力、有效黏聚力和內(nèi)摩擦角、有效內(nèi)摩擦角，使其具有完善顆粒填充效應(yīng)的作用，能夠有效地減少水泥漿的孔隙數(shù)量，并能發(fā)揮砂顆粒置換作用以及水泥水化物的膠結(jié)作用。水泥顆粒通過水化物聯(lián)結(jié)包裹以砂顆粒為中心的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高水泥漿材的強(qiáng)度。此外，在水泥類漿液中摻砂的同時，會帶來負(fù)面效應(yīng)，砂屬于散粒體材料，具有一定的分散作用，需要與改性劑配合使用，來解決這一問題。

2.2 試驗(yàn)方案

水泥砂膏漿性能測試包括漿液基本性能及結(jié)石體性能。主要包括比重、析水率、稠度、流動度、凝結(jié)時間、結(jié)石率、抗壓強(qiáng)度、漿液流變性能、抗水流沖釋性能等。

根據(jù)已有研究，本次試驗(yàn)主要考慮砂子摻量及改性劑摻量對漿材的基本性能及結(jié)石體性能的影響，其他影響因素保持不變。試驗(yàn)不變量包括采用水灰比為1∶1的水泥漿液，變量包括砂子摻量及改性劑摻量，砂子與水泥的質(zhì)量比分別為0.25，0.30，0.40，0.50，0.75，1.00，改性劑分別占水泥質(zhì)量0%，0.5%，0.75%，1%，1.25%，1.5%，采用正交設(shè)計進(jìn)行試驗(yàn)，具體如表2所示。

表2 水泥砂膏漿試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes of cement sand paste-slurry

3 水泥砂膏漿性能研究

3.1 漿液穩(wěn)定性

漿液的均勻性變化越慢，則漿液保持原有的分散度時間越長，漿液的穩(wěn)定性越好，反之，則漿液的穩(wěn)定性越差。

3.1.1 漿液相對密度

采用1002型相對密度計對試驗(yàn)組進(jìn)行相對密度測試，測試前需進(jìn)行相對密度計校核，然后每組分別測試3次，取平均值，具體結(jié)果見圖1。

分析結(jié)果可知，砂子摻量一定時，改性劑摻量變化對漿液相對密度的影響不顯著；當(dāng)改性劑摻量為定量時，漿液相對密度隨砂子摻量的增加而增加。

3.1.2 漿液析水率

析水率是反映漿液穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，常采用圓柱量筒測定。選擇內(nèi)徑27 mm、最大標(biāo)準(zhǔn)刻度100 mL、最小刻度為1 mL的圓柱量筒。同時做2組平行試驗(yàn)，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，如圖2。

表1 水泥主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indicators of cement

圖1 水泥砂膏漿比重Fig.1 Proportion of cement sand paste-slurry

圖2水泥砂膏漿析水率
Fig.2Bleedingrateofcementsandpaste-slurry

試驗(yàn)表明：改性劑對漿液析水率影響顯著，摻砂量影響不大。純水泥砂漿漿液的析水率達(dá)到20%～30%，且砂子與水泥漿產(chǎn)生了離析分層現(xiàn)象。在添加改性劑后，水泥砂膏漿析水率減少到0%～3%。

3.2 漿液可控性

處理富水巖溶大孔隙地層以及大滲漏通道的動水情況下的地基加固防滲問題，控制性灌漿是一種行之有效的新型灌漿方法。灌漿材料控制是控制性灌漿除了灌漿技術(shù)、灌漿壓力等控制措施之外的一個很重要的方面。在灌漿材料控制中，其可控性主要是通過其稠度、流動度、凝膠時間、流變性能等基本參數(shù)來體現(xiàn)。

3.2.1 稠度

采用STSC-145型數(shù)顯砂漿稠度儀對漿液的稠度進(jìn)行測量，制漿后每10 min測定一次，共測試60 min。具體結(jié)果見圖3。

圖3漿液稠度隨時間變化
Fig.3Changesofslurryconsistencywithtime

分析可見，漿液在攪拌完成后，初始稠度較大，在0～20 min內(nèi)顯著減少，反映漿液具有良好的可泵性；砂子摻量一定，改性劑摻量為0.75%，1%，1.25%，1.5%時，1 h內(nèi)漿液的稠度可由100～120 mm降低至10～50 mm。

3.2.2 流動度

流動度的大小影響著漿材的擴(kuò)散半徑、注漿流量等參數(shù)。流動度的測定如圖4所示。

圖4 流動度的測定Fig.4 Determination of fluidity

由圖5試驗(yàn)結(jié)果可知，在砂子摻量一定的情況下，漿液的流動度隨著改性劑的增加而減少，在10～60 cm之內(nèi)可控可調(diào)。改性劑摻量一定時，砂子摻量對漿材流動度的影響并不顯著。

圖5漿液流動度變化
Fig.5Changesoffluidityofslurry

3.2.3 凝結(jié)時間

凝結(jié)時間的測定目的在于根據(jù)工程需要的單孔注漿時間來控制和調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時間，使凝結(jié)時間與注漿時間相匹配，同時也是為了得到理想的擴(kuò)散半徑和注漿效果。本次試驗(yàn)主要測試的是初凝時間。初凝時間的測定如圖6所示。

圖6初凝時間的測定
Fig.6Measurementofinitialsettingtime

如圖7所示，未添加改性劑前，純水泥砂漿的凝膠時間在160～200 min之內(nèi)。添加改性劑后，形成的水泥砂膏漿初凝時間發(fā)生顯著變化，隨著量的增加而減少，初凝時間在2～30 min內(nèi)可控可調(diào)。

圖7漿液的初凝時間
Fig.7Initialsettingtimeoftheslurry

3.2.4 流變參數(shù)

圖8 流變參數(shù)的測定 Fig.8 Determination of rheological parameters

流變參數(shù)的可控性，主要是通過改變改性劑配比及摻量實(shí)現(xiàn)的?？辜羟星?qiáng)度是漿液的重要流變參數(shù)，采用美國Brookfield 公司的R/S-SST PlusTM流變儀對漿液的抗剪切屈服強(qiáng)度及黏度進(jìn)行測定。流變參數(shù)的測定如圖8所示。

由圖9分析可知，當(dāng)砂子摻量一定時，改性劑對水泥砂膏漿的流型有著顯著影響。摻量較低時，均為賓漢流體，隨著摻量的增加，均為有屈服值的偽塑性流體。且改性劑摻量在0.75%～1%范圍內(nèi)時，漿液的抗剪切屈服應(yīng)力達(dá)到最大值。該類型漿液的剪切應(yīng)力都是先隨剪切速率的增加而減少，最終趨于穩(wěn)定且穩(wěn)定時的剪切應(yīng)力相近；當(dāng)改性劑摻量一定時，漿液的剪切應(yīng)力在砂子摻量為0.5～0.75時達(dá)到最大，剪切應(yīng)力也是先減小后穩(wěn)定。

由圖10分析可知，無論是砂子摻量還是改性劑摻量一定時，水泥砂膏漿的黏度隨時間呈先增加后保持穩(wěn)定的趨勢，且穩(wěn)定時間都在10～60 min之內(nèi)。

圖9 漿液抗剪切屈服強(qiáng)度Fig.9 Shear yield strength of slurry

圖10漿液黏度隨時間變化
Fig.10Viscosityofslurryagainsttime

3.3 漿液抗沖釋性能

圖11 留存率的測定 Fig.11 Determination of retention rate

處理一定開度的富水溶洞地層以及大孔隙地層的動水堵漏，要求漿液必須具有一定的抗水流沖釋能力，能夠快速凝結(jié)并且具有一定強(qiáng)度，不被水流沖散、沖走，從而達(dá)到防滲加固目的。留存率的測定如圖11所示。

在室內(nèi)進(jìn)行了不同流速下改性水泥砂膏漿的抗沖模擬試驗(yàn)，抗水流沖釋能力用膏漿被水流留存的質(zhì)量差來衡量，留存率計算公式為

(1)

式中：W為留存率；W1為沖釋前膏漿的質(zhì)量；W2為沖釋后膏漿的質(zhì)量。

由圖12可見，在流速為0.4～0.6 m/s時，水泥砂膏漿的抗水流沖釋能力隨著改性劑摻量的增加而增加。當(dāng)改性劑摻量為1%時，漿液的抗水流沖釋性能達(dá)到最佳，留存率達(dá)到85%以上。

圖12漿液抗水流沖釋的留存率
Fig.12Retentionrateofslurryagainstwaterdilution

3.4 漿材結(jié)石體性能

3.4.1 結(jié)石率

如圖13所示，在未添加改性劑的純水泥砂漿中，其結(jié)石率為70%～80%。添加改性劑后，水泥砂膏漿的結(jié)石率為90%以上，大部分都為100%，說明該漿液結(jié)石體并不變形?？偟膩碚f，水泥砂膏漿受砂子摻量的影響較小，受改性劑摻量的影響較大。

圖13水泥砂膏漿結(jié)石率變化圖
Fig.13Changesofstonerateofslurry

3.4.2 抗壓強(qiáng)度

圖14 抗壓強(qiáng)度測定 Fig.14 Determination of compressive strength

抗壓強(qiáng)度的測定是研究注漿材料的一項重要的工作，抗壓強(qiáng)度的大小決定了這種材料的使用范圍。抗壓強(qiáng)度大者可以起到加固的作用，抗壓強(qiáng)度小者只能達(dá)到堵水的目的?？箟簭?qiáng)度測定的廢料如圖14所示。

由圖15漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析可知，純水泥砂漿28 d的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到14～19 MPa，具有良好的抗壓強(qiáng)度，但綜合前期研究，其抗沖釋性能并不好，滿足不了堵水要求。

在砂子摻量一定情況下，水泥砂膏漿的抗壓強(qiáng)度隨著改性劑摻量的增加而增加趨于穩(wěn)定。一些試驗(yàn)組3 d的抗壓強(qiáng)度為2～5 MPa，而28 d的抗壓強(qiáng)度可到達(dá)10 MPa左右。

圖15漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度
Fig.15Compressivestrengthofslurrystone

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

某水電樞紐是中奧合作，集發(fā)電、船運(yùn)、灌溉、綜合效益為一體的中型水電樞紐工程。樞紐1#副壩位于河道右岸，水位達(dá)到正常蓄水位114.0 m時，大壩下游形成大面積滲漏現(xiàn)象，局部甚至出現(xiàn)管涌，壩后排水溝匯集滲流量可達(dá)0.3～1.0 m3/s。副壩處地層由老至新主要為：①泥盆系上統(tǒng)佘田橋組(D3s)：灰色、深灰色厚—巨厚層白云質(zhì)灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r、薄層泥灰?guī)r夾薄層炭質(zhì)頁巖。巖溶較發(fā)育，現(xiàn)場鉆探中曾多次遭遇溶洞，洞徑一般1～3 m，最大溶洞洞徑近7 m，充填或半充填砂、砂卵石等；②第四系全新統(tǒng)沖積堆積(Q4al)，上部為砂土層，下部為砂卵礫石層，磨圓度好，級配均勻，粒徑4～8 cm，大者超過15 cm，卵石含量約占77%，砂為中細(xì)砂，含量約占23%；③人工堆積(QS)：為黏土斜墻砂殼壩，壩殼成分以砂卵石為主，夾少量灰?guī)r塊石及泥質(zhì)，松散，透水性強(qiáng)。斜墻成分為礫質(zhì)黏土或礫質(zhì)壤土，較單薄，填筑結(jié)構(gòu)較松散。具體地質(zhì)分布如圖16所示。

注：K為滲透系數(shù)

圖161#副壩地質(zhì)分布
Fig.16Geologicalprofileof1#auxiliarydam

4.2 防滲加固施工

綜合現(xiàn)場施工條件與漿液的初、終凝時間間隔可控可調(diào)和可灌性等特點(diǎn)，針對含水巖溶發(fā)育較好的地層，采用水∶水泥∶改性劑∶砂=1∶1∶0.01∶0.4的水泥砂膏漿材料配合比，通過砂漿灌漿泵灌注，達(dá)到規(guī)范灌漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后停止灌漿?，F(xiàn)場施工圖如圖17所示。

壓水試驗(yàn)表明，透水率達(dá)到≤5 Lu，且在后續(xù)鉆進(jìn)過程中，未發(fā)生涌水，滿足工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。如圖18所示，大壩下游一個由水庫長期滲漏形成的水池，水位也有明顯下降，說明該水泥砂膏漿材料起到了封堵涌水通道和加固地層的作用。

圖17 現(xiàn)場施工Fig.17 Site construction圖18 灌漿效果Fig.18 Grouting effect

5 結(jié) 論

富水巖溶大孔隙地層的充填、防滲加固施工過程中，不但要求材料具有一定的抗沖釋性能、承載力性能以及力學(xué)性能，且應(yīng)具備環(huán)保、價格低廉等特點(diǎn)。本文通過大樣本室內(nèi)試驗(yàn)，研制了新型可控水泥砂膏漿材料，可適用于富水巖溶大孔隙地層及類似地層的防滲加固基礎(chǔ)處理。

(1)水泥砂膏漿具有良好的漿液穩(wěn)定性，析水率為0%～3%，而純水泥砂漿是20%～30%，可顯著提高灌漿加固效果。

(2)水泥砂膏漿在稠度、流動度(10～70 cm)、凝結(jié)時間(2～30 min)、抗剪切屈服強(qiáng)度(0～767 Pa)、黏度(0.1～4.3 Pa·s)等可控性方面具有顯著優(yōu)勢，可以根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行調(diào)控。

(3)水泥砂膏漿結(jié)石率近100%，28 d的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到10 MPa左右，滿足一般防滲加固灌漿工程的要求。試驗(yàn)說明改性劑的添加量為1%～1.25%，砂子摻量為0.4～0.75時，漿液的強(qiáng)度到達(dá)最佳效果。

(4)水泥砂膏漿中的改性劑，可增加漿材的初始屈服應(yīng)力及黏度，使其具有良好的抗水流沖釋性能。在流速為0.4～0.6 m/s時，漿材抗水流沖釋后的留存率可以達(dá)到85%以上。實(shí)際工程應(yīng)用表明，水泥砂膏漿可適用于富水巖溶大孔隙地層的防滲加固基礎(chǔ)處理工程。但在應(yīng)用時可能存在堵管、卡殼問題，應(yīng)及時清洗泵送管道。

(5)采用水泥砂膏漿時，材料成本與普通水泥膏漿相當(dāng)，且具有環(huán)保等方面的社會效益。

(編輯：羅 娟)