孫星亮，張?jiān)婪?/p>

(石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

1 工程概況

2 試驗(yàn)思路

1)如何快速處理各類地質(zhì)狀況下的注漿加固是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。尤其在富水隧洞注漿工程中，要根據(jù)涌水量大小、圍巖破碎程度等情況適時(shí)調(diào)節(jié)注漿漿液配比，改變漿液性能，以滿足在隧道涌水條件下可以速凝且膠凝時(shí)間可控、可注性好、不易被水沖散等工程要求[3-4]。

2)利用正交試驗(yàn)方法來指導(dǎo)試驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)用較少的試驗(yàn)因素達(dá)到科學(xué)覆蓋的目標(biāo)[3]。

3)速凝漿液的優(yōu)選采取正交試驗(yàn)法，根據(jù)正交性從試驗(yàn)中挑選出部分有代表性的點(diǎn)進(jìn)行分析，這些點(diǎn)具備“均勻分散，齊整可比”的特點(diǎn)[5-8]。根據(jù)選材范圍，設(shè)計(jì)三因素三水平的正交試驗(yàn)。從漿液各組分反應(yīng)機(jī)理[9]上分析，各外加劑相互不發(fā)生反應(yīng)，可不考慮各試驗(yàn)因素的交互影響，按L9(33)正交表安排試驗(yàn)，只需作9次，大大減少了工作量。

4)分析緩凝劑單因素對(duì)水泥漿液膠凝性質(zhì)的影響。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料和儀器

1)試驗(yàn)材料

普通硅酸鹽水泥;水玻璃(波美度39 Be′，模數(shù)3.3);促凝劑A(鋁酸鈣);促凝劑B(聚丙烯酰胺);緩凝劑(磷酸二氫鈉);萘系高效減水劑。

2)試驗(yàn)儀器

維卡儀;旋轉(zhuǎn)黏度儀;300 mL燒杯;1 500 mL量杯;100 mL量筒;電子秤(精度1 g);三軸液壓儀;模具(7.07 cm×7.07 cm);水桶;水盆若干。

3.2 正交試驗(yàn)因素及其水平的確定

針對(duì)試驗(yàn)?zāi)康模磧?yōu)選促凝效果顯著的混合漿液，選取促凝劑、減水劑、水玻璃作為試驗(yàn)因素。

3.2.1 水玻璃摻量范圍的確定

圖1 復(fù)合漿液膠凝時(shí)間隨水玻璃摻量變化曲線,

由圖1可見:水玻璃摻量從10%增至15%時(shí)膠凝時(shí)間急劇縮短;摻量15%以后，隨著水玻璃摻量的增加膠凝時(shí)間進(jìn)一步增長(zhǎng)，但變化相對(duì)平緩。單從膠凝時(shí)間最短來看，水玻璃摻量在15%左右比較合理。

在此基礎(chǔ)上測(cè)定不同水玻璃摻量下復(fù)合漿液凝結(jié)14 d結(jié)實(shí)體抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見圖2。

圖2 結(jié)實(shí)體抗壓強(qiáng)度隨水玻璃摻量變化曲線

由圖2可見:在摻量20%時(shí)結(jié)實(shí)體抗壓強(qiáng)度最大，所以正交試驗(yàn)水玻璃摻量這一因素的3個(gè)水平應(yīng)以20%為中心，確定為15%，20%，25%。

實(shí)際工程中襯砌會(huì)分擔(dān)相當(dāng)一部分水壓力，所以漿液速凝的工程意義更顯著。與結(jié)實(shí)體抗壓強(qiáng)度相比,膠凝時(shí)間是更主要因素。故正交試驗(yàn)中水玻璃摻量這一因素的3個(gè)水平確定為10%，15%，20%。

3.2.2 促凝劑和減水劑摻量范圍的確定

從促凝劑和減水劑反應(yīng)機(jī)理來看，其互相不發(fā)生反應(yīng)，所以可不考慮其交互影響。采取水灰比1∶1，水玻璃摻量15%，分別測(cè)試促凝劑A(鋁酸鈣)摻量1%，2%，3%情況下和促凝劑B(聚丙烯酰胺)摻量1%，2%，3%情況下復(fù)合漿液的膠凝時(shí)間，結(jié)果見表1、表2。

表1 促凝劑A膠凝時(shí)間

表2 促凝劑B膠凝時(shí)間

由表1和表2可見:促凝劑A(鋁酸鈣)的膠凝時(shí)間與促凝劑B(聚丙烯酰胺)相差明顯，故正交試驗(yàn)排除促凝劑A(鋁酸鈣)這一因素。

由于工程采用雙液漿注漿，水泥和添加劑一路，水玻璃一路，故需保證每一路漿液的可注性[10]。在水灰比1∶1的水泥凈漿基礎(chǔ)上添加促凝劑B(聚丙烯酰胺，摻量分別為1.0%，1.5%，2.0%)，觀察混合漿液流動(dòng)性，結(jié)果見表3。

表3 促凝劑B對(duì)漿液流動(dòng)性的影響

由表3可知：促凝劑B(聚丙烯酰胺)促凝效果顯著，但隨著摻量的增加，混合漿液黏度過大(大于1 500 mPa·s)，不滿足穩(wěn)定可注的要求，因此在充分保證促凝劑促凝效果的同時(shí)須要降低混合漿液初配黏度，摻加減水劑。從經(jīng)濟(jì)性方面考慮減水劑控制在3%以內(nèi)。

由以上試驗(yàn)確定正交試驗(yàn)各因素及其水平，見表4。

表4 各試驗(yàn)因素及其水平

3.3 正交試驗(yàn)優(yōu)選分析

各試驗(yàn)因素對(duì)漿液膠凝時(shí)間的影響及其極差分析結(jié)果分別見表5、表6。

表5 各試驗(yàn)因素對(duì)漿液膠凝時(shí)間的影響

表6 基于膠凝時(shí)間的極差分析結(jié)果

注：K為各因素水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)之和;k為K的均值。

各試驗(yàn)因素對(duì)結(jié)實(shí)體抗壓強(qiáng)度的影響及其極差分析結(jié)果分別見表7、表8。

表7 各試驗(yàn)因素對(duì)復(fù)合漿液凝結(jié)后結(jié)實(shí)體抗壓強(qiáng)度的影響

表8 基于抗壓強(qiáng)度的極差分析結(jié)果

由表5—表8可知：

1)因素A(水玻璃摻量)對(duì)膠凝時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響都排在所有試驗(yàn)因素第1位，因素水平可取A2或A3，但取A2時(shí)凝結(jié)時(shí)間比取A3時(shí)縮短13.3%，抗壓強(qiáng)度增大11.2%，考慮到凝結(jié)時(shí)間比抗壓強(qiáng)度是更主要的因素，故取A2。同理B取B1。因素C可取C1或C2，但取C2時(shí)膠凝時(shí)間比取C1時(shí)縮短了2.0%，抗壓強(qiáng)度增加了5.7%，故取C2。

2)因素B(促凝劑B摻量)不同因素水平對(duì)結(jié)石體抗壓強(qiáng)度影響的極差分別為0.43，0.26，0.19，可見在不同促凝劑摻量下結(jié)石體抗壓強(qiáng)度變化幅度十分有限，其促凝、增加流動(dòng)性的作用相對(duì)更加顯著。

最終確定的優(yōu)組合為A2B1C2，即15%水玻璃，1%促凝劑B，2%減水劑。優(yōu)組合為A2B1C2的混合溶液經(jīng)電子黏度計(jì)測(cè)定，初配黏度為800 mPa·s(<1 200 mPa·s)，滿足可注性要求。

3.4 緩凝劑效果試驗(yàn)

根據(jù)不同工程需求，有時(shí)需從可注性出發(fā)，延緩漿液膠凝時(shí)間，因此將緩凝劑作為單一外加劑并調(diào)整摻量，觀測(cè)其對(duì)漿液性質(zhì)的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 膠凝時(shí)間隨緩凝劑摻量變化曲線

由圖3可見：隨著緩凝劑摻量的增加膠凝時(shí)間呈遞增趨勢(shì)。在緩凝劑摻量n≤0.6%時(shí)膠凝時(shí)間增長(zhǎng)不顯著，n≥0.6%時(shí)隨著緩凝劑摻量的增加，膠凝時(shí)間顯著增長(zhǎng)。

4 漿液配比方案

表9 穩(wěn)定性漿液3種配比方案

5 結(jié)論

通過室內(nèi)試驗(yàn)和正交極差分析，以膠凝時(shí)間和結(jié)實(shí)體抗壓強(qiáng)度作為基本性能指標(biāo)對(duì)混合漿液進(jìn)行控制，得出以下結(jié)論：

1)對(duì)于混合水泥漿液，無論是膠凝時(shí)間還是結(jié)實(shí)體抗壓強(qiáng)度，水玻璃摻量都是最主要的影響因素，但促凝劑、減水劑、緩凝劑對(duì)降低混合漿液膠凝時(shí)間有著顯著效果，且膠凝時(shí)間對(duì)摻量的變化十分敏感。

2)綜合考慮可注性好、不易被水沖散2項(xiàng)指標(biāo)，提出了3種漿液配比方案，可根據(jù)工程實(shí)際情況如涌水量大小、是否為巖溶地質(zhì)等靈活選用。