(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

地下工程在施工中，經(jīng)常會(huì)受到不良地層的影響，發(fā)生突泥突水等災(zāi)害，注漿可以很好地解決這一問(wèn)題[1]。

許多學(xué)者在注漿機(jī)理、注漿材料、注漿工藝等領(lǐng)域作了深入的研究，并取得了豐碩的科研成果。鄒金鋒等[2]推導(dǎo)出劈裂注漿壓力沿著裂縫衰減的規(guī)律和裂縫本身在土體中的擴(kuò)散規(guī)律，并運(yùn)用數(shù)值分析進(jìn)行了檢驗(yàn)，證明了其推導(dǎo)的正確性；俞文生等[3]研發(fā)了變傾角小比例裂隙動(dòng)水注漿模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，并使用COMSOL軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)裂隙動(dòng)水注漿理論進(jìn)行了補(bǔ)充；一些學(xué)者通過(guò)研發(fā)模型試驗(yàn)裝置研究注漿過(guò)程中裂隙產(chǎn)生及發(fā)展的機(jī)理和漿液的分散性等，取得了很好的成果[4-5]；還有一些學(xué)者在水泥基基礎(chǔ)上不斷研究，通過(guò)改變水泥細(xì)度、加入摻合料等方式利用正交試驗(yàn)研制一些新型的漿液，并對(duì)其進(jìn)行模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，效果良好[6-10]。

粉煤灰作為燃煤電廠的主要廢棄物，具有分布廣、產(chǎn)量大、對(duì)環(huán)境存在污染等特點(diǎn)。超細(xì)粉煤灰作為粉煤灰的一種，還具有細(xì)度模數(shù)較小的特性。本文將超細(xì)粉煤灰和水玻璃作為主要摻和料摻入水泥中配置一種新型超細(xì)粉煤灰水泥漿液，研究了超細(xì)粉煤灰摻量、水玻璃摻量、水灰比對(duì)漿液黏度、膠凝時(shí)間等物理性能的影響，并通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)比了新型超細(xì)粉煤灰水泥漿液和普通水泥漿液的可注性差異。

2 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

2.1 正交試驗(yàn)材料

水泥采用淮南永科新型建材有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥；超細(xì)粉煤灰采用淮南永科新型建材有限公司生產(chǎn)的超細(xì)粉煤灰，其直徑分布在32 μm以下，化學(xué)成分見(jiàn)表1；水玻璃采用淮南市宏瑞建材科技有限公司生產(chǎn)的水玻璃，化學(xué)成分見(jiàn)表2；試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

表1 超細(xì)粉煤灰化學(xué)成分質(zhì)量百分比Table 1 Chemical composition of ultrafine fly ash %

表2 水玻璃化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of sodium silicate

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)各種物理力學(xué)性能對(duì)漿液性能的影響，選擇水灰比、水玻璃摻量、超細(xì)粉煤灰摻量作為試驗(yàn)主要因素。為了表示方便,用因素A表示水灰比，因素B表示超細(xì)粉煤灰摻量，因素C表示水玻璃摻量。初步選取各因素的影響范圍，水灰比取0.8～1.2，超細(xì)粉煤灰摻量取70%～90%，水玻璃摻量取5%～15%。試驗(yàn)選取的測(cè)試因素為3個(gè)因素，每個(gè)因素一共有3個(gè)水平，故采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表L9(34)，試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

研究超細(xì)粉煤灰水泥漿液的最佳配合比，其評(píng)價(jià)指標(biāo)為漿液的相對(duì)密度、黏度、析水率、結(jié)石率、膠凝時(shí)間和穩(wěn)定性。根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E30—2005)分別測(cè)定了超細(xì)粉煤灰水泥漿液的相對(duì)密度、黏度、析水率、結(jié)石率、膠凝時(shí)間、穩(wěn)定性系數(shù)等。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test schemes

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量得到各試驗(yàn)指標(biāo)的數(shù)值，見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)指標(biāo)值Table 4 Values of test indexes

由表4的數(shù)據(jù)可以得出：注漿漿液相對(duì)密度為1.368～1.429，黏度為35～39 s，析水率為1.8%～2.5%，結(jié)石率為89.2%～98.9%，穩(wěn)定性為0.003～0.021，其中1—3號(hào)，4—6號(hào)，7—9號(hào)相對(duì)密度逐漸增大；4，6，7號(hào)的黏度較大，漿液比較黏稠；1—6號(hào)的結(jié)石率均達(dá)到90%以上，結(jié)石效果良好；從析水率和穩(wěn)定性來(lái)看，漿液析水率增大伴隨著漿液穩(wěn)定性的降低。總體來(lái)看，各組所測(cè)得的相對(duì)密度、黏度、結(jié)石率、析水率、穩(wěn)定性數(shù)據(jù)離散性較小，滿足漿液性能基本要求，各組所測(cè)得的膠凝時(shí)間離散性較大。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表4所測(cè)得的數(shù)據(jù)可以知道，這9組試樣中膠凝時(shí)間離散性很大。下面考慮水灰比、超細(xì)粉煤灰摻量、水玻璃摻量3個(gè)因素對(duì)漿液物理性能指標(biāo)的影響，對(duì)結(jié)果進(jìn)行極差分析、方差分析和回歸分析[11-12]。

3.1 極差分析

對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得出各試驗(yàn)因素對(duì)膠凝時(shí)間的極差R值，見(jiàn)表5。

表5 極差分析結(jié)果Table 5 Result of range analysis

對(duì)表5分析可得：期望注漿漿液的膠凝時(shí)間盡可能短，針對(duì)膠凝時(shí)間，極差R值從大到小依次為水灰比、水玻璃摻量、超細(xì)粉煤灰摻量，故水灰比的影響最大，其次是水玻璃摻量，超細(xì)粉煤灰摻量的影響最小。所以，以膠凝時(shí)間為指標(biāo)的最佳配比為：水灰比0.8，超細(xì)粉煤灰摻量70%，水玻璃摻量15%。

3.2 方差分析

極差分析是直觀分析，不能估計(jì)誤差的大小，也不能精確地估計(jì)各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的重要程度。故用方差分析繼續(xù)研究水灰比、超細(xì)粉煤灰摻量、水玻璃摻量對(duì)膠凝時(shí)間的影響，方差分析結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 膠凝時(shí)間方差分析結(jié)果Table 6 Result of variance analysis of gelation time

注：(*)表示有一定影響。

由表6結(jié)果分析可知：因素A、因素B、因素C的F值分別為14.13,0.37,5.49,根據(jù)顯著性排列出各因素對(duì)膠凝時(shí)間的影響順序?yàn)?水灰比大于水玻璃摻量大于超細(xì)粉煤灰摻量，其中水灰比顯著性較大，而超細(xì)粉煤灰摻量和水玻璃摻量的顯著性都比較小，這和上面的極差分析結(jié)果具有一致性。

3.3 回歸分析

以水灰比、水泥摻量、水玻璃摻量為自變量X1,X2,X3，膠凝時(shí)間作為因變量Y，對(duì)其進(jìn)行線性回歸分析，得到擬合公式為

Y=8.702+4.219X1+0.019X2-0.136X3。(1)

公式適用條件為：水灰比0.8～1.2、超細(xì)粉煤灰摻量70%～90%、水玻璃摻量5%～15%。對(duì)所擬合的公式進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)計(jì)算得到回歸方差分析結(jié)果，如表7所示，試驗(yàn)誤差與回歸統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表8所示。

表7 回歸方差分析結(jié)果Table 7 Result of regression analysis of variance

注：* 表示影響顯著。

表8 試驗(yàn)誤差與回歸統(tǒng)計(jì)Table 8 Test errors and regression statistics

根據(jù)表7的回歸方差分析可知，所得回歸公式(1)的F值為8.50，與查F分布表所得的臨界值相比較，可得F0.01>F>F0.05，說(shuō)明因變量Y與X1，X2，X3之間有顯著的線性關(guān)系，回歸方程可信。根據(jù)表8的結(jié)果可知，R值為0.914表明因變量Y與自變量X1，X2，X3之間為高度正相關(guān)；R2值為0.836表明自變量X1，X2，X3可以解釋因變量變差的83.6%；P值表示回歸系數(shù)t統(tǒng)計(jì)量的P值，P值的大小反映對(duì)應(yīng)自變量與因變量之間相關(guān)性的大小，X1和X3對(duì)應(yīng)的P值均遠(yuǎn)小于顯著性水平0.05，而X2對(duì)應(yīng)的P值遠(yuǎn)>0.05，表明X1和X3與Y的相關(guān)性大，X2與Y的相關(guān)性小，即相關(guān)性順序?yàn)閄1>X3>X2，這和上文極差分析以及方差分析的結(jié)果一致。

綜上所述，通過(guò)對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果的處理，找出了膠凝時(shí)間短、黏度好的超細(xì)粉煤灰注漿漿液的配比，即水灰比0.8，超細(xì)粉煤灰摻量70%，水玻璃摻量15%。成功回歸出水灰比、超細(xì)粉煤灰摻量、水玻璃摻量與膠凝時(shí)間之間的公式，可以為日后配取一定膠凝時(shí)間的漿液提供摻合料配比的參考。下面采取模型試驗(yàn)的方法，對(duì)具有可控膠凝時(shí)間的超細(xì)粉煤灰水泥漿液與普通水泥漿液的可注性進(jìn)行對(duì)比。

4 模型試驗(yàn)

4.1 模型試驗(yàn)裝置

為了測(cè)試超細(xì)粉煤灰水泥漿液的可注性，根據(jù)相似理論相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)與試驗(yàn)裝置[13-15]。試驗(yàn)裝置的實(shí)物和模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)裝置的實(shí)物與結(jié)構(gòu)Fig.1 Photo and schematic diagram of test device

試驗(yàn)裝置的主要系統(tǒng)如下：

(1)動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)。給注漿漿液施加壓力，保證注漿材料在注入巖土體時(shí)具有一定的動(dòng)力。

(2)漿液滲流系統(tǒng)。根據(jù)相似理論的原理，通過(guò)選取模型材料、設(shè)定初始條件和邊界條件來(lái)模擬工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，提供滲流模型試驗(yàn)過(guò)程中的滲流通道。

(3)檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)的布置，可以對(duì)漿液的流動(dòng)狀態(tài)、孔隙水壓、流量、速度等試驗(yàn)所需數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

4.2 模型試驗(yàn)材料

注漿材料所采用的超細(xì)粉煤灰和水泥與上文正交試驗(yàn)相同，水灰比取0.8，受注體采用淮河天然細(xì)砂，漿液指標(biāo)和細(xì)砂的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表9、表10和表11。

表9 漿液性能指標(biāo)Table 9 Indexes of slurry performance

表10 細(xì)砂試驗(yàn)參數(shù)Table 10 Parameters of test fine sand

表11 細(xì)砂篩余量Table 11 Sieve allowance of fine sand

4.3 模型試驗(yàn)步驟

模型試驗(yàn)的主要步驟分為：

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備。配制漿液、檢查各組件是否完好，管道線路是否堵塞。

(2)受注體裝填。對(duì)選取的受注巖土體進(jìn)行預(yù)壓和振搗后裝填到注漿滲透裝置中，直到裝填滿注漿滲透裝置的塑料管為止，并施加一定的壓力使其趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)組裝與調(diào)試。對(duì)模型試驗(yàn)裝置進(jìn)行組裝，將水注入到注漿罐的2/3處讓水在裝滿砂的塑料管中自由滲流，直到從另一端閥門(mén)口流出，檢查整個(gè)裝置的氣密性，調(diào)試各個(gè)系統(tǒng)保證其可以正常運(yùn)行，待水完全流出后進(jìn)行注漿試驗(yàn)。

(3)注漿。將配置好的漿液加入到注漿罐中，設(shè)定好注漿壓力，接通空氣壓力機(jī)打開(kāi)閥門(mén)進(jìn)行注漿，保證注漿壓力在設(shè)定值之間浮動(dòng)，分別進(jìn)行0.2，0.4，0.6 MPa壓力下的3組試驗(yàn)；在漿液滲流的同時(shí)用量筒量取滲流裝置的泄流量，并用秒表計(jì)時(shí)，按照設(shè)計(jì)的時(shí)間間隔記錄泄流量，直到達(dá)到一定時(shí)間或者滲流裝置無(wú)水流出為止。

(4)后續(xù)操作。待注漿漿液完全注入到注漿滲流系統(tǒng)以后關(guān)閉閥門(mén)，保持各個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)不變持續(xù)1～2 min后停止工作，靜放一段時(shí)間后排水、拆樣觀察注漿狀況，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

4.4 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

將普通水泥漿液和超細(xì)粉煤灰水泥漿液的泄流量進(jìn)行分析對(duì)比，并將注漿裝置靜置一段時(shí)間后拆模觀察漿液的擴(kuò)散情況。處理泄流量數(shù)據(jù)并拍攝漿液擴(kuò)散情況照片，得到0.2，0.4，0.6 MPa下超細(xì)粉煤灰水泥漿液和普通水泥漿液的泄流量和擴(kuò)散情況對(duì)比分別如圖2、圖3所示。

圖2 超細(xì)粉煤灰水泥漿液和普通水泥漿液的泄流量對(duì)比Fig.2 Comparison of discharge between ultrafine fly ash cement slurry and ordinary cement slurry

圖3 超細(xì)粉煤灰水泥漿液和普通水泥漿液的擴(kuò)散性對(duì)比Fig.3 Comparison of diffusivity between ultrafine fly ash cement slurry and ordinary cement slurry

對(duì)圖2、圖3分析可得：超細(xì)粉煤灰水泥漿液和普通水泥漿液在相同壓力條件下，隨著時(shí)間的增加，相同時(shí)間間隔內(nèi)的泄流量減??；相同壓力和對(duì)應(yīng)的時(shí)間間隔內(nèi)，超細(xì)粉煤灰水泥漿液的泄流量比普通水泥漿液大；相同注漿壓力條件下，超細(xì)粉煤灰水泥漿液的擴(kuò)散長(zhǎng)度明顯大于普通水泥漿液，注漿壓力為0.4 MPa時(shí)，超細(xì)粉煤灰水泥漿液近乎注滿了整個(gè)土體，0.6 MPa時(shí)已注滿整個(gè)土體，并已經(jīng)開(kāi)始固結(jié)，反觀普通水泥漿液注入的最長(zhǎng)距離僅約為整個(gè)受注體的1/6。

5 結(jié) 論

(1)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差和方差分析，得出水灰比、超細(xì)粉煤灰摻量、水玻璃摻量對(duì)超細(xì)粉煤灰水泥漿液膠凝時(shí)間、黏度影響的大小順序，即水灰比>超細(xì)粉煤灰摻量>水玻璃摻量，確定以膠凝時(shí)間為指標(biāo)的最佳配合比為：水灰比0.8、超細(xì)粉煤灰摻量70%、水玻璃摻量15%。

(2)通過(guò)回歸分析，得出在水灰比為0.8～1.2、超細(xì)粉煤灰摻量為70%～90%、水玻璃摻量為5%～15%條件下，膠凝時(shí)間(Y)與水灰比(X1)、超細(xì)粉煤灰摻量(X2)以及水玻璃摻量(X3)的線性擬合公式：Y=8.702+4.219X1+0.019X2-0.136X3。依據(jù)此公式，可以對(duì)滿足使用條件的超細(xì)粉煤灰漿液的膠凝時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)；同時(shí)還可以調(diào)整摻和料的比重，配制出滿足試驗(yàn)或工程需要的膠凝時(shí)間的漿液。

(3)通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)比相同注漿壓力下，超細(xì)粉煤灰水泥漿液與普通水泥漿液在相同時(shí)間間隔的泄流量及其最終擴(kuò)散情況。與普通水泥漿液相比超細(xì)粉煤灰水泥漿液的泄流量更大，注入受注體的深度更長(zhǎng)且固結(jié)效果更好，表明超細(xì)粉煤灰水泥具有良好的可注性。