韓洪興

(新鄉(xiāng)學院 土木工程與建筑學院，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引 言

注漿加固技術具有非開挖、施工方便、節(jié)約資源等優(yōu)點，廣泛應用于道路病害處理[1]、微裂巖石防滲[2-3]、軟土地基加固[4-5]、圍巖巷道加固[6]。注漿法是通過注漿設備將所配漿液注入到巖石裂隙、粗細砂土、軟弱土層中，形成不易滲水、更加穩(wěn)定的結實體。目前，工程中常采用的注漿材料有普通硅酸鹽水泥、超細水泥和化學漿液等[1-7]。王江峰等[8]采用超細水泥漿液加固煤壁，取得了較好了的注漿效果；Zhang和Yue[9]采用廢舊玻璃粉作為膠凝材料，對摻有玻璃粉的礦渣砂漿強度、干縮和抗硫酸侵蝕性能的研究；許宏發(fā)等[10]基于水泥漿液，建立了注漿擴散模型；Gustafson等[11]在賓漢姆流體方程的基礎上，推導了恒定條件下的注漿擴散模型；Kravchenko等[12]對礦渣微粉粒度分布和比表面進行了研究，發(fā)現(xiàn)平均粒徑的減小會引起粉體比表面積的增大。近年來，我國公路、鐵路、港口和房建等基礎設施得到了快速發(fā)展，砂土地基問題逐漸凸顯，特別是我國沿海、東部地區(qū)。大量砂土地基因承載力不足、易滲水、變形大，導致在砂土地基上修建的建筑物或構筑物發(fā)生不均勻沉降、開裂等嚴重問題，給砂土地基施工帶來較大問題。

大量室內試驗及工程實踐表明，普通水泥漿液具有無毒、強度高、成本低和施工方便等優(yōu)點，但該漿液的穩(wěn)定性差、析水率大、凝結時間較長、難以注入到較小裂隙或細砂土層[13-14]，超細水泥漿液成本相對較高[15-16]，化學漿液具有毒性[17-18]。為了解決上述傳統(tǒng)材料存在的問題。本文以超細礦渣微粉為基材，采用SF膠凝劑、HN增強劑作為摻入量，分別研究了不同水灰比(W/C)、HN增強劑摻量、SF膠凝劑摻量對該漿液粘度、膠凝時間、抗壓強度的影響。開發(fā)一種無毒、無污染和低成本的新型注漿材料。

1 試驗材料與設計

1.1 試驗材料

超細礦渣微粉，來源于某建材有限公司，主要化學成分見表1所示。SiO2、Al2O3為超細礦渣微粉的主要活性成分，在堿性溶液條件下與水發(fā)生化學反應。堿性激發(fā)劑(如Ca(OH)2、NaOH等)能激發(fā)其活性，生產膠凝物質，增加膠凝物含量[19]?；诔毜V渣微粉本身固有活性及上述機理，本文選擇了2種添加劑來激發(fā)超細礦渣微粉的活性，即HN增強劑和SF膠凝劑。HN增強劑是一種超細注漿材料，平均粒徑為3～6 μm,比表面積在800 m2/kg以上，能夠有效提高超細礦渣微粉漿液的擴散半徑、滲透能力和結實體強度；SF膠凝劑屬于堿性材料，該材料在水化早期,OH-將對礦渣微觀網絡結構中的Si-O-Si鏈、Al-O-Al鏈、Si-O-Al鏈進行破壞，加速礦渣微粉溶解。

表1 超細礦渣微粉的化學成分及其含量

1.2 試驗方案

在本次試驗中，選擇了不同水灰比(W/C)、HN增強劑摻量和SF膠凝劑摻量為主要因素。通過分析超細礦渣微粉漿液的粘度、凝結時間、以及試樣的抗壓強度，初步確定3種因素的影響范圍[20]，即水灰比取1.0～2.0，HN增強劑取2%～6%，SF膠凝劑取6%～10%。本次試驗采用3個因素，選擇的正交設計表為L9(34)，見表2所示。漿液粘度采用標準漏斗粘度計(1006型)對其進行測定。試樣尺寸為φ45 mm×90 mm，制備后的試樣放在標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱(YH-90B)養(yǎng)護,溫度設為20 ℃，濕度≥90%。大量注漿工程試驗表明[1-6]：漿材粘度、凝結時間和早期強度對注漿工程至關重要。因此，選取試樣在7和14 d的抗壓強度?？箟簭姸鹊挠嬎憔戎?.001 KPa。

表2 試驗配比

2 結果與分析

2.1 超細礦渣微粉漿液

根據1.2正交設計方案，分別配制超細礦渣微粉漿液，測出試樣的抗壓強度(7和14 d)和漿液粘度，見表3所示。

表3 正交試驗結果

從表3可以看出，配方號1-3漿液粘度大于180，配方號4-9的最大漿液粘度為24，最小漿液粘度為16，表明配方號4-9漿液粘度變化很小，均符合注漿要求，而配方號1-3漿液粘度不符合注漿要求。試樣的抗壓強度(14 d)與三因素的關系見圖1所示。從圖1可知，在單因素變化條件下，超細礦渣微粉漿液隨著水灰比(W/C)和SF膠凝劑的增加而逐漸下降，該漿液隨著HN增強劑的增加呈先增加后下降趨勢，HN增強劑摻量為4%時，試樣在14 d的抗壓強度最大。從圖1可知，超細礦渣微粉漿液在水灰比(W/C)為1.0、SF膠凝劑摻量為6%、HN增強劑摻量為4%時，該配比為漿液的最佳組合，但沒有出現(xiàn)在9組配方號中，故追加試驗。

圖1 抗壓強度(14 d)與三因素的關系Fig 1 Relationships between compressive strength (14d) and three factors

在上述最佳水平組合(HN增強劑為4%，SF膠凝劑為6%)基礎上，再分別配制7組不同水灰比(W/C)的超細礦渣微粉漿液，即：W/C=1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0和2.2，分別測試所配漿液的粘度、抗壓強度。水灰比與抗壓強度(7和14 d)的關系見圖2所示，水灰比與漿液粘度的關系見圖3所示(水灰比為1.0時，漿液粘度大于180)。

圖2 水灰比與抗壓強度的關系Fig 2 Relationships between water cement ratio and compressive strength

圖3 水灰比與粘度的關系Fig 3 Relationship between water cement ratio and viscosity

2.2 砂土的注漿試驗

為了進一步分析超細礦渣微粉漿液能夠注入到細砂土層中，將普通水泥漿液和超細礦渣微粉漿液的泄流量、擴散半徑進行對比。本試驗采用自行研究的注漿設備，塑料管長度設為65 cm，介質為淮河天然細砂[20]，超細礦渣微粉漿液和普通水泥漿液的泄流量見圖4所示。

從圖4可以看出，在相同注漿壓力和對應的時間間隔內，超細礦渣微粉漿液在細砂土中的擴散半徑和泄流量均大于普通水泥漿液。隨著注漿時間(t)的增加，超細礦渣微粉漿液的泄流量近似呈線性下降，而普通水泥漿液的泄流量先下降較快，再緩慢下降，最后幾乎保持不變。原因是超細礦渣微粉的粒徑遠大于普通水泥的粒徑，使其更易注入到細砂土層中。

圖4 超細礦渣微粉漿液和普通水泥漿液的泄流量Fig 4 Discharge of superfine slag powder slurry and common cement slurry

3 結 論

(1)超細礦渣微粉漿液的最優(yōu)配比為：水灰比(W/C)為1.2、HN增強劑摻量為4.0%、SF膠凝劑摻量為6.0%，該漿液粘度為47.03,7 d抗壓強度為5.208 kPa；

(2)隨著水灰比(W/C)的增加，試樣抗壓強度(7 d和14 d)逐漸下降，漿液粘度先快速下降，再緩慢下降，最后幾乎保持不變；

(3)通過注漿試驗，對比相同注漿壓力、注漿時間間隔，超細礦渣微粉漿液在細砂土中的擴散半徑、泄流量均大于普通水泥漿液，注入細砂土層的深度更長、固結效果更好。