覃開柱 程 峰 袁桂權(quán) 盧國(guó)銘

（桂林電子科技大學(xué)建筑與交通工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

0 引言

我國(guó)巖溶地貌分布十分廣泛，分布面積約為345萬km2，占國(guó)土面積的30%以上，類型也比較多樣化，以碳酸鹽巖等可溶性巖為主，碳酸鹽巖類巖石占我國(guó)巖溶總面積的1/4，分布遍及全國(guó)各地，其中以廣西、云南、貴州、四川等西南地區(qū)省份最為突出[1-2]。我國(guó)西南地區(qū)的巖溶地貌根據(jù)巖溶發(fā)育成因，主要分為溶蝕類型、溶蝕-侵蝕類型以及溶蝕-構(gòu)造類型這三種類型，其中以溶蝕為主要類型[3-4]。巖溶地貌因溶蝕作用導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形破壞，從而形成大量地下孔洞、裂隙和暗河等地下徑流通道，這些地下徑流通道是發(fā)生塌陷等地質(zhì)災(zāi)害的重要原因[5]。地下孔洞的形成以及塌陷的原因是地下水的滲流作用，地下水的滲流作用會(huì)對(duì)地下孔洞周邊的巖土體產(chǎn)生沖刷和侵蝕，并將周邊巖土及泥沙沖走，從而導(dǎo)致地下孔洞的進(jìn)一步擴(kuò)大。久而久之，會(huì)造成地面塌陷、河流枯竭、建筑物傾斜甚至倒塌等災(zāi)害，不僅會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)危及公共安全。

對(duì)于巖溶塌陷的治理，目前最常用的方法為注漿填充技術(shù)，常用的充填材料有混凝土、水泥砂漿等無機(jī)材料。雖然混凝土、水泥砂漿等材料的強(qiáng)度很高，能滿足工程的需要，但由于其透水性能較差，無法解決地下水的滲流問題，使得地下水在流經(jīng)充填體時(shí)無法正常通過，從而對(duì)充填體周邊的巖土體產(chǎn)生沖刷、侵蝕和搬運(yùn)作用，使得充填體的周圍形成新的孔洞，進(jìn)而再次引發(fā)巖溶塌陷。當(dāng)遇到地下水流比較湍急的情況，直接注入溶洞內(nèi)的混凝土、水泥砂漿等充填材料極易被湍急的水流沖走，造成大量的工程浪費(fèi)。

為有效治理巖溶區(qū)地下孔洞的塌陷，解決傳統(tǒng)充填體透水性能差、耗材量大等問題，設(shè)計(jì)一種用于治理孔洞塌陷的多孔充填體結(jié)構(gòu)，并對(duì)充填體進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)，分析不同配合比下充填體的抗壓強(qiáng)度和透水性，驗(yàn)證該充填體的工程適用性和可靠性，并確定充填材料的最優(yōu)配合比。

1 試驗(yàn)材料及試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用的巖溶充填材料是由水泥、添加劑和水混合制成，其中添加劑包括濃縮型高效水泥發(fā)泡劑、混凝土發(fā)泡劑、混凝土膨脹劑。水泥為市售普通硅酸鹽水泥（P·O32.5）；濃縮型高效水泥發(fā)泡劑由鄭州市鵬翼化工建材有限公司生產(chǎn)，外觀呈黏稠液體，固體含量為50%±2%，pH值為6～7；混凝土發(fā)泡劑由深圳市瑞遠(yuǎn)建材化工有限公司生產(chǎn)，外觀呈粉末狀，發(fā)泡劑中含有聚氨酯、三氯氟甲烷、低含氫聚硅氧烷、端烯丙基聚醚、十二烷基硫酸鈉（SDS）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）等有機(jī)化合物，其中十二烷基硫酸鈉（SDS）和十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）為表面活性劑，在水溶液中能夠有效地降低液體的表面張力，使發(fā)泡劑具有良好的發(fā)泡性能和膨脹性能[6]；混凝土膨脹劑成分以硫鋁酸鹽為主，由萊陽市宏祥建筑外加劑廠生產(chǎn)，能提高充填材料的密實(shí)度，使其產(chǎn)生適度的膨脹，克服充填材料的干燥收縮，達(dá)到增加強(qiáng)度的效果；試驗(yàn)用水采用普通自來水。

1.2 充填材料的作用機(jī)理

在巖溶區(qū)中，碳酸鹽膠結(jié)物、硅質(zhì)膠結(jié)物以及黏土礦物是比較常見的幾種膠結(jié)物。水泥的水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，促使膠結(jié)物電離出礦物離子，礦物離子與周圍水分子產(chǎn)生聚集效應(yīng)，具有一定的吸附作用[7-8]。再者巖溶充填材料中所含的有機(jī)化合物大部分都為高分子有機(jī)化合物，所含的能量較大，當(dāng)?shù)V物離子與有機(jī)化合物相遇時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定吸附作用[5,7,9]，同時(shí)巖體周圍的礦物電解質(zhì)的活度系數(shù)減小，介電常數(shù)降低，從而礦物顆粒與有機(jī)化合物會(huì)形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體，使巖溶充填材料能很好地吸附在巖壁上[5]。

1.3 充填材料的制備

水泥、添加劑的重量比為1∶0.01、1∶0.015和1∶0.02（即添加劑配合比分別為1%、1.5%和2%），水泥和水的重量比為1∶0.4，由此配制得到3種不同配合比的充填材料，分別將其稱為充填材料A、充填材料B和充填材料C，其中添加劑組成材料的重量比為：濃縮型高效水泥發(fā)泡劑∶混凝土發(fā)泡劑∶混凝土膨脹劑=1∶1∶1。為了對(duì)比添加劑的作用效果，還制備了不添加添加劑的水泥凈漿作為對(duì)比。

充填材料的制備過程為：將稱量好的自來水和混凝土發(fā)泡劑先后倒入水泥凈漿攪拌機(jī)中，先以低轉(zhuǎn)速攪拌1min，再以高轉(zhuǎn)速攪拌5min，打出大量輕質(zhì)泡沫后，再將稱量好的水泥、濃縮型高效水泥發(fā)泡劑和混凝土膨脹劑分別倒入水泥凈漿攪拌機(jī)中，高轉(zhuǎn)速攪拌5min以上至材料完全均勻，根據(jù)不同的設(shè)計(jì)配合比稱量不同質(zhì)量的原材料，即可得到試驗(yàn)所需的充填材料。

1.4 試樣的制備

試驗(yàn)所采用的模具尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm。為了制成可通過徑流的多孔充填體試樣，在試樣中放置了塑料吸管，其中，塑料吸管的長(zhǎng)度為70mm，內(nèi)徑為6mm，外徑為7mm。為了防止制樣時(shí)塑料吸管發(fā)生移位，達(dá)不到試驗(yàn)預(yù)想效果，試樣制備前對(duì)試驗(yàn)?zāi)＞哌M(jìn)行了一些改進(jìn)。先使用打孔機(jī)在模具的兩側(cè)均勻打上直徑略小于吸管外徑的孔洞，孔洞在模具兩側(cè)中央呈3×3均勻排布，每個(gè)孔洞之間的距離約為15mm。

制備試樣時(shí)，用細(xì)木棒從模具外兩側(cè)的孔洞插入布設(shè)在模具內(nèi)橫放的塑料吸管內(nèi)，將其固定。為了防止制樣時(shí)塑料吸管堵塞和移位，同時(shí)防止模具內(nèi)的漿液從孔洞流失，細(xì)木棒的直徑與孔洞的直徑幾乎相同。將制好的充填材料倒入模具中，放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)，將模具內(nèi)的氣泡排出使試樣充分密實(shí)即可得到試樣，如圖1所示。將制備好的試樣貼上標(biāo)簽，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)48h后脫模。為了方便脫模，往模具倒入充填材料前在模具的內(nèi)壁涂上一層潤(rùn)滑油。將完成脫模的試樣置于室內(nèi)陰涼的地方養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，養(yǎng)護(hù)期間每天多次澆水，確保試樣能達(dá)到正常的強(qiáng)度。將達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)破壞后的試樣如圖2所示，每組試驗(yàn)以3個(gè)平行試樣的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 待脫模的試樣

圖2 受壓破壞后的試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)不同添加劑配合比和不同養(yǎng)護(hù)齡期的試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。為了定性分析充填材料的抗壓強(qiáng)度與添加劑配合比和養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系，繪制抗壓強(qiáng)度與添加劑配合比關(guān)系曲線和抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線，如圖3、圖4所示。

表1 各組試樣的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖3 抗壓強(qiáng)度與添加劑配合比關(guān)系

圖4 抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系

由圖3可知，7d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，隨著添加劑配合比的增大，試樣的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；28d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，隨著添加劑的加入，試樣的抗壓強(qiáng)度大幅度降低，加入添加劑后，隨著配合比的增大，抗壓強(qiáng)度呈先增大后降低的趨勢(shì)；由于添加劑的加入，巖溶充填材料的體積膨脹，單位體積內(nèi)的質(zhì)量減小，從而使抗壓強(qiáng)度相應(yīng)的減小。

由圖4可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期從7d增加至28d，試樣的抗壓強(qiáng)度增大，對(duì)于水泥凈漿和配合比1.5%的試樣，強(qiáng)度增加的幅度較大，對(duì)于配合比1%和2%的試樣，強(qiáng)度增加的幅度較小。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥的水化反應(yīng)得以充分的進(jìn)行，水化產(chǎn)物增多，結(jié)構(gòu)的密實(shí)性增大，從而使試樣強(qiáng)度增大。

由表1可知，不論是7d養(yǎng)護(hù)齡期還是28d養(yǎng)護(hù)齡期，水泥凈漿試樣的抗壓強(qiáng)度均為最大，加入添加劑后，除了1%配合比7d齡期的試樣外，其余試樣的抗壓強(qiáng)度均比水泥凈漿試樣的抗壓強(qiáng)度降低50%以上。對(duì)于7d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，除水泥凈漿試樣外，當(dāng)添加劑配合比為1%時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度最大，其平均強(qiáng)度為4.81MPa。所以，對(duì)于7d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，其最優(yōu)配合比為1%。對(duì)于28d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，除水泥凈漿試樣外，當(dāng)添加劑配合比為1.5%時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度最大，平均強(qiáng)度達(dá)到了10.03MPa，相比于7d養(yǎng)護(hù)齡期試樣的抗壓強(qiáng)度增加較大；其他兩個(gè)比例試樣的抗壓強(qiáng)度相比于7d養(yǎng)護(hù)齡期試樣的抗壓強(qiáng)度增加較小。所以，對(duì)于28d養(yǎng)護(hù)齡期的試塊，其添加劑最優(yōu)配合比為1.5%。

針對(duì)本次試驗(yàn)，對(duì)于7d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣和28d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中的長(zhǎng)久性以及巖溶充填材料的耐久性問題，應(yīng)以28d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣為主要分析對(duì)象，考慮到本次試驗(yàn)缺陷性、試驗(yàn)誤差和比例間距較大等因素，建議該充填材料添加劑的最優(yōu)配合比應(yīng)在1.5%左右。

3 結(jié)束語

（1）對(duì)于7d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，隨著添加劑配合比的增大，試樣的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；28d養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，隨著添加劑的加入，試樣的抗壓強(qiáng)度均有大幅度降低，加入添加劑后，隨著配合比的增大，抗壓強(qiáng)度呈先增大后降低的趨勢(shì)；由于添加劑的加入，巖溶充填材料的體積膨脹，單位體積內(nèi)的質(zhì)量減小，從而使抗壓強(qiáng)度相應(yīng)的減小。由此可見，添加劑對(duì)巖溶充填材料的抗壓強(qiáng)度影響較大。

（2）隨著養(yǎng)護(hù)齡期從7d增加至28d，試樣的抗壓強(qiáng)度增大，對(duì)于水泥凈漿試樣和配合比1.5%的試樣，強(qiáng)度增加的幅度較大，對(duì)于配合比1%和2%的試樣，強(qiáng)度增加的幅度較小?？梢?，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥凈漿和配合比1.5%的充填材料的影響較為顯著，對(duì)配合比1%和2%的充填材料的影響不顯著。

（3）不論是7d養(yǎng)護(hù)齡期還是28d養(yǎng)護(hù)齡期，水泥凈漿試樣的抗壓強(qiáng)度均為最大，加入添加劑后，試樣的抗壓強(qiáng)度降低。對(duì)于7d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，當(dāng)配合比為1%時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度最大，平均強(qiáng)度為4.81MPa；對(duì)于28d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，當(dāng)配合比為1.5%時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度最大，平均強(qiáng)度達(dá)到了10.03MPa。考慮到實(shí)際工程應(yīng)用中的長(zhǎng)久性以及巖溶充填材料的耐久性問題，應(yīng)以28d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣為主要分析對(duì)象，該充填材料的最優(yōu)配合比應(yīng)在1.5%左右。

總之，本研究所設(shè)計(jì)的多孔充填體結(jié)構(gòu)能保證巖溶塌陷治理工程中的強(qiáng)度要求，還具有一定的透水性，能有效解決地下水的滲流問題，適用于徑流型巖溶區(qū)孔洞的治理。