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        水工隧洞早強(qiáng)微膨脹注漿材料試驗(yàn)配比研究

        2022-05-19 12:58:44李華斌
        水利科技與經(jīng)濟(jì) 2022年5期
        關(guān)鍵詞:水料鋁酸鹽硅灰

        李華斌

        (吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江西 吉安 343000)

        0 引 言

        水利工程建設(shè)會(huì)涉及到許多水工隧洞,這些隧洞在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行之后,會(huì)出現(xiàn)滲水、涌水、背后脫空、開(kāi)裂等一系列問(wèn)題,其中尤以二襯脫空問(wèn)題最為嚴(yán)重。二襯脫空不僅會(huì)改變隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力模式,導(dǎo)致受力不均出現(xiàn)應(yīng)力集中,從而引起襯砌混凝土開(kāi)裂,而且在脫空位置還會(huì)形成水囊,形成水囊壓力,隨著時(shí)間延長(zhǎng),水囊壓力越來(lái)越大,最終導(dǎo)致二襯開(kāi)裂滲水,嚴(yán)重影響水工隧洞的正常運(yùn)營(yíng)[1-2]。

        為解決水工隧洞二次襯砌與初期支護(hù)之間的脫空問(wèn)題,一般采用注漿加固技術(shù)[3]。常用的注漿材料包括水玻璃類(lèi)、高分子類(lèi)和水泥基材料三大類(lèi)[4-6]。水玻璃材料黏接性強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐酸和耐熱性能好,但耐堿和耐水性差;高分子注漿材料的使用成本太高,一般不適宜大面積采用;水泥基注漿材料的流動(dòng)度可調(diào)、凝結(jié)時(shí)間可控,且成本較低,在當(dāng)前注漿施工領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。但是,目前大多數(shù)水泥基注漿材料存在體積收縮大等問(wèn)題,容易導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生,從而影響結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性和耐久性,因此有必要尋找一種兼具高早強(qiáng)、流動(dòng)性好、微膨脹性、黏結(jié)性好的水泥基注漿材料[7]。

        本文以普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、硅灰、外加劑等為基材,研制一種新型水泥基注漿材料,以期能為水工隧洞脫空病害治理提供借鑒。

        1 試驗(yàn)概況

        1.1 試驗(yàn)原材料

        水泥:R·SAC硫鋁酸鹽水泥,主要化學(xué)成分為CaO和Al2O3,占比分別為44.6%和26.8%,初凝和終凝時(shí)間均為170 min,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為25.2%,密度為3.01 g/cm3,比表面積為365 m2/kg,28 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為63.5和10.6 MPa。

        骨料:石英砂材質(zhì)。其中:粗砂(20~50目),表觀密度為2.62 g/cm3,緊密空隙率為43%,吸水率為0.4%,細(xì)度模數(shù)為2.1;細(xì)砂(50~120目),表觀密度為2.65 g/cm3,緊密空隙率為45%,吸水率為0.4%,細(xì)度模數(shù)為1.1,粗細(xì)骨料按1∶1摻入。

        摻合料:硅灰,粒徑分布為0.5~1 μm,密度為2.14 g/cm3,SiO2成分占比達(dá)到91.3%。

        外加劑:P29減水劑(減水率19%),P803型消泡劑,XD型膨脹劑,緩凝劑等。

        1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        本次試驗(yàn)采用3因素3水平正交試驗(yàn)法,主要考慮水料比A、硫鋁酸鹽水泥摻量B和硅灰摻量C共3個(gè)因素的影響,其中水料比分別選擇0.18、0.19和0.2共3個(gè)水平,硫鋁酸鹽水泥摻量分別選擇9%、11%和13%共3個(gè)水平,硅灰摻量分別選擇6%、7%和8%共3個(gè)水平。具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)情況見(jiàn)表1。

        表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

        流動(dòng)度測(cè)試:分別測(cè)試出機(jī)時(shí)(0 min)和90 min后注漿材料的流動(dòng)度。抗壓強(qiáng)度測(cè)試:分別測(cè)試注漿材料在12 h、1 d和28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度。豎向自由膨脹率測(cè)試:對(duì)最佳配合比下注漿材料在3 h和1 d后的早期豎向自由膨脹率進(jìn)行測(cè)試。體積變化率(自收縮)測(cè)試:對(duì)最佳配合比下注漿材料在28 d內(nèi)的自由收縮情況進(jìn)行測(cè)試。

        2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 流動(dòng)度分析

        不同配合比注漿材料的流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。從圖1中可知,注漿材料的出機(jī)(0 min)流動(dòng)度最大值為397 mm,最小值為373 mm;90 min后,注漿材料的最大流動(dòng)度為373 mm,最小流動(dòng)度為327 mm;隨著水料比的增加,漿體流動(dòng)度有逐漸增大的趨勢(shì),這是因?yàn)樗鳛樽{材料中唯一的漿體,可以吸附在水泥顆粒和礦物摻合料的表面,可以起到潤(rùn)滑作用,減小骨料顆粒之間的相互摩阻力,因而流動(dòng)度隨水料比增大而增大;硫鋁酸鹽水泥的水化反應(yīng)速度明顯高于普通硅酸鹽水泥,當(dāng)硫鋁酸鹽水泥摻量增加時(shí),大量自由水參與水化反應(yīng),從而導(dǎo)致流動(dòng)度降低;硅灰顆粒的細(xì)度比水泥顆粒更小,與漿體中自由水接觸后會(huì)產(chǎn)生含硅凝膠體,這些凝膠體與氫氧化鈣反應(yīng)生成C-S-H凝膠固體物,不僅消耗大量水分,而且生成許多固體物,因而流動(dòng)度隨硅灰摻量增加而降低。

        圖1 流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果

        對(duì)流動(dòng)度影響因素敏感性進(jìn)行極差分析,結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可知,對(duì)于出機(jī)流動(dòng)度,起主要影響的是硫鋁酸鹽水泥摻量和硅灰摻量;對(duì)于90 min流動(dòng)度,影響順序從大到小依次為硫鋁酸鹽水泥摻量>硅灰摻量>水料比。綜合來(lái)講,對(duì)注漿材料流動(dòng)度影響最大的是硫鋁酸鹽水泥,其次為硅灰,最小的為水料比。

        表2 流動(dòng)度極差分析結(jié)果

        2.2 抗壓強(qiáng)度分析

        不同配合比注漿材料的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。從圖2中可知,隨著齡期增大,注漿材料抗壓強(qiáng)度逐漸增大;隨著水料比的增大,抗壓強(qiáng)度反而有所降低,這是因?yàn)楫?dāng)水量超過(guò)水化反應(yīng)所需的水量后,會(huì)在硬化過(guò)程中形成較多孔隙,導(dǎo)致強(qiáng)度降低;硫鋁酸鹽水泥摻量對(duì)早期強(qiáng)度的影響較大,這是因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥水化反應(yīng)生成鈣礬石會(huì)迅速結(jié)晶形成堅(jiān)硬的骨架,同時(shí)Al(OH)3凝膠體也可以起到較好的填充作用,使骨架空隙率降低,從而提升強(qiáng)度,但是硫鋁酸鹽水泥的反應(yīng)在2~3 d后基本停止,因此其產(chǎn)量對(duì)28 d的強(qiáng)度影響不大;硅灰的粒徑較小,其物理填充作用可以降低空隙率,同時(shí)其具備火山灰效應(yīng),可以消耗Ca(OH)2,生成硬度更高的C-S-H凝膠固體物,從而提升抗壓強(qiáng)度。

        圖2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

        對(duì)抗壓強(qiáng)度影響因素敏感性進(jìn)行極差分析,結(jié)果見(jiàn)表3。從表3中可以看到,對(duì)于0.5 d齡期下的抗壓強(qiáng)度,硫鋁酸鹽水泥摻量起主要影響,其次為水料比;對(duì)于1 d齡期下的抗壓強(qiáng)度,影響程度依次為硫鋁酸鹽水泥摻量>水料比>硅灰摻量;對(duì)于28 d齡期下的抗壓強(qiáng)度,影響程度依次為水料比>硅灰摻量>硫鋁酸鹽水泥摻量,水料比對(duì)注漿材料長(zhǎng)期強(qiáng)度起主要影響,而硫鋁酸鹽水泥摻量對(duì)注漿材料早期強(qiáng)度起主要影響。

        表3 抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果

        2.3 最優(yōu)配合比確定

        從上文分析可知,為了使注漿材料具備良好的流動(dòng)性,水料比應(yīng)取大值,而硫鋁酸鹽水泥和硅灰摻量應(yīng)取小值,故最佳配合比為:水料比0.2,硫鋁酸鹽水泥摻量9%,硅灰摻量6%。對(duì)于早期抗壓強(qiáng)度,最佳配合比為水料比0.18,硫鋁酸鹽水泥摻量13%,硅灰摻量7%;對(duì)于長(zhǎng)期強(qiáng)度,最佳配合比為水料比0.18,硫鋁酸鹽水泥摻量9%,硅灰摻量8%。在考慮注漿材料配合比時(shí),還應(yīng)該綜合考慮材料經(jīng)濟(jì)性,由于硫鋁酸鹽水泥和硅灰的價(jià)格均比普通水泥貴,故從經(jīng)濟(jì)成本考慮,兩者應(yīng)取小值,即分別為9%和6%。

        結(jié)合注漿材料的技術(shù)要求,認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先考慮材料的早期強(qiáng)度,其次是應(yīng)具備大流動(dòng)性。因此,水料比取中值0.19,硫鋁酸鹽水泥摻量取最大值13%,硅灰也取中值7%較為適宜。針對(duì)此配合比下注漿材料的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表4。從表4中可知,在推薦最佳配合比下,漿體的出機(jī)和90 min流動(dòng)度分別為385和350 mm,0.5 d、1 d和28 d齡期下的抗壓強(qiáng)度分別為4.8、23.2和87 MPa,容重為2 282 kg/m3,均滿足《隧道襯砌拱頂帶模注漿工程技術(shù)規(guī)程》中對(duì)注漿材料的參數(shù)要求。

        表4 最佳配合比下基本性能參數(shù)

        3 最優(yōu)配合比下變形試驗(yàn)

        3.1 豎向自由膨脹率

        對(duì)最佳配合比下的注漿材料進(jìn)行3組豎向自由膨脹率試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖3。從圖3中可知,注漿材料3 h的豎向自由膨脹率為0.229%~0.274%,平均豎向自由膨脹率為0.257%;注漿材料1 d的豎向自由膨脹率為1.356%~1.777%,平均豎向自由膨脹率為1.564%,均滿足技術(shù)規(guī)范中對(duì)注漿材料早期豎向自由膨脹率0.3%~2%的相關(guān)要求。

        圖3 豎向自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

        3.2 體積變化率

        最佳配合比下注漿材料的自收縮試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4。從圖4中可知,在0~14 d內(nèi),注漿材料的體積變形均為負(fù)值,表明其在早期具備良好的膨脹特性,可以起到補(bǔ)償材料自收縮的特點(diǎn)。雖然從第10 d起,材料的收縮值為快速增大,膨脹量逐漸小于自收縮量,但仍能將自收縮性能維持在0.2 mm以下,表明注漿材料具備良好的體積穩(wěn)定性,可以控制早期裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

        圖4 體積變化率試驗(yàn)結(jié)果

        4 結(jié) 論

        1) 對(duì)于注漿材料流動(dòng)度影響敏感性排序?yàn)椋毫蜾X酸鹽水泥摻量>硅灰摻量>水料比;對(duì)于注漿材料早期強(qiáng)度影響敏感性為:硫鋁酸鹽水泥摻量>水料比>硅灰摻量;對(duì)于注漿材料長(zhǎng)期強(qiáng)度影響敏感性為:水料比>硅灰摻量>硫鋁酸鹽水泥摻量。

        2) 綜合考慮各種影響因素,最終確定注漿材料的最佳配合比為水料比0.19,硫鋁酸鹽水泥摻量13%,硅灰摻量7%。

        3) 最佳配合比下,注漿材料的流動(dòng)度、強(qiáng)度和容重均滿足《隧道襯砌拱頂帶模注漿工程技術(shù)規(guī)程》技術(shù)要求,早期豎向自由膨脹率低于2%,28 d收縮量?jī)H為0.161 mm,具備良好的體積穩(wěn)定性,可在實(shí)際工程中予以應(yīng)用。

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