劉軍友 王志奇

〔摘 要〕為探究不同高滲透性注漿材料滲透能力的大小，以超細(xì)水泥、脲醛樹脂、硅溶膠3種材料為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了室內(nèi)無壓河砂介質(zhì)及有壓黏土介質(zhì)注漿試驗(yàn)，根據(jù)注漿后兩種介質(zhì)中的固結(jié)體幾何形狀及裂隙發(fā)育程度，分析3種材料的孔內(nèi)滲透能力強(qiáng)弱及擴(kuò)散機(jī)制。結(jié)果表明，3種材料中，硅溶膠孔內(nèi)滲透能力最強(qiáng)，脲醛樹脂次之，超細(xì)水泥最小，且隨著介質(zhì)滲透性降低，其擴(kuò)散方式由孔內(nèi)滲流向劈裂裂隙管道流轉(zhuǎn)變，漿液滲透能力越弱，這一過程轉(zhuǎn)變的越快。

〔關(guān)鍵詞〕帷幕灌漿；超細(xì)水泥；硅溶膠；脲醛樹脂；漿液滲透性

中圖分類號(hào)：TD743? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B? 文章編號(hào)：1004-4345（2024）01-0006-03

Comparative Experimental Analysis of Permeability of Highly Permeable Grouting Materials

LIU Junyou1，2 ， WANG Zhiqi1，2

（1. North China Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.， Shijiazhuang， Hebei 050031， China;

2. Technology Innovation Center for Groundwater Disaster Prevention and Control Engineering for Metal Mines， Ministry of Natural Resources， Shijiazhuang， Hebei 050031， China）

Abstract? In order to investigate the permeability of different highly permeable grouting materials， three materials， namely ultra-fine cement， urea formaldehyde resin， and silica sol， were taken as the research objects. Indoor grouting tests were designed for non-pressurized river sand media and pressurized clay media. Based on the geometric shape of the consolidated body and the degree of fracture development in the two media after grouting， the strength of the intra-pore permeability and diffusion mechanism of the three materials were analyzed. The results showed that， among the three materials， silica sol had the strongest intra-pore permeability， followed by urea formaldehyde resin， and ultra-fine cement had the weakest permeability. As the permeability of the medium decreased， its diffusion mode changed from intra-pore seepage to fracture pipeline flow， and the weaker the permeability of the slurry， the faster this process changed.

Keywords? curtain grouting; ultra-fine cement; silica sol; urea formaldehyde resin; slurry permeability

尾礦庫不僅是礦山重要的生產(chǎn)設(shè)施之一，還是環(huán)境保護(hù)、安全防護(hù)和水土保持的重要設(shè)施。我國早期建設(shè)的一些尾礦庫防滲標(biāo)準(zhǔn)不高、技術(shù)落后、工程質(zhì)量差，加上長(zhǎng)期以來管理不善，致使不少尾礦庫發(fā)生滲漏，對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害，因此需要對(duì)其進(jìn)行治理。

1? ?尾礦庫防滲治理現(xiàn)狀

目前，對(duì)尾礦庫淺部的滲漏治理手段較多，且治理后可以達(dá)到防滲標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于深部基巖，受上部覆蓋層及基巖開挖難度的限制，只能采用帷幕注漿技術(shù)進(jìn)行防滲施工[1]。傳統(tǒng)注漿一般采用普通水泥作為注漿材料，對(duì)一些較大裂隙可以起到封堵作用，但對(duì)于基巖中一些微小的裂隙，封堵效果不佳。這是由于水泥漿注入時(shí)會(huì)產(chǎn)生滲濾效應(yīng)，導(dǎo)致水泥顆粒在裂隙通道入口堆積，并最終堵塞裂隙通道[2]，從而無法對(duì)裂隙內(nèi)部通道進(jìn)行封堵。要使?jié){液能夠進(jìn)入到這些微小的裂隙中，需要采用流動(dòng)性更好、滲透能力更強(qiáng)的注漿材料，才能使注漿效果滿足防滲標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于滲透性較低的地層，注漿材料主要使用的是具有高滲透性的化學(xué)漿[3-4]和超細(xì)水泥[5]。化學(xué)漿本身具有較強(qiáng)的流動(dòng)性，可以注入地層中的細(xì)微裂縫；超細(xì)水泥顆粒較細(xì)，其漿液也可以注入微小裂隙。但目前對(duì)這兩種材料的滲透能力強(qiáng)弱尚未完全掌握。為探究不同高滲透性注漿材料在介質(zhì)中的滲透能力，本文擬以超細(xì)水泥、硅溶膠及脲醛樹脂3種高滲透性注漿材料為研究對(duì)象，通過室內(nèi)注漿試驗(yàn)，對(duì)比分析3種注漿材料在相同滲透介質(zhì)中的滲透能力，為在尾礦庫深部的基巖微小裂隙中實(shí)施注漿工程提供參考。

1? ?試驗(yàn)過程

1.1? 材料選擇

本次試驗(yàn)選用注漿工程中常用的超細(xì)水泥、硅溶膠、脲醛樹脂3種高滲透性注漿材料作為研究對(duì)象，分別選用河砂和黏土作為待滲透介質(zhì)。3種注漿材料各自的性能特點(diǎn)如下。

1）超細(xì)水泥。超細(xì)水泥是一種高性能超微粒水泥基灌漿材料。其漿液穩(wěn)定性好，流動(dòng)性相比普通水泥有顯著改善，具有良好的防滲固結(jié)效果。其滲透能力是普通水泥的12倍，接近于真溶性化學(xué)漿液；其結(jié)石強(qiáng)度大大高于化學(xué)漿材的強(qiáng)度；且該材料無污染，不老化，有慢慢代替化學(xué)漿液的趨勢(shì)。本次選用的超細(xì)水泥規(guī)格為1 250目，最大粒徑約為10 μm。

2）硅溶膠。硅溶膠是一種納米級(jí)無機(jī)材料，其通過將納米級(jí)SiO2顆粒分散在水中或溶劑，制成一種化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、粒度分布均勻、無臭、無毒的膠體。該材料對(duì)環(huán)境友好，黏度低至近似水，這使其在微小的孔隙或裂隙中也能輕易滲透。本次試驗(yàn)采用硅溶膠雙液注漿材料，雙液未混合前性質(zhì)穩(wěn)定，雙液混合后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硅溶膠固體。

3）脲醛樹脂。脲醛樹脂注漿材料是尿素和甲醛在堿性或酸性催化劑的作用下，經(jīng)加成、縮聚反應(yīng)生成的初期高分子聚合物。其黏度較低，流動(dòng)性較好，可滲透到約0.1 mm左右的微裂隙中，通過調(diào)節(jié)添加劑比例可以調(diào)節(jié)膠凝時(shí)間。

1.2? 漿液制備

由于超細(xì)水泥水灰比≥1.6∶1時(shí)，漿液不穩(wěn)定[6]，因此從實(shí)際注漿情況考慮，本次試驗(yàn)中超細(xì)水泥采用1∶1的水灰比制漿。為增加其流動(dòng)性，添加1.5%的減水劑[9]，使用高速攪拌機(jī)將其充分分散，保證漿液均勻。脲醛樹脂注漿材料，以脲醛樹脂作為主液，通過添加1#、2#添加劑控制其韌性強(qiáng)度及凝結(jié)時(shí)間。經(jīng)室內(nèi)配比試驗(yàn)，確定本次試驗(yàn)中脲醛樹脂主液與1#、2#添加劑的比例為1∶0.04∶0.005。硅溶膠根據(jù)其使用說明，按雙液比例1∶1進(jìn)行漿液配置。3種注漿材料配比、固水時(shí)間及其漿液黏度見表1。

1.3? 河砂介質(zhì)注漿試驗(yàn)

選取經(jīng)過篩分后的河砂備用，在直徑25 cm的小桶中裝入備用河砂，每鋪一定厚度進(jìn)行錘擊壓密，對(duì)其飽水后取樣，通過室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)測(cè)得其滲透系數(shù)在10-2 cm/s左右，為中滲透介質(zhì)。在不同小桶中用？覬12 mm麻花鉆頭進(jìn)行鉆孔，分別澆筑水灰比為1∶1的超細(xì)水泥漿液（其中w減水劑＝1.5%）、脲醛樹脂漿液（1∶0.04∶0.005）、硅溶膠漿液（1∶1），直至漿液面保持不下降達(dá)到一定時(shí)間為止。注漿完成后，將硅溶膠和脲醛樹脂固結(jié)、析水3 d，超細(xì)水泥固結(jié)、析水7 d。析水結(jié)束后，清除未固結(jié)砂體，觀察不同注漿材料在河砂中的擴(kuò)散范圍、滲透路徑及漿液與河砂固結(jié)體的幾何形狀及大小。

1.4? 黏土介質(zhì)注漿試驗(yàn)

采用黏聚力稍高的黏土作為待注介質(zhì)，使用如圖1所示的注漿模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行漿液滲透試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置頂部均勻分布若干孔洞用來模擬鉆孔，通過將輸漿管與不同位置鉆孔連接，可以實(shí)現(xiàn)在不同位置進(jìn)行注漿，其余鉆孔不用時(shí)可進(jìn)行封堵。裝置側(cè)緣設(shè)置有排水管，在固結(jié)析水過程中可以將內(nèi)部水排出。

試驗(yàn)開展前對(duì)黏土進(jìn)行處理，去除雜質(zhì)，將黏土搗碎篩分，保證黏土顆粒均勻。將處理好的黏土分次平鋪到試驗(yàn)裝置倉內(nèi)，每鋪一定厚度進(jìn)行壓密搗實(shí)。黏土布置完成后，將其飽水后再固結(jié)排水7 d，增加其密實(shí)度。對(duì)試驗(yàn)裝置倉內(nèi)經(jīng)過處理的黏土取樣，進(jìn)行室內(nèi)變水頭滲透試驗(yàn)，測(cè)得其滲透系數(shù)在10-5 cm/s左右，為低滲透介質(zhì)。

在進(jìn)行往飽和黏土中無壓注漿時(shí)，只有硅溶膠漿液可以滲入，脲醛樹脂與超細(xì)水泥漿液到達(dá)鉆孔口后始終不下降，表明后兩種材料在無壓狀態(tài)下無法注入飽和黏土介質(zhì)。因此，本次黏土介質(zhì)采用的是有壓注漿方式，注漿壓力控制在0.2 MPa左右。注漿結(jié)束后，打開排水閥，將模型固結(jié)、析水一定時(shí)間，其中硅溶膠和脲醛樹脂固結(jié)、析水3 d，超細(xì)水泥固結(jié)、析水7 d。完成固結(jié)析水后，觀察漿液在黏土介質(zhì)中的凝結(jié)狀態(tài)、擴(kuò)散形式、固結(jié)體形狀。

2? ?試驗(yàn)結(jié)果及分析

采用河砂介質(zhì)的注漿試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖中從左到右分別為超細(xì)水泥河砂固結(jié)體、脲醛樹脂河砂固結(jié)體、硅溶膠河砂固結(jié)體，三者漿液固結(jié)體擴(kuò)散直徑分別為１５ mm、１８ mm、＞200 mm。

由圖2可知，3種注漿材料在無壓狀態(tài)下均可以在河砂介質(zhì)中擴(kuò)散，且固結(jié)體內(nèi)并沒有發(fā)現(xiàn)裂隙。這表明3種材料漿液在河砂中的擴(kuò)散形式均為孔內(nèi)滲流擴(kuò)散。漿液與河砂固結(jié)體均呈圓柱狀，表現(xiàn)為垂向擴(kuò)散深度大于橫向擴(kuò)散寬度，這是由于漿液密度大于水的密度，在重力作用下漿液的垂向擴(kuò)散速度大于橫向擴(kuò)散速度。3種漿液河砂固結(jié)體中，硅溶膠河砂固結(jié)體擴(kuò)散直徑遠(yuǎn)大于另外兩種材料與河砂的固結(jié)體，脲醛樹脂的擴(kuò)散直徑次之，大于超細(xì)水泥的擴(kuò)散直徑15 mm，這表明在中滲透性河砂介質(zhì)中，硅溶膠漿液的滲透擴(kuò)散能力最強(qiáng)，遠(yuǎn)大于超細(xì)水泥和脲醛樹脂漿液，其次為脲醛樹脂，超細(xì)水泥的擴(kuò)散能力最小。

在黏土介質(zhì)注漿模擬試驗(yàn)中，硅溶膠、脲醛樹脂、超細(xì)水泥漿液在黏土中的滲透擴(kuò)散情況如圖3所示。其中，線條圈起位置為裂隙的分布范圍。可以看出，3種注漿材料均可在低滲透性的黏土介質(zhì)中擴(kuò)散，其擴(kuò)散結(jié)果包括漿液在孔隙中滲流與黏土結(jié)合形成固結(jié)體和填充在裂隙中的“巖脈”狀漿液凝固體的兩種形式。黏土介質(zhì)中裂隙的出現(xiàn)說明3種材料漿液的孔內(nèi)滲透擴(kuò)散受阻，部分漿液壓力作用于黏土固體顆粒，使之產(chǎn)生位移，進(jìn)而產(chǎn)生裂隙。黏土中的裂隙寬度、擴(kuò)展長(zhǎng)度及裂隙內(nèi)漿液凝固體體積大小為超細(xì)水泥最大，脲醛樹脂次之，硅溶膠最小，其裂隙寬度（取最寬處）分別為5 mm、2 mm、0.5 mm。注漿試驗(yàn)結(jié)果顯示，漿液與黏土的固結(jié)體沿著裂隙兩側(cè)分布，其中硅溶膠漿液黏土固結(jié)體可以剝離出明顯的不規(guī)則幾何體，脲醛樹脂和超細(xì)水泥由于其固結(jié)體體積較小，未能剝離出完整的幾何體，所以無法比較兩者在黏土介質(zhì)中滲透擴(kuò)散能力的大小。

為比較3種材料漿液在黏土介質(zhì)中的孔內(nèi)滲透能力強(qiáng)弱，以漿液在介質(zhì)中遇到的阻力進(jìn)行分析。當(dāng)注漿壓力較大，僅靠土體滲透無法使其消散時(shí)，過高的漿液壓力將作用于介質(zhì)使其產(chǎn)生劈裂通道[10]，即本次試驗(yàn)中的裂隙。注漿產(chǎn)生的裂隙越發(fā)育，說明用于促使土體變形的漿液壓力越大[11]。因?yàn)?種材料漿液在注漿試驗(yàn)中黏土介質(zhì)及注漿壓力相同，所以裂隙越發(fā)育，通過孔內(nèi)滲流抵消的漿液壓力越小，即漿液孔內(nèi)滲流能力越弱。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，超細(xì)水泥在黏土介質(zhì)中注漿后的裂隙最為發(fā)育，脲醛樹脂次之，硅溶膠最不發(fā)育，結(jié)合前述分析，得出在黏土介質(zhì)注漿試驗(yàn)中，硅溶膠孔內(nèi)滲透擴(kuò)散能力最大，脲醛樹脂次之，超細(xì)水泥最差。

對(duì)比河砂介質(zhì)注漿試驗(yàn)和黏土介質(zhì)注漿試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，3種材料漿液在中滲透性河砂介質(zhì)中的擴(kuò)散機(jī)制為孔內(nèi)滲透擴(kuò)散，而在低滲透性黏土介質(zhì)中的擴(kuò)散方式為裂隙管道流和孔內(nèi)滲流擴(kuò)散。這表明，隨著介質(zhì)滲透性的降低，漿液壓力相對(duì)于孔內(nèi)滲透作用所需的滲流力過大，此時(shí)多出的漿液壓力將對(duì)土體產(chǎn)生劈裂作用，形成裂隙通道，擴(kuò)散形式逐漸向裂隙管道流形式轉(zhuǎn)變，且漿液的滲透能力越弱，這一過程轉(zhuǎn)化得越快。

3? ?結(jié)論

通過對(duì)硅溶膠、脲醛樹脂、超細(xì)水泥3種高滲透性注漿材料分別在河砂介質(zhì)和黏土介質(zhì)中的注漿試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1）采用河砂和黏土分別模擬中滲透性和低滲透性待注介質(zhì)，用超細(xì)水泥、硅溶膠、脲醛樹脂3種注漿材料進(jìn)行了室內(nèi)注漿試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在中滲透性河砂介質(zhì)中，硅溶膠的滲透擴(kuò)散能力最大且遠(yuǎn)大于另外兩種材料，其次為脲醛樹脂，最后為超細(xì)水泥。在低滲透性黏土介質(zhì)中，滲透擴(kuò)散能力最大為硅溶膠，其次為脲醛樹脂，最后為超細(xì)水泥。由此得出，在滲透介質(zhì)相同時(shí)，硅溶膠滲透擴(kuò)散能力最大，脲醛樹脂次之，超細(xì)水泥最小。

2）在中滲透性河砂介質(zhì)中，3種漿液的擴(kuò)散形式均為孔內(nèi)滲流擴(kuò)散，在重力作用下，其垂向擴(kuò)散速度大于橫向擴(kuò)散速度。在低滲透性黏土介質(zhì)中，漿液擴(kuò)散形式為孔內(nèi)滲流與劈裂裂隙管道流共存。這表明隨著介質(zhì)滲透性的降低，擴(kuò)散形式由孔內(nèi)滲流逐漸向裂隙管道流擴(kuò)散形式轉(zhuǎn)變，且漿液的滲透能力越弱，這一過程轉(zhuǎn)變的越快。

3）在低滲透性黏土介質(zhì)中，3種材料漿液都可以通過劈裂作用產(chǎn)生裂隙通道來增加漿液的擴(kuò)散范圍，但對(duì)于強(qiáng)度較大的低滲透性基巖介質(zhì)，此種作用對(duì)于漿液擴(kuò)散程度的貢獻(xiàn)作用還有待研究。

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收稿日期：2023-06-12

作者簡(jiǎn)介：劉軍友（1994—），男，主要從事水工環(huán)地質(zhì)方面的工作。