徐 行，鄭 鑫，張 兆 強(qiáng)，劉 桂 德

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 土木水利學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

由于城市化建設(shè)飛速發(fā)展，城市用地越來越緊張，這使得城市建設(shè)轉(zhuǎn)向地下空間發(fā)展。從目前的工程實(shí)踐來看，大部分地下工程的覆蓋土層為第四系地層，其中的砂性地層一般比較松散，承載力低，穩(wěn)定性差，在施工過程中可能會發(fā)生坍塌等事故。為了保證工程的順利進(jìn)行，需對地層進(jìn)行注漿加固或堵水[1]。注漿加固可以改善砂性地層的力學(xué)性能，如強(qiáng)度和剛度，提高其承載力，控制地表沉降[2]。

注漿加固的首要任務(wù)是選擇一種合適的注漿材料。其中砂性地層常用的注漿材料有普通水泥單漿液、超細(xì)水泥單漿液、水泥-水玻璃雙漿液等材料，這些傳統(tǒng)注漿材料對水泥的消耗量極大，不利于社會的可持續(xù)發(fā)展。所以，目前學(xué)者們把研究方向轉(zhuǎn)向綠色注漿材料的研制[3-7]。陳灃等對鋼渣改性硅酸鹽水泥-水玻璃雙液注漿材料進(jìn)行研究，根據(jù)研究結(jié)果配置的漿液早期強(qiáng)度高、軟化系數(shù)大，適用于堵漏搶險工程中[6]。李召峰等以硫鋁酸鹽水泥熟料和鋼渣微粉為主要原材料，成功制備了一種水泥基復(fù)合注漿材料，解決了注漿加固和堵水同步進(jìn)行的難題[8]。王健等在水泥-水玻璃漿液中復(fù)摻礦渣和偏高嶺土，解決了傳統(tǒng)注漿材料后期強(qiáng)度倒縮、抗侵蝕性差的問題[9]。

綜上所述，目前已有文獻(xiàn)多研究注漿材料純漿液的各項(xiàng)性能，但是針對注漿材料在砂土中的固化情況研究較少。在砂性地層中，注漿材料的加固效果主要體現(xiàn)在砂土固結(jié)體的強(qiáng)度和耐久性上，不能單純從注漿材料凈漿結(jié)石體的強(qiáng)度來判斷[10]。所以為了研究砂性地層注漿材料的固結(jié)性能，需要對漿液砂固體的強(qiáng)度進(jìn)行測定。由于現(xiàn)場砂土注漿后砂土固結(jié)體形狀不規(guī)則，一般情況下取樣比較困難，因此本文采用室內(nèi)試驗(yàn)方式進(jìn)行砂土固結(jié)體強(qiáng)度測試。室內(nèi)試驗(yàn)雖會與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果存在偏差，但一定程度上可為現(xiàn)場試驗(yàn)或模擬現(xiàn)場試驗(yàn)提供參考。

本文擬通過室內(nèi)試驗(yàn)，分析注漿材料種類、水玻璃體積摻量、含水率、水灰比、漿液的用量對漿液砂土固結(jié)體強(qiáng)度特性和變形特性的影響規(guī)律，并得到上述因素的最佳范圍，以為注漿材料的選用提供參考。同時采用工業(yè)廢渣作為注漿材料的主要成分，使工業(yè)廢渣能夠得到有效合理利用。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥：采用遼寧山水工源42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為350 m2/kg。鋼渣微粉：采用遼寧鞍山鋼鐵集團(tuán)礦渣開發(fā)公司生產(chǎn)的鋼渣微粉，比表面積為450 m2/kg。礦渣微粉：采用遼寧鞍山鋼鐵集團(tuán)礦渣開發(fā)公司生產(chǎn)的S95級高爐礦渣微粉，比表面積446 m2/kg。水泥、鋼渣及礦渣的化學(xué)組分見表1。水玻璃：采用遼寧海沃德化工原料中心銷售的工業(yè)水玻璃，模數(shù)2.7，將水玻璃加水稀釋至濃度為35 °Bé。砂土：采用沈陽隧道工程開挖地層所取砂樣，對砂土進(jìn)行顆粒級配分析(見表2)，砂樣分別為礫砂、粗砂和中砂。

表1 原材料的化學(xué)組分

表2 不同砂土的顆粒級配及組成

1.2 試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)砂土固結(jié)體強(qiáng)度的測定采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試方法進(jìn)行。試驗(yàn)具體操作如下。

(1) 首先將粉體水泥、礦渣和鋼渣按一定水灰比與水混合在一起，形成A液。再將水玻璃加水稀釋至濃度為35 °Bé形成B液。A液與B液混合形成復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃漿液。

(2) 將砂土烘干，稱量干砂的重量。漿液的用量分別占砂土質(zhì)量的10%，20%，30%，40%，50%。

(3) 通過向砂土中添加不同質(zhì)量的水來改變砂土的含水率，含水率在0～15%范圍內(nèi)逐漸改變。

(4) 將70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的塑料立方體試模刷上脫模劑，然后將砂土和漿液的混合體澆筑到試模中，在試模中自然成型，每組試驗(yàn)制作3個試件。

(5) 24 h后拆模，將試件放在標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至1，3，7 d和28 d。

(6) 達(dá)到養(yǎng)護(hù)天數(shù)之后，用數(shù)字式壓力試驗(yàn)機(jī)測試其抗壓強(qiáng)度，在測定過程中，加載速率控制在0.2 mm/min。

2 砂土固結(jié)體力學(xué)性能的影響因素分析

2.1 漿液種類影響

材料的種類對砂土固結(jié)體強(qiáng)度影響較大，現(xiàn)場施工中有多種注漿材料可供選擇，本文采用水泥單漿液、水泥-水玻璃雙漿液和復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙漿液3種注漿材料進(jìn)行試驗(yàn)。3種注漿材料的水灰比均為0.8，雙液注漿材料的水玻璃體積摻量均為30%，3種漿液的用量占砂土質(zhì)量的30%，砂土為粗砂，含水率為5%。

圖1反映了隨著齡期的增長，不同注漿材料對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響規(guī)律。由圖1可知：3種注漿材料對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即砂土固結(jié)體的強(qiáng)度隨著齡期的發(fā)展逐漸升高，最后趨于穩(wěn)定。這是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期的不斷增長，水泥和工業(yè)廢渣的水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物也隨之增多，水化產(chǎn)物的增多不僅填充了砂土顆粒的孔隙，而且對土體顆粒產(chǎn)生膠結(jié)作用，使砂土體的密實(shí)度增加。復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙漿液的砂土固結(jié)體在7 d和28 d時強(qiáng)度較大，其原因在于高活性硅鋁質(zhì)物質(zhì)與堿反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物主要為類沸石物質(zhì)，該物質(zhì)耐久性好，后期強(qiáng)度高。通過3種注漿材料對比，在砂土地層的注漿工程中，可以優(yōu)先考慮復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙漿液，因?yàn)榇瞬牧显讷@得相同的注漿加固效果前提下可以減少對水泥的消耗。通過3種材料對比分析，復(fù)摻鋼渣和礦渣的雙液注漿材料強(qiáng)度特性突出。因此下文主要針對復(fù)摻鋼渣和礦渣的雙液注漿材料的各個參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度特性分析。

圖1 漿液種類對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響

為研究水泥摻量對注漿材料固結(jié)性能的影響規(guī)律，采用20%，30%，40%，50%，60%的水泥摻量，對砂土固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究。根據(jù)文獻(xiàn)[11]和作者之前大量的室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果[12]可知，鋼渣和礦渣的比例在3∶7時復(fù)配效果較好，所以本次試驗(yàn)暫定鋼渣和礦渣的比例為3∶7，漿液的水灰比為0.8，水玻璃體積摻量為30%，漿液的用量占砂土質(zhì)量的30%，砂土為粗砂，含水率為5%。

圖2反映了不同水泥摻量對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響規(guī)律。由圖2可知：當(dāng)水泥摻量為40%、工業(yè)廢渣摻量為60%時，砂土固結(jié)體后期強(qiáng)度最大，早期強(qiáng)度和水泥摻量為60%時接近。原因在于水泥摻量在40%以下時，工業(yè)廢渣的摻量過多，而工業(yè)廢渣早期反應(yīng)較慢，所以產(chǎn)生的水化產(chǎn)物相對較少。當(dāng)水泥摻量在40%時，礦渣中Si-O-Si、Al-O-Al、Si-O-Al鍵斷裂重組，形成耐久性好的類沸石物質(zhì)，有助于結(jié)石體后期強(qiáng)度的增長。并且水泥和鋼渣水化產(chǎn)生的Ca(OH)2可以促進(jìn)礦渣結(jié)構(gòu)的解體，解體后的礦渣又吸收了鋼渣水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca2+，使?jié){液中的Ca2+減少。當(dāng)水泥摻量為40%時，三者在水化反應(yīng)中相互促進(jìn)，使砂土固結(jié)體強(qiáng)度達(dá)到最大，所以復(fù)摻鋼渣和礦渣的注漿材料具有良好的與砂土結(jié)合效果。

圖2 水泥摻量對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響

2.2 水玻璃體積摻量及含水率影響

本次試驗(yàn)中漿液的水灰比為0.8，漿液中水泥摻量為40%，工業(yè)廢渣摻量為60%，其中鋼渣與礦渣的質(zhì)量比為3∶7。漿液的用量占砂土質(zhì)量的30%，砂土為粗砂。表3反映了在含水率分別在0，3%和6% 3種情況下，水玻璃的體積摻量對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響規(guī)律。

由表3可知：當(dāng)砂土的含水率為3%、水玻璃體積摻量為50%時，砂土固結(jié)體的強(qiáng)度最大，3 d和28 d的強(qiáng)度高達(dá)1 758.73 kPa和2 996.50 kPa。從表3還可以看出：水玻璃體積摻量為50%的漿液加固含水率為3%的砂土效果最佳；水玻璃體積摻量為30%的漿液加固含水率為6%的砂土效果最佳以及水玻璃的體積摻量為75%的漿液加固含水率為0的砂土效果最佳。其原因在于當(dāng)砂土含水率較低時，砂土較松散，水玻璃對砂土可起到膠結(jié)作用。但是當(dāng)水玻璃摻量過大時，延長了漿液的水化反應(yīng)時間，使固結(jié)體強(qiáng)度降低。

表3 水玻璃體積摻量對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響

綜合分析，水玻璃的體積摻量范圍在30%～75%之間時，砂土固結(jié)體的強(qiáng)度較高，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件確定水玻璃的摻量。

圖3反映了在水玻璃體積摻量為30%的情況下，含水率對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響規(guī)律。由圖3可知，隨著含水率的提高，砂土固結(jié)體的強(qiáng)度先增大后減小。其原因在于當(dāng)砂土含水率低于3%時，砂土較松散，極易壓碎；當(dāng)含水率超過3%時，砂土中的部分水分占據(jù)了砂土顆粒之間的孔隙，造成漿液進(jìn)入砂土孔隙中的量減少，同時土體中水分的增加延長了漿液的反應(yīng)時間，所以砂土固結(jié)體的強(qiáng)度降低。

圖3 含水率對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響

2.3 水灰比影響

水灰比是影響漿液固結(jié)性能的重要因素。本次試驗(yàn)中漿液的水玻璃體積摻量為30%，漿液的用量占砂土質(zhì)量的30%，漿液粉料中水泥摻量為40%，工業(yè)廢渣摻量為60%，其中鋼渣與礦渣的質(zhì)量比為3∶7，砂土為粗砂，含水率為6%。

圖4反映了水灰比對砂土固結(jié)體抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。由圖4可知，隨著注漿材料水灰比的增大，砂土固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度逐漸減小。其原因在于隨著注漿材料水灰比的增大，未參與水化的水分增加。未參與水化的多余水分填充了砂土顆粒的孔隙[12]，使?jié){液在孔隙中的含量降低。當(dāng)水灰比為1.5時，固結(jié)體的1，3，7，28 d的抗壓強(qiáng)度相比于水灰比為0.8時分別下降了51.62%，72.38%，48.09%，42.89%。

圖4 水灰比對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響

綜合分析，水灰比過小會導(dǎo)致漿液的流動性能降低[13-14]，過大會導(dǎo)致強(qiáng)度急劇降低。所以水灰比的最佳范圍在0.7～1.0時，漿液能夠更好地加固砂土體。

2.4 漿液用量影響

由于注漿材料黏度的提高以及注漿壓力的延程衰減，注漿材料在離注漿管遠(yuǎn)處的注入量比離注漿管近處的注入量少，這就使注漿材料的加固效果產(chǎn)生差異。為了分析漿液的用量對砂土固結(jié)體強(qiáng)度的影響，對10%，20%，30%，40%，50% 5種漿液用量進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃漿液中水玻璃的體積摻量為30%，水灰比為0.8，漿液中水泥摻量為40%，工業(yè)廢渣摻量為60%，其中鋼渣與礦渣的質(zhì)量比為3∶7，砂土為礫砂、粗砂和中砂，砂土的含水率為6%。

圖5反映了不同的漿液用量對礫砂、粗砂、中砂固結(jié)體28 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。隨著漿液用量的增加，砂土固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度逐漸升高。其原因在于隨著漿液用量的增加，漿液反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠和類沸石物質(zhì)增多[15]，形成的水化產(chǎn)物不僅填充了土體顆粒之間的孔隙，還會對土體產(chǎn)生膠結(jié)作用，使土體黏聚力提高。通過對比3種砂土的固結(jié)體強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)在水泥摻量較少的情況下，礫砂的固結(jié)體強(qiáng)度最大，粗砂的固結(jié)體強(qiáng)度次之，中砂的固結(jié)體強(qiáng)度最小，可見復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙漿液對粒徑較大的砂土加固效果更佳。

圖5 漿液用量對砂土固結(jié)體28 d強(qiáng)度的影響

從圖5可以看出，砂土固結(jié)體強(qiáng)度與漿液用量兩者大致呈線性函數(shù)關(guān)系，通過室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析得到二者之間的關(guān)系為y=ax+b，相關(guān)性非常好，砂土固結(jié)體在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的強(qiáng)度與漿液用量的關(guān)系式如表4所列。

表4 砂土固結(jié)體強(qiáng)度與漿液用量的函數(shù)關(guān)系

通過室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析方法[16]，得出砂土固結(jié)體強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，其形式大致為y=a(1-x-b)，存在一定的相關(guān)性。由于室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較少，所以此規(guī)律有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

3 砂土固結(jié)體的變形特性分析

應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了變形隨著應(yīng)力改變的變化規(guī)律，砂土固結(jié)體的變形特性是重要的力學(xué)特性之一。本文研究了漿液用量、砂土含水率等因素對砂土固結(jié)體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律，如圖6～7所示。

圖6反映了在加入復(fù)摻鋼渣與礦渣的水泥-水玻璃雙漿液的情況下，漿液(水灰比為0.8，水玻璃體積摻量為30%，漿液粉料中水泥摻量為40%，工業(yè)廢渣摻量為60%，其中鋼渣與礦渣的質(zhì)量比為3∶7)用量分別為10%，20%，30%，40%，50%時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中砂土為礫砂，砂土含水率為6%，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d。

圖6 不同漿液用量的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7反映了在加入復(fù)摻鋼渣與礦渣的水泥-水玻璃雙漿液的情況下，砂土含水率分別為0，3%，6%時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中砂土為粗砂，漿液用量為30%，養(yǎng)護(hù)齡期為3 d。

圖7 不同含水率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖6和圖7中看出，應(yīng)力應(yīng)變曲線在最開始呈上凹狀，應(yīng)變的變化值隨著應(yīng)力的增加逐漸減小，這是由于微裂隙在外界的壓力作用下發(fā)生了閉合。接下來進(jìn)入到彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸呈現(xiàn)直線狀上升態(tài)勢，應(yīng)力應(yīng)變增長較快。隨后應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率減小，漸趨平緩，試件并沒有立即破壞，此時出現(xiàn)部分裂縫。最后隨著裂縫數(shù)量和裂縫寬度的增加，會出現(xiàn)多條主斜裂縫，這些裂縫漸漸貫通，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)下降趨勢，最終試件破壞。因?yàn)閺?fù)摻鋼渣和礦渣雙液注漿材料中添加水玻璃，導(dǎo)致試件的脆性較大。砂土固結(jié)體的破碎形態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變曲線與注漿材料凈漿結(jié)石體的相似，由此可見該注漿材料可以改變砂土的破壞形態(tài)，使砂土具有足夠的強(qiáng)度。

4 結(jié) 論

由于本文試驗(yàn)均為室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)果會與現(xiàn)場施工存在一定差異，但是依然可以為現(xiàn)場試驗(yàn)或施工提供一定的參考。

(1) 當(dāng)水泥摻量為40%、鋼渣和礦渣摻量為60%時，砂土固結(jié)體后期強(qiáng)度最大，這是水泥、鋼渣和礦渣三者復(fù)合疊加作用的結(jié)果。

(2) 水玻璃體積摻量為50%的漿液加固含水率為3%的砂土效果最佳；而水玻璃的體積摻量為30%和75%的漿液分別在加固含水率為6%和0時的砂土效果最佳。

(3) 復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料的水灰比在0.7～1.0范圍內(nèi)時，漿液能夠更好地加固砂土體。

(4) 漿液用量是對砂土固結(jié)體強(qiáng)度影響最大的因素，漿液用量和養(yǎng)護(hù)齡期分別與固結(jié)體強(qiáng)度呈線性及冪函數(shù)關(guān)系。