劉寧愷，潘東江，溫時雨，劉海寧，周建軍，李治國

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001; 2.華北水利水電大學巖土工程與水工結構研究院，河南 鄭州 450046；3.中鐵開發(fā)投資集團有限公司，云南 昆明 650200)

0 引言

軟巖因其低強度、強流變、破碎、易風化等復雜特性，長期以來都是工程建設中關注的重點[1]，在具有高地應力、高溫、高水壓等復雜環(huán)境特點的隧道工程中更是不可忽視的難題[2]。例如：滇中引水工程香爐山隧洞穿越泥巖、頁巖、砂巖等軟弱地層，在施工過程中涉及的工程地質、水文地質等問題較多，施工難度較大[3-4]。在軟巖地層中進行隧道開挖時，會引起圍巖應力重新分布，導致出現(xiàn)大體積的塌方和變形，嚴重威脅施工設備和人員安全，且隧道建成后的潛在隱患較多，使用壽命大幅縮短[5-8]。

注漿加固是解決軟巖失穩(wěn)的有效方法，而注漿材料的選擇至關重要。目前，市面上的注漿材料大體分為水泥注漿材料、水泥-水玻璃注漿材料和高分子化學注漿材料3大類[9]。泥質軟巖存在自愈合性[10]，受到工程擾動時，裂隙會變得更加細微[11]，而粒徑較大的水泥注漿材料存在滲濾效應[12-14]，無法對泥質軟巖進行均勻有效加固；水泥-水玻璃漿材在承受長期荷載時，強度會有所降低，耐久性差[15]；高分子化學注漿材料具有低初始黏度、良好的滲透性等特點，但具有毒性，施工過程中容易造成水污染，目前在我國已不再使用[16]。

硅溶膠具有納米粒徑、低初始黏度、高滲透性等突出特點[17]，滿足泥質軟巖加固要求，且硅溶膠為二氧化硅的水溶液，本身無臭無味無毒；但硅溶膠早期強度較低(小于0.1 MPa)，無法滿足工程需求，必須對其進行改性以提高自身強度。鋁酸鹽水泥具有早期強度高、抗侵蝕性強、耐高溫等特點，但可注性較差[18-19]，可利用多種組分性能的超疊效應(即1+2≥3)[20]，充分發(fā)揮其優(yōu)良特性的組合效果，克服單一品種的性能缺陷。因此，將硅溶膠與鋁酸鹽水泥復合，來提高硅溶膠固結體強度，同時相對于純鋁酸鹽水泥漿來說可注性也得以改善。但是，初步試驗發(fā)現(xiàn)，直接將硅溶膠與鋁酸鹽水泥復合會出現(xiàn)結石率低、固結體收縮開裂等問題，導致漿材本身對泥質軟巖的加固作用較弱。

綜上，本文提出一種納米硅溶膠-鋁酸鹽水泥復合漿材設計思路，并開展試驗對其性能進行優(yōu)化，研究不同摻加劑對漿材結石率和開裂性能的影響特征；同時，進行力學試驗和凝膠時間試驗，得出各摻加劑對復合漿材強度和凝膠時間的影響規(guī)律。在結石率低和干縮開裂問題得到解決的前提下，以強度為主要評價指標、凝膠時間為次要評價指標，綜合得出優(yōu)化漿材性能的外加劑種類和推薦摻量；最后，選取滇中引水工程香爐山隧洞的泥巖進行顯微硬度試驗，評價優(yōu)化后的漿材對泥巖的加固效果。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

1.1.1 漿材基體

漿材基體包括納米硅溶膠和鋁酸鹽水泥2部分。其中，納米硅溶膠如圖1所示，型號為JN30，平均粒徑為8～15 nm，二氧化硅質量分數(shù)為29%～31%，pH值為9～11，密度為1.2 g/cm3。鋁酸鹽水泥如圖2所示，采用回轉爐工藝生產(chǎn)，型號為CA50-A900，氧化鋁質量分數(shù)為52%～60%，比表面積為400～450 m2/kg。

圖1 納米硅溶膠

圖2 鋁酸鹽水泥

1.1.2 提高結石率試驗材料

葛延明等[21]研究發(fā)現(xiàn)硅酸鈉需要消耗自由水來參與水泥水化反應，且水化產(chǎn)物有絮凝作用，同樣可以減少體系中的自由水，從而降低析水率，提高結石率。在鋁酸鹽水泥中加入微量普通硅酸鹽水泥會使體系中水化反應加劇，漿液內部顆粒劇烈運動，也可提高結石率[22-23]。因此，本文選取硅酸鈉和硅酸鹽水泥來進行提高結石率的相關試驗。其中，硅酸鈉為AR分析純，呈白色粉末狀；硅酸鹽水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

1.1.3 防治開裂試驗材料

硅灰平均粒徑為0.1～0.2 μm，加入泥漿中具有填充效應，可起到防治開裂的效果。氧化鎂加入到漿液中水化生成氫氧化鎂晶體[24]，填充到裂縫中，可對干縮裂縫起到防治作用。氧化鈣在泥漿中發(fā)生水化反應，生成氫氧化鈣晶體，造成固相體積增加，且水化產(chǎn)物聚集時會導致漿材體積膨脹，能達到防止開裂的目的。可再分散乳膠粉加入到水泥中，可以在水泥水化物表面形成一種聚合物薄膜，可以有效吸收裂紋擴展時需要的能量，從而改善水泥收縮開裂性能。綜上，選取硅灰、氧化鎂、氧化鈣和可再分散乳膠粉進行防治開裂試驗。

其中，硅灰的二氧化硅質量分數(shù)為96%；氧化鈣質量分數(shù)在98%以上，相對分子質量為56.08，純度規(guī)格為分析純。

1.2 試驗方法

1.2.1 凝膠時間試驗方法

凝膠時間的測量依據(jù)GB/T 22235—2008《液體黏度的測定》，采用倒杯法。測試步驟為：1)快速按照配比配置200 mL的漿液，倒入A杯中，并開始計時；2)手持A、B 2杯，將漿液反復倒杯，直到漿液不再流動時所經(jīng)歷的時間為凝膠時間。

1.2.2 抗壓強度試驗方法

抗壓強度測量依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，將漿材制備成40 mm×40 mm×160 mm的標準試塊，然后用CMT4504型微機控制電子萬能試驗機測定每一組試樣的3 d抗壓強度。

1.2.3 結石率試驗方法

結石率的測定方法為：按照配比制備200 mL注漿液，倒入量程為250 mL的玻璃量筒中，然后用保鮮膜將量筒口密封，在室溫條件下靜置觀察，待72 h后讀取量筒中下部結石體的刻度和最終總刻度，再根據(jù)式(1)計算結石率P。

(1)

式中：V為下部結石體的體積，mL；V0為最終結石體加析出液體的總體積，mL。

1.2.4 開裂試驗方法

在開裂試驗方面，目前沒有統(tǒng)一的規(guī)范試驗可參考。實驗室較為常用的方法為人工法，即人工觀測開裂裂紋的長度、走向等，并以此為評價指標來評價開裂性能。隨著數(shù)字圖像技術的發(fā)展，也有學者將圖像技術運用于檢測裂紋中，但這種檢測方法只能用于已經(jīng)開裂的房屋、橋梁、路面等的裂縫評價。此外，還有平板試驗方法，該方法主要反映四邊約束條件下混凝土早期開裂情況[25-26]。結合實驗室條件和試驗本身需求，本文決定采用人工法進行開裂試驗。

先按照設計配合比配制漿液，然后倒入40 mm×40 mm×160 mm的模具中，標準養(yǎng)護72 h，成型脫模，進行人工觀察，統(tǒng)計試塊表面裂縫長度。以裂縫長度為指標進行防治開裂效果評價。

1.2.5 界面過渡區(qū)試驗方法

采用OU2562型全自動顯微硬度計進行界面過渡區(qū)試驗。將現(xiàn)場取樣的整體巖塊擊碎成平均塊度5 mm的碎塊，放入尺寸為50 mm×100 mm的圓柱形模具中，之后按照配比制備足量注漿液注入模具中，直至將模具完全灌滿，隨后進行標準養(yǎng)護。試樣固結成型后，將底面進行磨平、拋光等程序，使底面平整且類似于鏡面。在巖-漿界面附近適宜位置，以20 μm等間距從巖體向漿體進行打點，測定顯微硬度和界面過渡區(qū)寬度。

1.3 試驗方案和設計配比

按照1.1節(jié)中選取的外加劑，在合理范圍內設置摻量梯度，設計試驗方案探究各類外加劑對復合漿材的性能優(yōu)化效果。針對提高結石率的試驗配比方案見表1，針對干縮開裂防治的試驗配比方案見表2。

表1 提高結石率試驗配比

表2 防治開裂試驗配比

2 試驗結果及分析

2.1 提高結石率相關試驗

2.1.1 提高結石率相關試驗結果

在結石率達到100%的前提下，以3 d強度為主要參考指標、凝膠時間為次要參考指標，綜合優(yōu)選出適宜的提高結石率的添加劑種類和摻量。

根據(jù)表1中的試驗配比，配制足量的漿材，參照1.2節(jié)中的結石率試驗原理開展結石率測定試驗，如圖3所示。同期，按照1.2節(jié)中的原理進行凝膠時間試驗、力學試驗，試驗結果見表3。

圖3 結石率測定試驗

表3 提高結石率相關試驗結果

根據(jù)表3試驗結果得到外加劑摻量-結實率關系曲線(見圖4)、外加劑摻量-3 d抗壓強度關系曲線(見圖5)和外加劑摻量-凝膠時間關系曲線(見圖6)。

圖4 外加劑摻量-結石率關系曲線

圖5 外加劑摻量-3 d抗壓強度關系曲線

圖6 外加劑摻量-凝膠時間關系曲線

2.1.2 提高結實率相關試驗結果分析

2.1.2.1 結石率試驗結果分析

由圖4可知，隨著硅酸鈉和普通硅酸鹽水泥的摻量增加，漿材結石率均逐漸升高。當硅酸鈉或普通硅酸鹽水泥摻量達到鋁酸鹽水泥的1%時，結石率達到100%。對摻加硅酸鈉和硅酸鹽水泥使得結石率升高的原因進行分析，一是外加劑消耗泥漿中的自由水來參與水化反應，使得漿材析水率降低，結石率提高；二是加入外加劑以后，由于水化放熱加劇，導致漿材內部的分子擴散運動更加劇烈，從而在一定程度上降低了漿材的析水率，使得結石率明顯提高。

2.1.2.2 3 d抗壓強度試驗結果分析

由圖5可知，隨著硅酸鈉的摻量增加，漿材固結體的3 d抗壓強度整體呈下降趨勢，說明硅酸鈉的摻入會降低復合漿材的早期強度。硅酸鈉的摻入使得泥漿液內部分子劇烈運動，水化產(chǎn)物快速沉淀凝膠，未完全緊密結合，所以造成早期抗壓強度衰減。當硅酸鈉摻量為1%及以上時，結石率達到100%，此時對應的3 d抗壓強度為0.65～1.3 MPa。隨著硅酸鹽水泥的摻量增加，3 d抗壓強度呈現(xiàn)出上升趨勢，說明在鋁酸鹽水泥中加入微量的硅酸鹽水泥可起到提高早期強度的作用。摻入硅酸鹽水泥以后，水化反應產(chǎn)物含有一定量的C-S-H凝膠，這些凝膠填充在水化物的晶體間，使得漿液的密實度增加，從而起到提高早期強度的作用。當滿足結石率為100%時，即硅酸鹽水泥摻量為1%及以上時，3 d抗壓強度為0.39～0.5 MPa。

2.1.2.3 凝膠時間試驗結果分析

由圖6可知，隨著外加劑摻量增加，凝膠時間呈下降趨勢，硅酸鈉和普通硅酸鹽水泥在復合漿材中起到促凝的作用。隨著外加劑摻量的增加，漿材中的水化反應愈發(fā)激烈，導致硅酸鈣、水化鋁酸三鈣等水化產(chǎn)物迅速增多并快速沉淀，使得漿液凝膠時間越來越短。

2.1.3 提高結石率相關試驗小結

經(jīng)過結石率試驗可知，當硅酸鹽水泥或者硅酸鈉的摻量達到1%及以上時，注漿液的結石率達到100%。由力學試驗得出，在滿足100%結石率的條件下，摻加硅酸鈉的漿材固結體的強度比摻加硅酸鹽水泥時高；且從凝膠時間考慮，添加硅酸鈉時對應的凝膠時間比添加硅酸鹽水泥時長，更接近實際工程操作時間。綜上所述，決定采用硅酸鈉來提高結石率，且推薦摻量為鋁酸鹽水泥的1%。

2.2 防治開裂相關試驗

2.2.1 防治開裂相關試驗結果

在開裂問題得到完全解決的前提下，以3 d抗壓強度為主要參考指標、凝膠時間為次要參考指標，綜合優(yōu)選出適宜的添加劑種類和摻量。

在進行收縮開裂的防治試驗時，考慮前期在結石率方面進行的性能優(yōu)化，將試驗確定的硅酸鈉1%摻量作為常規(guī)配比，用于后續(xù)試驗；再結合表2配比，制備漿材進行防治開裂相關的各項試驗。制備的開裂試驗試塊如圖7所示。

圖7 開裂試驗試塊

根據(jù)開裂試驗原理，在漿材制樣72 h后進行人工觀察，統(tǒng)計每個配比下固結體表面的裂縫長度；并按照1.2節(jié)中的試驗方法，分別對每個配比下的注漿液進行3 d力學試驗和凝膠時間試驗，作為輔助參考。試驗結果見表4。

表4 防治開裂相關試驗結果

由表4試驗結果得到外加劑摻量-裂縫長度關系曲線(見圖8)、外加劑摻量-3 d抗壓強度關系曲線(見圖9)和外加劑摻量-凝膠時間關系曲線(見圖10)。

2.2.2 防治開裂相關試驗結果分析

2.2.2.1 開裂試驗結果分析

由圖8(a)可知，隨著硅灰和可再分散乳膠粉的摻量增加，裂縫長度呈較為明顯的下降趨勢，摻加硅灰的固結體裂縫由33 mm下降至17 mm，摻加可再分散乳膠粉的固結體裂縫由36 mm下降至18 mm；2種外加劑防治裂縫有較積極作用但未完全防治。硅灰為納米級粒徑，可填充于混凝土孔隙中，起填充功效，因此對注漿液的干縮開裂有一定作用。而可再分散乳膠粉在水泥漿中可形成一種聚合物，這種聚合物包圍在水泥水化物表面，吸收了水泥生成裂紋時所需要的能量，從而減緩其干縮開裂。

由圖8(b)可知，摻加氧化鎂的試驗組出現(xiàn)裂縫時長度為4 mm或6 mm，在摻加量為0.5%～0.6%時，未出現(xiàn)裂縫，但當摻量繼續(xù)增加時裂縫又重新出現(xiàn)。氧化鎂加入到泥漿中早期水化反應生成氫氧化鎂晶體，后期晶體間結晶力導致混凝土進一步膨脹，晶體填充和體積膨脹共同促進泥漿固結體裂縫愈合；但是，過多的氧化鎂會導致膨脹過大，裂縫再次出現(xiàn)，因此氧化鎂摻量存在最優(yōu)范圍。氧化鈣試驗組均未出現(xiàn)裂縫，裂縫長度為0。氧化鈣加入泥漿后，水化生成極其微小的CH晶體，填充到漿體結構的空隙中，其中一部分游離的CH晶體還會使?jié){材體積膨脹，導致漿材自身收縮裂縫得以治愈。

(a)

2.2.2.2 3 d抗壓強度試驗結果分析

由圖9(a)可知，隨著硅灰的摻量增多，3 d抗壓強度總體呈上升趨勢。分析其原因，一是硅灰比表面積大，漿材內部的毛細水被約束，減少了泌水，提高了泥漿之間的黏結；二是硅灰粒徑較小，可填充到水泥顆?？障叮沟媒Y構更加密實，造成強度增大。隨著可再分散乳膠粉的摻量增加，試塊3 d抗壓強度呈下降趨勢。其原因為可再分散乳膠粉可以誘導空氣進入漿液，使?jié){液中存在微小氣孔，改變了漿材密實度，延緩了水泥水化，造成漿材早期強度降低。

由圖9(b)可知，隨著氧化鎂的摻量增加，漿材固結體的3 d抗壓強度先是下降，隨后又逐漸上升；但是摻量最小和最大時的強度值基本持平，由此判斷氧化鎂對復合漿材的強度無明顯影響。其原因為氧化鎂在漿材中參與水化反應生成氫氧化鎂晶體填充水泥孔隙的同時，也會使?jié){材發(fā)生膨脹，增加多余的孔隙，因此2方面因素互補，使得漿材的早期強度無變化。氧化鈣摻量從0.3%增加到0.6%的過程中，試塊的3 d抗壓強度逐漸升高，之后又逐漸降低；氧化鈣摻量為0.6%時，3 d抗壓強度達到最大值。前期氧化鈣摻量較少時水化反應生成的聚合物封堵水泥漿的孔隙，使得密實度增加，強度上升；但是，隨著摻量再增加，氧化鈣的微膨脹作用起主導地位，使得泥漿中新生的孔隙增多，密實度下降，強度下降。

(a)

2.2.2.3 凝膠時間試驗結果分析

由圖10可知，隨著硅灰替換鋁酸鹽水泥量增加，凝膠時間呈升高的趨勢，其原因為隨著硅灰替換鋁酸鹽水泥的量增加，漿材中初期參與水化反應的水泥量減少，降低了初期水化熱，減少了初期溫度對凝膠時間的影響，導致凝膠時間升高。而可再分散乳膠粉、氧化鎂和氧化鈣這3種外加劑，隨著摻量增加，凝膠時間呈下降的趨勢，其原因為這3種外加劑摻入水泥中發(fā)生水化反應，使得泥漿溫度升高，導致泥漿中分子活動速率升高，凝膠時間縮短。

(a)

2.2.3 防治開裂相關試驗小結

從試驗結果來看，防治開裂效果最好的配比為：1)氧化鎂摻量0.5%或0.6%；2)氧化鈣摻量0.3%及以上。氧化鎂摻量為0.5%和0.6%時，3 d抗壓強度分別為0.885 MPa和1.225 MPa；氧化鈣摻量為0.3%及以上時，3 d抗壓強度為0.5～0.9 MPa。相對來說，強度最大的是氧化鎂摻量為0.6%試驗組。氧化鎂摻量為0.5%時凝膠時間為6.4 min；氧化鎂摻量為0.6%時凝膠時間為6.13 min；氧化鈣試驗組的凝膠時間為3.02～1.6 min。以早期強度為主要因素，結合凝膠時間，最終采用氧化鎂來防治復合漿材干縮開裂，且推薦摻量為鋁酸鹽水泥的0.6%。

2.3 泥巖加固效果界面過渡區(qū)研究

在確定納米硅溶膠-鋁酸鹽水泥復合漿材配比之后，基于顯微硬度試驗和界面過渡區(qū)(interfacial transition zone，簡稱ITZ)理論開展泥巖加固效果評估。界面過渡區(qū)是漿體與巖體之間的微觀薄弱結合面，該區(qū)域水化產(chǎn)物的組成及形貌與基體部分不同，其結構相對疏松，且強度較低，在外界因素作用下，該區(qū)域易出現(xiàn)裂紋，對注漿加固巖體的力學性能和耐久性有顯著影響?；陲@微硬度試驗和界面過渡區(qū)理論，能夠從微觀角度評估漿材對泥巖加固效果[27-28]。

泥巖取自滇中引水工程香爐山隧洞，標號DL156+075，整體巖塊單軸抗壓強度約為35 MPa。經(jīng)過XRD測試分析得出其礦物成分為：綠泥石44.7%，云母33.6%，石英18.7%。

所制備的試樣尺寸、泥巖質量和注漿量見表5。處理后的試樣待測面如圖11所示。在400倍光學顯微鏡下觀察到的巖-漿界面如圖12所示。

表5 顯微硬度試驗試樣信息

共選取3條測線測試巖-漿界面顯微硬度，統(tǒng)計結果如圖13所示。由圖可知，從巖體向巖-漿界面運移過程中，顯微硬度逐漸降低，在巖-漿界面處顯微硬度值最小，之后顯微硬度又逐漸升高，最后趨于穩(wěn)定。第1條測線測得界面顯微硬度為42～63 MPa，界面過渡區(qū)寬度約為96 μm；第2條測線測得界面顯微硬度為44～69 MPa，界面過渡區(qū)寬度約80 μm；第3條測線測得界面顯微硬度為49～69 MPa，界面過渡區(qū)寬度約為90 μm。在與巖石接觸時由于微區(qū)泌水效應影響，導致接觸面附近的漿材和易性變差，降低了界面過渡區(qū)范圍內顆粒之間的結合力，因此造成顯微硬度降低。本文優(yōu)化后的漿材加固泥巖后形成的界面過渡區(qū)寬度平均僅為88.6 μm，顯微硬度下降幅度較小。常規(guī)凝膠材料與巖體之間的界面過渡區(qū)寬度一般為80～130 μm[29]，相比之下，本文優(yōu)化后的漿材加固泥巖界面過渡區(qū)寬度較小。此外，如圖12所示，在顯微鏡下觀察到分界面附近不存在氣孔，結構較致密。總體來講，優(yōu)化后的漿材與泥巖結合處微結構較緊固，加固泥巖效果良好。

圖13 巖-漿界面顯微硬度統(tǒng)計

3 結論與討論

本文提出一種納米硅溶膠-鋁酸鹽水泥復合漿材設計思路，通過單因素控制變量試驗，探討了不同外加劑對納米硅溶膠-鋁酸鹽水泥復合漿材的性能影響，對結石率和干縮開裂方面的性能進行了優(yōu)化，并選取滇中引水工程香爐山隧洞的泥巖為試驗對象，進行了優(yōu)化后漿材加固泥巖的顯微硬度試驗。得出如下結論：

1)通過設計試驗，分析了硅酸鈉和硅酸鹽水泥對復合漿材結石率的影響規(guī)律。在硅酸鈉摻量為1%時，漿材的結石率達到100%，且此時早期強度和凝膠時間性能表現(xiàn)較優(yōu)。因此，選取硅酸鈉作為優(yōu)化復合漿材結石率性能的外加劑，且摻量為鋁酸鹽水泥的1%。

2)經(jīng)過結石率優(yōu)化后，又設計試驗分析了硅灰、氧化鎂、氧化鈣和可再分散乳膠粉對復合漿材開裂性能的影響。最終確定氧化鎂為最適合防治收縮開裂的外加劑，且摻量應為鋁酸鹽水泥的0.6%。此時復合漿材的力學強度和凝膠時間表現(xiàn)較優(yōu)。

3)將優(yōu)化后的漿材與滇中引水工程香爐山隧洞泥巖相結合，研究了界面過渡區(qū)寬度和顯微硬度。試驗結果表明，巖-漿界面過渡區(qū)寬度平均僅88.6 μm，顯微硬度下降幅度較小，巖-漿結合處微結構較緊固。

本文設計優(yōu)化的一種納米硅溶膠-鋁酸鹽水泥復合漿材在結石率和防治開裂方面取得了比較優(yōu)異的成果，且界面過渡區(qū)研究表明，泥巖注漿界面微結構較為牢固；但早期強度提高程度仍略顯不足，限制了該復合漿材的進一步推廣使用。下一步將依據(jù)材料復合原理，深入研究組分間的超疊效應，以期大幅提高復合漿材的早期強度。