吐爾洪·肉斯旦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫車 843200)

巖體裂隙漏水是導致水利工程破壞的常見威脅因素，而長時間的漏水，會導致水利工程內(nèi)部產(chǎn)生大量破壞，影響其工程性能和長期安全性[1- 3]。此外，現(xiàn)有注漿材料中由于使用了大量的水泥等工業(yè)產(chǎn)品，一方面，水泥等工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)會導致大量的資源耗費以及碳排放問題，不符合當前的“碳中和”政策[4- 5]；另一方面，工業(yè)產(chǎn)品會污染地下水和土壤，導致區(qū)域生態(tài)問題[6- 7]。因此，研究開發(fā)有效、綠色環(huán)保的新型注漿材料對于解決我國水利工程及環(huán)境保護問題具有重要意義。針對此問題，部分學者積極開展了新型綠色環(huán)保注漿材料方向的研究。張毅等[8]基于室內(nèi)試驗指出，利用紅黏土棄渣作為基本材料，通過摻入水泥、粉煤灰等材料植被的新型注漿材料，不僅具有流動性好、填充性好、強度適中、造價低廉等優(yōu)勢，對土壤和地下水環(huán)境的污染程度也較小。王紀偉等[9]依托青島地鐵富水裂隙巖體注漿堵水實際工程案例，開展了新型注漿材料在巖體裂隙注漿加固中的應用可行性，指出新型水泥-水玻璃漿液不僅具有良好的注漿封堵性能，且能夠起到降低污染的作用。

綜上所述，現(xiàn)有關于綠色環(huán)保注漿材料的研究多是從降低污染角度出發(fā)，而關于利用某種環(huán)保材料替代水泥從而降低生產(chǎn)耗費和污染的研究較少。本文通過利用HSBC和CMK材料替代部分水泥，不僅有效降低了水泥的使用量，而且還提升了注漿材料的綜合性能。研究成果為我國水利工程巖體基礎注漿提供了一定的指導作用。

1 試驗設計

1.1 OHC注漿材料制備

室內(nèi)利用普通硅酸鹽水泥(OPC)和高貝利特硫酸鋁鹽水泥(HBSC)兩種基本材料，外摻煤系偏高領土(CMK)，配合使用減水劑、堿激發(fā)劑兩種外加劑，制備了新型綠色OHC注漿材料。其中，HBSC和OPC均產(chǎn)自河北張家口某建材有限公司，其強度等級也均為42.5級。煤系偏高嶺土(CMK)來自山西省某高嶺土有限公司，主要成分為二氧化硅和三氧化二鋁。減水劑為聚羧酸減水劑，產(chǎn)自山東省某建筑外加劑有限公司，其凈漿流動度達到273mm，減水率為28%，減水效率高。堿激發(fā)劑能夠激發(fā)注漿材料中CMK的活性，本次試驗所用堿激發(fā)劑產(chǎn)自山東某化學試劑廠，其主要成分為氫氧化鈣(>95%)。

1.2 試驗設計

注漿材料的配比是影響主材材料工程性能的重要因素，確定新型OHC注漿材料的最佳配比對材料的綜合性能和推廣應用具有重要意義。為研究OPC、HBSC和CMK三種材料組分對新型OHC注漿材料工程性能的影響，室內(nèi)設計了9中不同配比條件下的新型OHC注漿材料(見表1)。按照表1配比，室內(nèi)之內(nèi)不同配比的新型OHC注漿材料，注漿材料的水灰比W/C均為0.6。為對新型OHC注漿材料展開全面的工程性能評價，室內(nèi)對注漿材料開展了結石率試驗、凝結時間試驗抗折強度試驗以及抗壓強度試驗。結實率試驗和凝結時間試驗參照標準GB/T 1346《水泥標準稠度、凝結時間、安定性檢驗方法》展開，抗折強度試驗和抗壓強度試驗參照GB/T 17671《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)》進行。

表1 不同OHC新型注漿材料配比 單位：%

2 試驗結果分析與討論

2.1 結石率分析

結石率是決定注漿材料最終封堵效果的重要指標，基于室內(nèi)試驗，得到不同配比的新型OHC注漿材料的結石率如圖1所示。由圖1可知3種材料的配比對OHC注漿材料的結石率影響較大。其中，OHC- 5和OHC- 9試樣的結石率最低，分別為86.5%和86.4%；OHC- 2和OHC- 8的結實率最高，結石率分別達到97.1%和97%。結合表1分析可以發(fā)現(xiàn)，對于OHC- 5和OHC- 9中未摻入CMK材料，而OHC- 2和OHC- 8中CMK的摻量則達到15%。由此可見，CMK材料的含量是影響新型OHC注漿材料結石率的重要因素?；诖?，分析各組分對注漿材料結石率的影響，發(fā)現(xiàn)當CMK材料的含量為0時，注漿材料的平均結石率僅為86.46%；當CMK材料的含量為5%時，注漿材料的平均結石率90.75%；當CMK材料的含量為10%時，注漿材料的平均結石率91.8%；當CMK材料的含量為15%時，注漿材料的平均結石率96.9%。而相對之下，其他材料對注漿材料結石率的影響則不太明顯。結合現(xiàn)有研究成果可知，CMK之所以能夠大幅度提升OHC注漿材料結石率，是因為CMK材料具有非常優(yōu)秀的吸水性，這導致OHC注漿材料在結石試驗過程中不會有大量的自由水析出，使得反應更加充分，因此能夠有效結合水化產(chǎn)物形成結石體。

圖1 不同配比下新型注漿材料的結石率

2.2 凝結時間

凝結時間是影響注漿材料封堵效果的重要因素，基于室內(nèi)試驗，得到不同配比的新型OHC注漿材料的凝結時間如圖2所示。由圖2可知，材料組分的配比對OHC注漿材料的凝結時間有顯著的影響。其中，OHC- 2和OHC- 8試樣的凝結時間最短，凝結時間分別為32.9min和36.8min；OHC- 3和OHC- 5的凝結時間最長，凝結時間分別達到60.3min和56.4min。結合表1分析可以發(fā)現(xiàn)，影響新型OHC注漿材料凝結時間的材料成分比較復雜，但深入研究可以發(fā)現(xiàn)主要因素仍然是CMK的含量。由此可見，CMK材料的含量是影響新型OHC注漿材料凝結時間的主要因素。在其他成分維持不變情況下，隨著CMK成分的增加，新型OHC注漿材料的凝結時間會逐漸變短。分析認為，這是由于CMK材料在水泥漿材料的反應中，能夠起到加速水化反應作用以及填充作用，而CMK能夠縮短凝結時間則是加速水化反應和填充作用綜合影響下的結果。

圖2 不同配比下新型注漿材料的凝結時間

2.3 抗壓強度

抗壓強度是影響注漿材料抗水壓能力和長期封堵效果的重要指標，對不同養(yǎng)護齡期的新型OHC注漿材料開展室內(nèi)抗壓強度試驗，得到養(yǎng)護后注漿材料的抗壓強度試驗結果見表2。由表2可知，OHC注漿材料的抗壓強度隨著養(yǎng)護時間的增長而不斷增大，養(yǎng)護時間越長，則注漿材料的抗水壓能力越好，封堵效果也就越好。在養(yǎng)護28d條件下，OHC- 2的抗壓強度最高，達到15.11MPa；其次為OHC- 1和OHC- 9，抗壓強度分別為12.33MPa和11.45MPa；OHC- 4和OHC- 5的抗壓強度最低，僅達到7.44MPa和7.53MPa。結合表2進行分析可見，HBSC和CMK材料的組分是影響新型OHC注漿材料抗壓強度的主要因素，且材料的抗壓強度均隨著HSBC和CMK材料含量的增加而增大，二者之間呈正相關。

表2 不同養(yǎng)護齡期下各OHC注漿材料試樣的抗壓強度 單位：MPa

2.4 材料最優(yōu)配比分析

由于水泥的工業(yè)生產(chǎn)消耗和排放污染較大，因此不具備綠色環(huán)保性。利用HSBC替代OPC，是制備綠色環(huán)保型注漿材料的重要手段。對HBSC、OPC和CMK材料的成分深入分析，發(fā)現(xiàn)制備新型OHC注漿材料的主要原材料為石灰石、鋁礬土、石膏、高嶺土和煤炭等成分。綜合環(huán)保性、結石率、凝結時間以及抗壓強度4個指標，得出新型OHC注漿材料的最佳配比組為OHC- 2組，此時，其組合成分為55%HBSC、35%OPC以及10%CMK，此時新型OHC注漿材料的結石率為97.1%，凝結時間為32.9min，抗壓強度為15.11MPa，材料的綜合性能最佳。

3 結語

(1)HSBC、OPC和CMK材料的配比設計是決定新型OHC注漿材料工程性能的重要因素。隨著CMK材料含量的增加，OHC注漿材料的結石率變高，凝結時間變短，抗壓強度增大；隨著HSBC材料含量的增加，OHC注漿材料的抗壓強度逐漸增大。

(2)新型OHC注漿材料的最佳配比組為OHC- 2組，此時，其組合成分為55%HBSC、35%OPC以及10%CMK，此時新型OHC注漿材料的結石率為97.1%，凝結時間為32.9min，抗壓強度為15.11MPa。

(3)受限于試驗條件及研究時間，本次研究未能從微觀角度出發(fā)展開研究。下一步研究應當增加微觀電鏡掃描試驗，以從試驗角度解釋材料配比設計與性能變化的微觀機理。