李福海 王奕彬 余泳江 王江山 靳賀松 李 超

(1.西南交通大學土木工程學院 四川成都 610031；2.中鐵二局第四工程有限公司 四川成都 610306）

1 引 言

隨著高速鐵路的不斷發(fā)展，鐵路隧道數(shù)量日益增加，大多數(shù)高速鐵路隧道采用復合式襯砌結構。因為初期支護不到位、防水板與噴射混凝土未緊貼、混凝土收縮等原因[1-2]，近幾年的鐵路建設工程中，多條鐵路隧道發(fā)生拱部開裂掉塊、修補脫落、敲擊空響、滲漏水鑿槽修補脫落等病害[3-4]，嚴重威脅行車安全。

由于隧道襯砌拱頂空洞位置的特殊性，澆筑混凝土和普通的填塞均無法實現(xiàn)，因此廣泛采用注漿進行空洞充填[5]。而注漿效果不僅依賴于注漿工藝，注漿材料也尤為關鍵，工程運用的注漿材料大致分為水泥基材料、水玻璃類和高分子類。水玻璃類材料粘接性強、強度較高、耐酸性和耐熱性好，但耐堿性和耐水性差[6-7]；高分子類注漿材料普遍成本較高，除特殊情況下一般不使用；水泥基材料具有流動度可調(diào)、凝結時間可控等優(yōu)點，并可外摻礦物摻和料構成復合水泥基材料，降低注漿成本，在實際工程中得到廣泛應用[8]。然而目前使用的普通水泥基注漿材料，由于其體積收縮較大，會在服役期產(chǎn)生微裂紋，導致注漿充填不密實，影響結構物的穩(wěn)定性、耐久性以及使用壽命。此外，普通水泥基注漿材料存在早期強度低、泌水嚴重、環(huán)保性差等缺點，注漿后會出現(xiàn)殘留裂縫成為滲漏通道。在注漿料的各項性能中，早期強度高和微膨脹性是人們最為關注的，而硫鋁酸鹽水泥同時具備微膨脹性、早期強度高和在低溫下水化速率較快的特點[9]。因此，硫鋁酸鹽水泥基注漿料成為了注漿料中很重要的一類。

現(xiàn)行規(guī)范對二次襯砌回填注漿進行了要求，但對注漿配合比設計及材料沒有給出明確的規(guī)定，現(xiàn)場操作性較差。依據(jù)現(xiàn)場施工要求，為了使注漿材料漿體依靠自有流動性能完全填充襯砌空腔、裂縫、修復施工縫的損傷，必須具有較大的流動度。其次，在滿足注漿設備及注漿工藝要求的同時，還應注重現(xiàn)場使用周期的問題。因此，指導文獻[10]4要求注漿料的90 min流動度應大于320 mm。在注漿完成后，考慮到現(xiàn)場施工進度的要求，需盡早撤除襯砌臺車，因此要求注漿料12 h抗折強度和抗壓強度不能低于1.0 MPa和3.5 MPa，且1 d抗折強度和抗壓強度不能低于4.0 MPa和18 MPa。較長時間保持大流動度的特性與早期強度高的要求是一對相互的矛盾體，因此，合適的凝結時間及早期強度的性能指標也是需解決的技術難點之一。仲朝明等[11]將普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥按比例復配成膠凝材料，提高了材料的早期強度，同時摻入緩凝劑、粉煤灰、膨脹劑等材料制備出了流動度大于320 mm、2 h抗壓強度大于30 MPa的注漿料；Li Xianjun和Hao Jianying[12]對超早強注漿料的制備進行了創(chuàng)新性研究，他們將硫鋁酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石膏三元復合體系與各種外加劑復配制成注漿料。結果表明該新型注漿料具有超早強性且其后期強度沒有收縮，具有微膨脹性。呂彪[13]針對傳統(tǒng)水泥漿收縮、相容性和結合性不足的問題，研發(fā)了一種力學性能滿足設計要求，且與混凝土相容良好的微膨脹砂漿回填注漿材料。韓磊[14]研究了礦物摻合料對硫鋁酸鹽水泥基注漿料性能的影響，并指出加入一定量的微硅粉可以提高注漿料的強度，但摻量越大，漿體流動度越小；Shannan[15-16]的研究表明向水泥基注漿材料中摻加如粉煤灰、微硅粉、高爐礦渣等礦物摻合料以及高性能減水劑具有改善注漿材料的工作性能、耐久性能和力學性能的作用。

鑒于上述分析，本研究選取了水料比(水的質(zhì)量∶膠凝材料+骨料）、硫鋁酸鹽水泥占膠凝材料的比例(以下簡稱硫鋁酸鹽水泥摻量）和硅灰占膠凝材料的比例(以下簡稱硅灰摻量）三個參數(shù)，研究其對水泥基材料拌和性能和強度的影響，應用正交試驗方法設計配比方案，通過實驗，記錄不同配比下水泥基注漿材料的流動度與抗壓強度，并通過極差分析法，對比分析出各因素對工作性能與力學性能的敏感度和影響規(guī)律，最終確定出滿足規(guī)范指導要求的流動性好、高早強、微膨脹的水泥基注漿材料配比。

2 試驗

2.1 試驗原材料

(1）水泥:都江堰拉法基水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5R普通硅酸鹽水泥，四川嘉華企業(yè)(集團）股份有限公司生產(chǎn)的R·SAC硫鋁酸鹽水泥。

(2）硅灰:成都恒瑞源環(huán)保材料有限公司生產(chǎn)。

(3）細骨料:20～50目及50～120目規(guī)格石英砂、30～50目規(guī)格普通河沙。

(4）化學添加劑:廣東龍湖科技股份有限公司生產(chǎn)的P29減水劑，北京中德新亞建筑技術有限公司生產(chǎn)的XD型膨脹劑，廣東龍湖科技股份有限公司生產(chǎn)的P803型消泡劑，成都新都木蘭鎮(zhèn)生產(chǎn)的蔗糖類緩凝劑與三聚磷酸鈉緩凝劑，河北鑫合生物化工有限公司生產(chǎn)的FT10增稠劑。

選取試驗的主要研究對象列出其化學成分見表1～表3。

表1 普通硅酸鹽水泥的化學成分 %

表2 硫鋁酸鹽水泥的化學成分%

2.2 試驗方法

2.2.1 流動度測定

按照規(guī)范《水泥基灌漿材料應用技術規(guī)范》(GB/T 50448-2015）[10]19-20進行，試驗儀器用截錐原模并放置在水平試驗臺上。平穩(wěn)提起截錐圓模，注漿材料在無擾動下自由流動直至停止，用標尺測量底面最大擴算直徑及其垂直方向直徑，計算平均值，以此作為流動度初始值，結果精確到1 mm(見圖1）。

圖1 測定材料流動度

2.2.2 抗壓強度測定

漿體成型及測試按照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081-2002）[17]進行檢驗:將拌和好的注漿材料倒入試模中，靜置至漿體初凝后，將其表面多余的漿體刮掉，試件脫模后放入溫度為(20±2）℃，相對濕度不小于90%的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護12 h、1 d、28 d，用抗壓強度試驗機測定其抗壓強度。

2.2.3 膨脹率測定

按照規(guī)范《水泥基灌漿材料應用技術規(guī)范》(GB/T 50448-2015）[10]21-22進行，在溫度為(20±2）℃完成。注漿料加水攪拌均勻后立即灌模，從玻璃板一側灌入，當灌到50 mm左右高度時，用搗板在試模的每一側插搗6次，中間部位也插搗6次。灌到90 mm高度時，和前面相同再做插搗，盡量排出氣體。最后一層注漿料要一次灌至兩側流出的注漿料高出試模壁2 mm為止，立即用濕棉布覆蓋玻璃板兩側的漿體。試驗設置為一組三個，取算術平均值，在30 s內(nèi)讀取千分表初始讀數(shù)h0，于3 h、1 d、3 d分別讀取讀數(shù)，結果精確到0.001 mm(見圖 2）。

圖2 測定材料膨脹率

2.3 試驗方案

2.3.1 正交試驗法

正交試驗法用于多因素多水平試驗，若使用全面試驗法試驗數(shù)量過多，可操作性不強，因而從中挑選出部分具有均勻和整齊特點的代表組進行試驗。正交試驗法是部分因子設計的高效方法。試驗中，指標為待考察及對比的結果，將可能對實驗產(chǎn)生結果影響的待考察因素作為因素，實驗中每個因素具體范圍內(nèi)取值稱為水平。若設計一個因子的水平數(shù)分別為t1，t2，…，tn，共計k個因子的實驗。假設實驗滿足2個條件:(1）均衡性，即不同水平中每一因子出現(xiàn)次數(shù)相同；(2）正交性，即在試驗過程中任意不同水平組合下的兩因子出現(xiàn)次數(shù)相同，那么該試驗為正交試驗。正交試驗法通常采用正交表對試驗進行設計以此滿足試驗均衡性，并同時減少試驗次數(shù)。

2.3.2 正交試驗方案

為減少工作量，試驗采用了正交試驗法，確定了對材料流動性和早期強度影響最大的3個指標作為影響因素:用水量與膠結材料之比、硫鋁酸鹽水泥及硅灰在所有膠凝材料中所占的比例，考慮到《隧道襯砌拱頂帶模注漿技術要求》[18]7中規(guī)定適宜的微膨脹注漿料的水料比應為0.18～0.20，故每個因素設置3個水平，具體設置見表4。

表4 正交試驗設計安排

3 試驗結果總體分析

通過對不同配比的9組材料試件進行砂漿流動度試驗、單軸壓縮試驗，得到了各組材料的出機流動度、90 min流動度、齡期為12 h、1 d、28 d的混凝土抗壓強度，見表5。通過對試驗總體結果進行分析，發(fā)現(xiàn)注漿材料的出機流動度分布在373～397 mm，90 min流動度分布在327～373 mm，12 h抗壓強度分布在4.4～5.4 MPa，1 d抗壓強度分布在20.7～26.7 MPa，28 d抗壓強度分布在82.3～87.9 MPa。

表5 正交試驗方案及結果

4 實驗指標敏感性分析

在直觀分析法中，通過極差大小反映該因素不同水平變動對試驗指標的影響，以此來分析問題。按照正交試驗理論，可由試驗結果求得各因素相同水平的平均值，極差等于各水平值的最大值減最小值，極差大反映該因素的不同水平差異較大，對試驗結果有顯著影響[19]，下面通過極差分析法分析各因素對實驗指標(流動度和抗壓強度）的敏感度。并由分析結果確定出高早強、微膨脹、流動性好的水泥基注漿材料最優(yōu)配比。

4.1 流動度影響因素敏感性分析

4.1.1 出機流動度影響因素敏感性分析

對影響材料出機流動度的各因素每個水平求平均值與極差，結果參見表6，從表中得知，硫鋁摻量和硅灰摻量的極差相同，均大于水料比的極差。說明這三種因素中控制材料出機流動度的主要是硫鋁摻量和硅灰摻量，水料比對出機流動度亦有較強控制作用。

表6 0 min（出機）流動度極差分析

為了更直觀地分析各因素對材料出機流動度的影響，由表6可作出各因素對出機流動度影響的直觀分析圖，如圖3所示。從圖中得知，材料的出機流動度隨著水料比的增加而增大，隨著硫鋁摻量和硅灰摻量的增加而減小。

圖3 0 min流動度敏感性因素分析

4.1.2 90 min流動度影響因素敏感性分析

對影響材料90 min流動度的各因素每個水平求平均值與極差，結果參見表7。從表中得知，硫鋁摻量的極差最大，其次是硅灰摻量，再次是水料比。說明材料90 min流動度受三種因素中硫鋁摻量的影響最大，硅灰摻量也有一定的影響，而受水料比影響較小。

表7 90min流動度極差分析

由表7做出各因素對注漿材料90 min流動度影響的直觀分析圖，如圖4所示。從圖中得知，材料的90 min流動度隨硫鋁摻量的增加而顯著降低，隨硅灰摻量的增加而降低，隨水料比的增加而增大。

圖4 90 min流動度敏感性因素分析

4.1.3 流動度影響因素機理分析

漿體流動度隨著水料比的增大而增大的原因在于，水是砂漿中唯一的液相，會吸附在水泥顆粒和礦物摻合料顆粒表面，一定程度高度上起到了潤滑效果，減小顆粒間滑動的阻力；同時，漿體中水分含量越大，有越多的自由水帶動固體顆粒。而相同條件下，較大的水料比使砂漿含有更多的水，因此可以增大砂漿的流動性。

硫鋁酸鹽水泥比普通硅酸鹽水泥的水化反應速度更快，因此提高硫鋁酸鹽水泥摻量會加快漿體水化速度，漿體內(nèi)自由水含量減少，水化產(chǎn)物增多，因此注漿材料流動性減小，且流動性經(jīng)時損失更大，造成0 min和90 min流動度均隨硫鋁酸鹽水泥摻量增加而降低的趨勢。

硅灰顆粒比普通硅酸鹽水泥細度更小，與新拌砂漿中的自由水接觸后形成含硅凝膠晶體，在此過程中吸收了原本起潤滑作用的水，降低了漿體0 min和90 min流動度。同時，產(chǎn)生的含硅凝膠晶體與Ca(OH）2反應產(chǎn)生C-S-H凝膠，增加漿體中的固體物質(zhì)含量，從而進一步降低漿體90 min的流動度。

4.2 抗壓強度影響因素敏感性分析

4.2.1 12 h抗壓強度影響因素敏感性分析

對影響材料12 h抗壓強度的各因素每個水平求平均值與極差，結果參見表8。從表中得知，硫鋁摻量的極差最大，水料比的極差次之，硅灰摻量的極差最低且為0。說明這三種因素中控制材料12 h抗壓強度的主要是硫鋁摻量，其次是水料比，而硅灰摻量對材料的12 h抗壓強度影響可以忽略。

表8 12h抗壓強度極差分析

由表8可作出各因素對材料12 h抗壓強度影響的直觀分析圖，如圖5所示。從圖中得知，材料的12 h抗壓強度隨著水料比的增大而降低，隨著硫鋁摻量的增大而增大，而硅灰摻量的變化并未影響到材料的12 h抗壓強度。

圖5 12 h抗壓強度敏感性因素分析

4.2.2 1 d抗壓強度影響因素敏感性分析

對影響材料1 d抗壓強度的各因素每個水平求平均值與極差，結果參見表9。從表中得知，硫鋁摻量的極差最大，水料比的極差次之，硅灰摻量的極差最低。三種因素對材料1 d抗壓強度的敏感性由大到小為:硫鋁摻量→水料比→硅灰摻量，說明在這三種因素中硫鋁摻量對材料的1 d抗壓強度起控制作用。

圖6 1 d抗壓強度敏感性因素分析

表9 1d抗壓強度極差分析

由表9可作出各因素對材料1 d抗壓強度的直觀分析圖，如圖6所示。從圖中得知，材料的12 h抗壓強度隨著水料比的增大而降低，隨著硫鋁摻量的增大而增大，隨硅灰摻量的增大先增大后降低。

4.2.3 28 d抗壓強度影響因素敏感性分析

對影響材料28 d抗壓強度的各因素每個水平求平均值與極差，結果參見表10。從表中得知，水料比的極差最大，硅灰摻量的極差次之，硫鋁摻量的極差最低。三種因素對材料28 d抗壓強度的敏感性由大到小為:水料比→硅灰摻量→硫鋁摻量，說明在這三種因素中水料比對材料28 d抗壓強度起控制作用。

表10 28d抗壓強度極差分析

由表10可作出各因素對28 d抗壓強度的直觀分析圖，如圖7所示。從圖中得知，材料的28 d抗壓強度隨著水料比的增大而降低，隨著硅灰摻量的增大而增大，硫鋁摻量對材料的28 d抗壓強度影響并不明顯。

圖7 28 d抗壓強度敏感性因素分析

4.2.4 抗壓強度影響因素機理分析

水料比是影響混凝土強度的主要因素，用水量超過水泥水化所需用水時，多余的水會在硬化后的混凝土內(nèi)部形成氣孔，導致受力面積減小，進而導致強度降低，同時骨料與膠材的界面也因為水料比大而強度下降。

在水化硬化過程中，硫鋁酸鹽水泥中的C4A3S和石膏化合反應生成鈣礬石和Al(OH）3凝膠，生成的鈣礬石會迅速結晶形成堅硬的骨架，Al(OH）3凝膠則不斷填充骨架空隙使得水泥獲得更高的早期強度，水化持續(xù)2～3 d后反應基本完成，鈣礬石含量保持穩(wěn)定，故28 d抗壓強度隨硫鋁摻量變化不大。

當材料中摻入硅灰時，硅灰相較水泥初期水化活性較低，前期對材料抗壓強度貢獻較小，故硅灰摻量的多少對材料早期強度影響不大。隨著齡期的增長，硅灰開始參與水化反應，由于硅灰在普通硅酸鹽水泥基中，既具有物理填充作用，又具有較好的火山灰效應，能有效降低孔隙率，還可以與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生反應生成硅酸鈣凝膠，增加膠凝性，改善界面結構，并降低Ca(OH）2的數(shù)量和結晶取向度，使結構更加致密，因此后期強度提高比較明顯[20]。

4.3 價格因素敏感性分析

從膠凝材料各組分售價(見表11）來看，對注漿材料成本的敏感性由大到小為:硫鋁酸鹽水泥摻量→硅灰摻量→P.O42.5R水泥摻量，說明硫鋁酸鹽水泥摻量對成本起著控制作用，基于經(jīng)濟性考慮，應盡量降低硫鋁酸鹽水泥摻量，其次是硅灰摻量。每增加1%摻量的硫鋁酸鹽水泥摻量，注漿材料成本增加3元/t；每增加1%硅灰摻量，注漿材料成本增加2元/t。

表11 膠凝材料成本元/t

4.4 高早強、流動性良好水泥基注漿材料最優(yōu)配比

4.4.1 最優(yōu)流動度配比

綜合上述分析結果可以得出:水料比為0.20，硫鋁摻量為9%，硅灰摻量為6%時，水泥基注漿材料能夠達到最大的出機流動度和90 min流動度。

4.4.2 最優(yōu)抗壓強度配比

綜合上述分析結果可以得出:水料比為0.18，硫鋁摻量為13%，硅灰摻量為7%時，水泥基注漿材料能夠達到最大的早期強度；水料比為0.18，硫鋁摻量為9%，硅灰摻量為8%時，水泥基注漿材料28 d強度達到最大。

4.4.3 最經(jīng)濟性配比

綜合上述分析結果可以得出:硫鋁酸鹽水泥摻量為9%，硅灰摻量為6%時，水泥基注漿材料最為經(jīng)濟。

4.4.4 最優(yōu)水泥基注漿材料配比

綜合水料比、硫鋁酸鹽水泥摻量和硅灰摻量對注漿材料流動性、強度的影響分析，可以發(fā)現(xiàn):硫鋁酸鹽水泥和硅灰摻量對漿體流動性的影響較大，硫鋁酸鹽水泥摻量越高，漿體的流動性越差；但硫鋁酸鹽水泥摻量對注漿材料的早期強度影響也是最大，硫鋁酸鹽水泥摻量越大，早期強度越高。同樣，硅灰摻量越大，漿體流動性也越差，但由于硅灰具有微集料效應和活性效應，隨著硅灰摻量的提高，漿體保水性能更好，硬化后更加密實，使得材料28 d強度增大。水料比雖對漿體的流變性影響最小，但對注漿材料的后期強度影響最大，水料比越大，后期強度越低。且當水料比過大時，漿體會出現(xiàn)保水性不足的風險，為彌補保水性的不足，也需要通過增加硅灰的摻量來提高漿體的保水性能。從硫鋁酸鹽水泥摻量和硅灰摻量對注漿材料成本影響來看，適量增加硫鋁酸鹽水泥摻量或硅灰摻量對注漿材料的成本影響不大；結合注漿材料的技術要求，硫鋁酸鹽水泥摻量和硅灰摻量不宜過低。在選擇注漿材料配合比時，應首要考慮滿足高早期強度，其次是大流動性。因此，結合正交試驗結果綜合考慮三因素對注漿材料流動性和抗壓強度的影響，確定硫鋁酸鹽水泥摻量為13%，硅灰摻量為7%，水料比為0.19較為適宜，夠得到早期強度高、流動性較好的水泥基注漿材料，測得漿體出機流動度為385 mm，90 min流動度為350 mm，12 h抗壓強度為4.8 MPa，1 d抗壓強度為 23.3 MPa，28 d抗壓強度為86.9 MPa，均滿足技術要求[18]8。

4.5 體積變化率分析

當確定最優(yōu)水泥基注漿材料配比方案后測得材料體積變化率試驗結果如表12所示。

表12 膨脹率試驗

從試驗結果得知，硫鋁酸鹽水泥摻量為13%，硅灰摻量為7%，水料比為0.19時，材料的3 h膨脹率為0.257%；1 d時膨脹率為1.564%，其凝結前產(chǎn)生的膨脹能對砂漿的塑性收縮給予相應的補償，還能補償砂漿硬化后產(chǎn)生的干燥無縮，且滿足科技基[2008]74號中附錄C中規(guī)定的1 d內(nèi)塑性膨脹率介于0.3% ～2%。

5 結論

(1）應用正交試驗方法，以水料比、硫鋁摻量、硅灰摻量為影響因素，設計了三因素三水平正交表共計9組材料配比方案，通過砂漿流動度試驗和單軸壓縮試驗得到了不同配比注漿材料的出機流動度與90 min流動度及12 h、1 d、28 d抗壓強度。

(2）采用極差分析法分析了各因素對材料的流動性與抗壓強度敏感性，發(fā)現(xiàn)硫鋁摻量和硅灰摻量對試件流動度起主要控制作用，且二者與流動度皆為負相關關系；硫鋁摻量對試件的12 h、1 d抗壓強度起主要控制作用，且為正相關關系；水料比對試件的28 d抗壓強度起主要控制作用，且為負相關關系。

(3）結合正交試驗結果綜合考慮水料比、硫鋁摻量、硅灰摻量對水泥基注漿材料的流動性和抗壓強度的影響，選定較為理想的配比為:水料比0.19，硫鋁酸鹽水泥摻量13%，硅灰摻量7%。依據(jù)選定的配比，進行性能驗證，測得漿體出機流動度為385 mm，90 min流動度為350 mm，12 h抗壓強度為4.8 MPa，1 d抗壓強度為23.3 MPa，28 d抗壓強度為86.9 MPa，1 d時膨脹率為1.564%，均滿足技術要求。