馬 波 ，雷進(jìn)生 ，涂保林，戴 康，程 爽

(1. 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（三峽大學(xué)），湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

由于我國(guó)堤防和水庫(kù)大壩工程較多是20世紀(jì)50年代初期所建，存在設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量差等問題，常導(dǎo)致滲漏和滲透破壞等病害。對(duì)于多種復(fù)雜地質(zhì)條件的地基加固，注漿技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，注漿可使巖土體成為強(qiáng)度高、抗?jié)B性好、穩(wěn)定性高的新結(jié)構(gòu)體，以達(dá)到加固或防滲的目的，是防滲、堵漏、地基加固和糾偏的重要方法[1-2]。近年來，隨著注漿理論體系的不斷完善，不同情況下的注漿模型以及注漿擴(kuò)散規(guī)律的研究日漸成熟[3-4]。水泥作為最常用的注漿材料，具有膠結(jié)性能好、結(jié)石強(qiáng)度高、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)普遍存在凝結(jié)時(shí)間過長(zhǎng)、早期強(qiáng)度不高等缺陷，并且硬化時(shí)常伴有析水和固相體積收縮，使硬化結(jié)石與被注介質(zhì)的粘結(jié)強(qiáng)度降低，形成新的滲水、竄氣通道，不能完全滿足灌漿的要求[5-7]，研制出高性能的注漿材料顯得尤為重要。

本文通過在水泥漿液中摻加納基膨潤(rùn)土、一級(jí)粉煤灰以及SY-G型高性能膨脹劑等材料，研究其對(duì)漿液的流動(dòng)性、可注性、結(jié)石率以及結(jié)石體強(qiáng)度等的改善效果，從而為漿液選型和配制提供參考依據(jù)。

1 膨脹復(fù)合漿液配比和物理性能

本文采用的基本材料是湖北宜昌三峽牌水泥，P·O 42.5，其化學(xué)成分及物理性能如表1所示。本研究中外摻劑納基膨潤(rùn)土的主要成分為蒙脫石，其吸藍(lán)量為37 g/100 g，濕壓強(qiáng)度為129 kPa，熱濕拉強(qiáng)度3.74 kPa，膨潤(rùn)值67 mL/g，水分9.05%；粉煤灰主要是燃煤電廠排出來的廢棄物質(zhì)，其化學(xué)成分和物理性能如表2所示；膨脹劑的主要成分有氧化鈣和硫鋁酸鈣，其主要作用是防止?jié){液結(jié)石體的體積干縮效應(yīng)，其化學(xué)成分和物理性能如表3所示。

表 1 水泥的化學(xué)成分和物理性能Tab. 1 Chemical composition and physical properties of cement

表 2 粉煤灰的化學(xué)成分和物理性能Tab. 2 Chemical composition and physical properties of fly ash

表 3 膨脹劑的化學(xué)成分和物理性能Tab. 3 Chemical composition and physical properties of expansive agent

漿液的黏度及密度對(duì)漿液的滲透特性具有重要影響。一般情況下黏度小，密度低，流動(dòng)性大，滲透較好，但是在土石壩注漿工程中，漿液黏度和密度較低時(shí)容易被壩體內(nèi)的滲流水沖刷和稀釋，從而不能達(dá)到理想的注漿效果。通過單因素控制變量法對(duì)不同配合比的膨脹復(fù)合漿液進(jìn)行試驗(yàn)，總結(jié)出不同水固比以及膨潤(rùn)土、粉煤灰、膨脹劑的摻量等因素對(duì)漿液黏度和密度的影響規(guī)律。

試驗(yàn)對(duì)不同水固比及不同膨潤(rùn)土、粉煤灰、膨脹劑摻量的漿液采用1006型泥漿黏度計(jì)進(jìn)行黏度測(cè)試，利用黏度試驗(yàn)配合比攪拌好漿液并測(cè)其密度3次，取3次的平均值作為該膨脹復(fù)合漿液的密度。結(jié)果如表4及圖1所示。

通過對(duì)表4和圖1的分析可知，隨著水固比的增大，漿液的黏度和密度降幅明顯，當(dāng)水固比為0.6時(shí)，漿液幾乎不流動(dòng)，用標(biāo)準(zhǔn)漏斗無法測(cè)量其黏度，當(dāng)水固比從0.8增大到1.0時(shí)，漿液黏度下降幅度為30.65%；隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，漿液的黏度和密度隨之增大；隨著粉煤灰摻量的增加，漿液的黏度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，密度隨之減??；膨脹劑摻量的變化對(duì)漿液流動(dòng)性影響較小。

粉煤灰是經(jīng)過高溫燃燒后形成的煤灰，本身不具有水硬性，但與水泥水化作用生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，能生成穩(wěn)定的硅酸鈣和氯酸鈣產(chǎn)物。其中，水化硅酸鈣和水化氯酸鈣具有較好的膠凝效應(yīng)，保證了漿液結(jié)石體后期的強(qiáng)度，并且其來源廣泛，可以替代部分水泥，從而降低成本。通常情況下粉煤灰呈球型顆粒，且粒徑比較小，具有光滑而致密的外殼，有較好的潤(rùn)滑減阻特性，故可提高漿液的和易性、可注性[8]。

表 4 不同配合比膨脹復(fù)合漿液的黏度和密度Tab. 4 Viscosity and density values of expanded composite slurry with different mixing ratios

圖 1 不同配合比的膨脹復(fù)合漿液黏度及密度值Fig. 1 Viscosity and density of expanded composite slurry with different mixing ratios

施工時(shí)漿液黏度太大容易堵塞注漿管，黏度太小容易被沖刷稀釋，施工時(shí)需合理控制漿液的流動(dòng)性。加入適量的粉煤灰，同時(shí)控制膨潤(rùn)土的摻量，有利于提高漿液的可注性。

表 5 膨脹型復(fù)合漿液結(jié)石體抗折強(qiáng)度Tab. 5 Fold resistance of expansive composite slurry stone body

2 膨脹復(fù)合漿液結(jié)石體力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 結(jié)石體強(qiáng)度試驗(yàn)

注漿漿液結(jié)石體抗折強(qiáng)度是力學(xué)性能的重要參數(shù)之一。以水泥作為主要材料，摻加不同比例的膨潤(rùn)土、粉煤灰及膨脹劑在不同水固比的條件下測(cè)其抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律。采用NJ-160水泥凈漿攪拌機(jī)、水泥試件養(yǎng)護(hù)箱、電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)、水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)等儀器，并依據(jù)規(guī)范《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T 17671—1999）分別對(duì) 7，14和 28 d抗折強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

由表5可知，水固比對(duì)結(jié)石體的抗折強(qiáng)度影響最大，養(yǎng)護(hù)7 d的結(jié)石體抗折強(qiáng)度在水固比為0.8時(shí)出現(xiàn)了拐點(diǎn)，降幅為69.53%，水固比繼續(xù)增大，強(qiáng)度下降較為平緩，降幅為38.92%。不同水固比的抗折強(qiáng)度在前14 d增加較快，后期強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。

摻入粉煤灰和膨潤(rùn)土后，雖然前期結(jié)石體的抗折強(qiáng)度有所降低，但是隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水化作用會(huì)對(duì)結(jié)石體的強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充，不會(huì)影響結(jié)石體強(qiáng)度作用的發(fā)揮。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是注漿漿液結(jié)石體的另一重要力學(xué)指標(biāo)，關(guān)乎著注漿材料的用途?？箟簭?qiáng)度高的注漿材料可以用來注漿加固地基，抗壓強(qiáng)度低的材料主要用來防滲堵水注漿[9]。依據(jù)規(guī)范《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T17671—1999）分別對(duì)7，14和28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表6所示。

分析表6可知，摻加膨潤(rùn)土和粉煤灰對(duì)膨脹復(fù)合漿液結(jié)石體的強(qiáng)度有一定的影響，在相同的水固比條件下，隨著膨潤(rùn)土和粉煤灰摻量的增加，在前期會(huì)大幅降低結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度，但后期粉煤灰的水化作用會(huì)對(duì)結(jié)石體的強(qiáng)度進(jìn)行補(bǔ)充，保證結(jié)石體后期的強(qiáng)度；加入膨脹劑雖能使水泥、粉煤灰的水化更加充分，但相當(dāng)于減小了漿液水灰比[10]，因此前期結(jié)石體抗壓強(qiáng)度也會(huì)因?yàn)榕蛎泟┑募尤攵档停笃诮Y(jié)石體抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。但是，粉煤灰的加入會(huì)在一定程度上抑制膨脹劑的反應(yīng)，所以隨著粉煤灰摻量的增加，結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度會(huì)有所減小。

表 6 膨脹型復(fù)合漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度Tab. 6 Compressive strength of expansive composite slurry stone body

綜合分析抗折和抗壓試驗(yàn)結(jié)果可以看出，水固比對(duì)結(jié)石體的強(qiáng)度影響最大，水固比從0.6變化到0.8的強(qiáng)度降幅比水固比從0.8變化到1.0的降幅更大，說明膨脹復(fù)合漿液的性能在水固比為0.8時(shí)發(fā)生了突變；隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，強(qiáng)度也逐漸降低，摻量從15%增加到20%的降幅比摻量從20%增加到25%的降幅大，膨潤(rùn)土的摻量為15%時(shí)后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，如果單獨(dú)從強(qiáng)度因素考慮，該摻量最優(yōu)；隨著粉煤灰摻量的增加，強(qiáng)度也逐漸下降，摻量從20%增加到30%的降幅比摻量從30%增至40%的降幅大，粉煤灰摻量為20%時(shí)后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，達(dá)6 MPa以上，摻量在30%和40%時(shí)，強(qiáng)度降幅明顯，所以摻量20%最優(yōu)；膨脹劑的加入，雖能使水泥與粉煤灰的水化更加充分，但相當(dāng)于增大了漿液水灰比，因此結(jié)石體抗壓強(qiáng)度也會(huì)因?yàn)榕蛎泟┑募尤攵档?，?dāng)摻量超過10%時(shí)，降幅明顯，所以要控制膨脹劑的摻量在10%左右。且本次試驗(yàn)膨脹復(fù)合漿液結(jié)石體28 d的抗折強(qiáng)度均大于1.0 MPa、抗壓強(qiáng)度均大于3.0 MPa，能滿足注漿材料的防滲堵水要求。

由于膨潤(rùn)土不溶于水，但能夠在水中搭接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得周邊大量的自由水轉(zhuǎn)化為束縛水，整體形成具有一定黏度的非牛頓流體類型的均勻膠體，對(duì)漿液穩(wěn)定性有一定的影響。在剪切力存在并攪動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)氫鍵受到破壞，膠體黏度降低，轉(zhuǎn)化為懸浮液；停止攪動(dòng)時(shí)，會(huì)自動(dòng)逐漸恢復(fù)膠體狀態(tài)，不發(fā)生離析現(xiàn)象，黏度隨之增大。在外界作用下懸浮液和膠體可以無限相互轉(zhuǎn)化，即為漿液摻加膨潤(rùn)土后穩(wěn)定性提高的原因[11]。

2.2 結(jié)石體自由膨脹率試驗(yàn)

通過正交試驗(yàn)法對(duì)不同配合比的膨脹復(fù)合漿液結(jié)石體進(jìn)行試驗(yàn)，膨脹性能通過測(cè)量1，3，7，14，21和28 d試體長(zhǎng)度的變化來確定。試驗(yàn)主要儀器設(shè)備有NJ-160水泥凈漿攪拌機(jī)、水泥試件養(yǎng)護(hù)箱、水泥比長(zhǎng)儀（ISOBY-160型）等。參照《膨脹水泥膨脹率試驗(yàn)方法》（JC/T 313—2009）進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表7及圖2所示。

表 7 膨脹型復(fù)合漿液結(jié)石體不同齡期的自由膨脹率Tab. 7 Free expansion rates of expansive composite slurry stone body at different ages

由表7及圖2可知，3#結(jié)石體的膨脹率比其他結(jié)石體的膨脹率高很多，從配合比來看，3#結(jié)石體的水固比最小，膨脹劑摻量最多，初步判斷水固比和膨脹劑摻量影響較大；整個(gè)膨脹過程在前7 d較為明顯，第14 d基本達(dá)到穩(wěn)定，后期膨脹值較小；對(duì)14 d的膨脹值通過正交分析可以得到，各因素對(duì)膨脹率的影響大小排序依次為：水固比>膨脹劑摻量>膨潤(rùn)土摻量>粉煤灰摻量。

圖 2 不同配合比的結(jié)石體隨時(shí)間變化的自由膨脹率Fig. 2 Free expansion rates of stone bodies with different proportions varied with time

2.3 結(jié)石體抗?jié)B試驗(yàn)

評(píng)價(jià)漿液結(jié)石體滲透性能效果的指標(biāo)主要有兩種，一種是在一定壓力下、一定時(shí)間內(nèi)試件滲出的水量來表示；另一種是在一定壓力下、一定時(shí)間內(nèi)看試件是否被水壓擊穿。本試驗(yàn)采用前者并結(jié)合正交試驗(yàn)法對(duì)膨脹復(fù)合漿液進(jìn)行抗?jié)B性能評(píng)價(jià)。將試件放入溫度（20±2）℃、濕度90%以上的養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至28 d，試件取出待表面干燥后，采用密封材料密封裝入SS-15砂漿滲透儀中采取重復(fù)加壓的方式進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)果如表8所示。

表 8 不同配合比的膨脹復(fù)合漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)Tab. 8 Permeability coefficients of expanded composite slurry stone bodies with different proportions

由表8可見，隨著漿液水固比的增大，滲透系數(shù)逐漸增大，在水固比從0.6增加到0.8時(shí)變化尤為明顯。1#試塊在0.9 MPa時(shí)才出現(xiàn)滲透，2#和3#試塊在水壓達(dá)到最大時(shí)還未出現(xiàn)滲漏；4#～9#試塊出現(xiàn)滲透的壓力基本相同，通過一定時(shí)間搜集的水量可以得出每個(gè)配合比試塊的滲透系數(shù)；4#，5#，6#試塊中滲透系數(shù)最大的是5#試塊，該試塊的膨脹劑摻量最小，防滲性能最差，6#的滲透系數(shù)最小，膨潤(rùn)土摻量是最多的，膨脹劑摻量適中，該配合比的漿液防滲效果最好；7#，8#，9#試塊的水固比都為1.0，但9#試塊的滲透系數(shù)增加十分明顯，和7#，8#相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，更加明顯地反映出膨脹劑摻量對(duì)漿液滲透系數(shù)的影響。

通過結(jié)石體自由膨脹率試驗(yàn)和抗?jié)B試驗(yàn)可知，膨脹劑對(duì)漿液的膨脹及抗?jié)B性能影響較大。這是由于摻加膨脹劑的水泥漿液，其早期水化產(chǎn)物主要是鈣礬石及少量的Ca(OH)2，且水化的Ca3SiO5和CaSO4比較少，膨脹劑的加入促進(jìn)了硅酸鹽水泥Ca3SiO5的水化，消耗了Ca3SiO5水化生成的Ca(OH)2，同時(shí)膨脹劑中的活性礦物組分與CaSO4參與水化并生成了鈣礬石；后期水化產(chǎn)物與早期相同，由于膨脹劑中還有一定數(shù)量的礦物組分參與水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物還有少量的鈣礬石生成。膨脹劑參與反應(yīng)生成的鈣礬石填充了部分復(fù)合漿液的空隙，提高了復(fù)合漿液的致密度，起到了較為穩(wěn)定的膨脹效果，增強(qiáng)了漿液結(jié)石體的抗?jié)B性能[12-13]。

2.4 膨脹復(fù)合漿液配合比確定

試驗(yàn)研究可知，水泥作為漿液的主要材料，可以保證膨脹復(fù)合漿液結(jié)石體的強(qiáng)度；膨潤(rùn)土的摻加可以提高漿液的結(jié)石率并降低結(jié)石體的滲透系數(shù)；粉煤灰的摻加可以改變漿液的流動(dòng)性，提高其可注性，并且保證了結(jié)石體的后期強(qiáng)度；膨脹劑的摻加可以很好地解決灌漿材料的收縮問題，在中后期效果尤為明顯。確定最優(yōu)配合比為水固比0.8，膨潤(rùn)土摻量25%，粉煤灰摻量30%，膨脹劑摻量10%的膨脹復(fù)合漿液。但是，膨脹復(fù)合漿液配制時(shí)，并非外加劑的摻量越多越好，要根據(jù)實(shí)際工程問題進(jìn)行配合比試驗(yàn)，以合理確定各組分的含量，才能更好地滿足工程需要。

3 結(jié) 語

通過對(duì)膨脹復(fù)合漿液黏度和密度試驗(yàn)、結(jié)石體抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、自由膨脹率、抗?jié)B試驗(yàn)以及復(fù)合漿液配合比試驗(yàn)，可以得出如下結(jié)論：

(1)在物理性能試驗(yàn)中，水固比對(duì)漿液的黏度和密度影響最大，水固比為0.6時(shí)，可注性較差；隨著膨潤(rùn)土摻量的增大，漿液黏度和密度隨之增大；合適的粉煤灰摻量有利于提高漿液的流動(dòng)性，粉煤灰與膨脹劑需要摻量合適才能使?jié){液的性能達(dá)到最優(yōu)；膨脹劑的摻量對(duì)漿液的密度和黏度影響不大。

(2)在強(qiáng)度試驗(yàn)中，膨脹復(fù)合漿液結(jié)石體28 d的抗折強(qiáng)度都在1.0 MPa以上，抗壓強(qiáng)度都在3.0 MPa以上，能滿足注漿材料的防滲堵水要求；在自由膨脹率試驗(yàn)中，水固比和膨脹劑摻量對(duì)結(jié)果影響較大，整個(gè)膨脹過程在前7 d較為明顯，在14 d基本達(dá)到穩(wěn)定，后期膨脹值較小，對(duì)14 d的膨脹值通過正交分析可以得到，各因素對(duì)膨脹率的影響大小排序依次為：水固比>膨脹劑摻量>膨潤(rùn)土摻量>粉煤灰摻量；在結(jié)石體抗?jié)B試驗(yàn)中，摻加膨脹劑和膨潤(rùn)土能顯著降低漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)，用來注漿防滲可以達(dá)到很好的防滲效果。

(3)在設(shè)計(jì)的幾種配合比中，注漿防滲膨脹復(fù)合漿液的最優(yōu)配合比為：水固比0.8，膨潤(rùn)土摻量25%，粉煤灰摻量30%，膨脹劑摻量10%。