膨脹巖土的快速防護(hù)材料研究

劉 軍，龔壁衛(wèi)，徐麗珊，侯雪梅

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

1 概 述

南水北調(diào)中線工程輸水總干渠全長1 427．2 km，以明渠為主，跨越地貌單元多，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，膨脹巖（土）問題是南水北調(diào)中線工程的一個(gè)主要工程地質(zhì)問題。膨脹巖是一種遇水膨脹、軟化，失水收縮，易崩解的特殊軟巖。膨脹巖渠坡開挖初期一般完整性較好，由于含有大量親水性黏土礦物而具有濕脹干縮特性，如不及時(shí)防護(hù)，開挖后的渠坡暴露在大氣中，經(jīng)受濕脹干縮風(fēng)化作用，表土的原始結(jié)構(gòu)將逐漸破壞，裂隙逐漸發(fā)展，土質(zhì)松散，密度降低，表層土的強(qiáng)度降低。此層在雨季又極易吸水飽和，甚至出現(xiàn)流塑狀態(tài)，在重力增加和強(qiáng)度大大降低的條件下發(fā)生變形或滑坡，嚴(yán)重影響構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定。因此，膨脹巖渠坡破壞的主要因素是巖土體的濕脹干縮特性，要防止膨脹巖渠坡的變形與滑坡，必須對(duì)開挖后的坡面進(jìn)行及時(shí)防護(hù)。為此，研究膨脹巖渠坡開挖后的快速防護(hù)技術(shù)及防護(hù)材料具有重要的工程意義和實(shí)用價(jià)值。

2 研究現(xiàn)狀

目前，工程上坡面病害常用的坡面防護(hù)措施主要有：水泥砂漿抹面、噴漿、漿砌片石護(hù)坡、錨桿掛網(wǎng)噴混凝土、鋼纖維混凝土噴錨、土工織物加筋、植被防護(hù)、化學(xué)防護(hù)等。上述坡面防護(hù)措施在許多工程中得到了廣泛應(yīng)用，在使用時(shí)各有利弊，如：水泥砂漿或混凝土抹面［1］與坡面巖石的粘結(jié)性不好，難以形成整體；漿砌片石護(hù)坡（常結(jié)合坡腳擋墻）、錨桿掛網(wǎng)噴混凝土、鋼纖維混凝土噴錨［2］等在膨脹巖坡體穩(wěn)定的前提下防護(hù)效果一般均良好；土工織物加筋［3］可有效提高渠坡表層土體的抗剪強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，但一般用于渠坡處理而非坡面防護(hù)；植被防護(hù)［4］可有效保水、防沖刷，但草種及施工方法的選擇常受到渠坡地質(zhì)條件、產(chǎn)狀特征及其所處地域的水文氣候特點(diǎn)的影響，使其使用范圍上受到限制；化學(xué)防護(hù)［5－7］則大多根據(jù)具體工程及其土性使用有針對(duì)性的化學(xué)改性液。

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，膨脹巖渠坡的快速防護(hù)材料主要作用是對(duì)開挖后的坡面進(jìn)行及時(shí)防護(hù)，為渠坡的進(jìn)一步處理爭取時(shí)間，因此，快速防護(hù)材料應(yīng)具有保濕、防水、有一定強(qiáng)度、易于施工、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的特點(diǎn)。

快速防護(hù)材料可分為無骨料防護(hù)材料和有骨料防護(hù)材料兩種。其中，無骨料防護(hù)材料多為流塑狀或溶液，應(yīng)用于開挖后的膨脹巖渠坡后，應(yīng)當(dāng)與膨脹巖有較好的親和性，能夠快速浸入坡面一定深度，并在表面形成防護(hù)膜，以起到阻止膨脹巖表面水分蒸發(fā)和外部水分進(jìn)入的作用。作為無骨料防護(hù)材料的一種，工程上常用的氣硬性膠凝材料——水玻璃具有良好的成膜性能、一定的粘結(jié)力和較好的滲透性，無毒無害，且一般價(jià)格低廉，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。因此，初步選擇水玻璃作為膨脹巖渠坡開挖后的無骨料快速防護(hù)材料研究的原材料，但它的粘結(jié)強(qiáng)度是否能夠滿足工程需要，尚有待研究，同時(shí)，單獨(dú)使用水玻璃，還是需要添加一種或幾種其他物質(zhì)才能滿足要求，也需要進(jìn)一步研究。

有骨料快速防護(hù)材料的研究以水泥砂漿為思路，充分利用當(dāng)?shù)亻_挖棄料——膨脹巖并將其作為骨料之一，再通過添加其他改性劑或快凝材料，實(shí)現(xiàn)快速防護(hù)的目的。試制的防護(hù)材料應(yīng)具有以下特點(diǎn)：①節(jié)省水泥、石料，且適宜噴護(hù)，有一定的流動(dòng)性、浸潤性；②具有較好的耐水性及抗?jié)B性；③凝固時(shí)間短；④有一定的厚度。

3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

3．1 無骨料快速防護(hù)材料試驗(yàn)

首先選取建筑工程中常用的與水玻璃混合應(yīng)用的材料（氯化鈣、礬、三乙醇胺、尿素、膨潤土、硼砂、戊五醇），根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)配比進(jìn)行快速防護(hù)材料的試配試驗(yàn)，主要試驗(yàn)指標(biāo)為材料的成膜性。

在上述試驗(yàn)成果基礎(chǔ)上，初步選出了膨潤土、硼砂、尿素作為進(jìn)一步試驗(yàn)的材料，同時(shí)上述試驗(yàn)過程中對(duì)各種材料的摻入量進(jìn)行初步判斷。在此基礎(chǔ)上，以材料的粘結(jié)力強(qiáng)度為主要指標(biāo)進(jìn)行下一步的試驗(yàn)，主要采用膨脹巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表征材料粘結(jié)強(qiáng)度的方法，測試材料的粘結(jié)強(qiáng)度，并與水玻璃單液的粘結(jié)強(qiáng)度進(jìn)行比較，選擇試驗(yàn)中成膜性能好，且粘結(jié)強(qiáng)度大的為優(yōu)化配方。

3．2 有骨料快速防護(hù)材料試驗(yàn)

借鑒普通水泥砂漿坡面防護(hù)的配合比進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)原則是在盡量減少水泥用量的前提下加入當(dāng)?shù)亻_挖棄料泥灰?guī)r作為骨料，以節(jié)約工程造價(jià)，獲得更好的工程效果和經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)合無骨料快速防護(hù)材料的試驗(yàn)結(jié)果，為了克服水泥砂漿與坡面粘結(jié)性不好的問題，在有骨料快速防護(hù)材料中添入快凝材料和膨潤土。試驗(yàn)時(shí)以水灰比和泥灰?guī)r的摻入量為研究重點(diǎn)，根據(jù)凝固情況及抗壓強(qiáng)度選擇最優(yōu)配比。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4．1 無骨料快速防護(hù)材料

試驗(yàn)首先測試了氯化鈣溶液、礬、三乙醇胺＋尿素、超細(xì)鈉基膨潤土、硼砂、戊五醇等對(duì)水玻璃的成膜性能、粘結(jié)性能的影響，結(jié)果如表1所示。

上述試驗(yàn)對(duì)各種材料摻入后的性能及摻入量進(jìn)行了簡單的判斷，在此基礎(chǔ)上，選出膨潤土、硼砂、尿素并設(shè)計(jì)不同的摻量做進(jìn)一步的試驗(yàn)。

結(jié)果表明，在水玻璃中加入適量的膨潤土、硼砂（2種配比分別命名為KS1，KS2快速防護(hù)材料。因本文相關(guān)試驗(yàn)成果正在申請專利，在此僅以代號(hào)表示，下同）不僅可以改善溶液的溶解情況，而且還能有效提高其粘結(jié)強(qiáng)度，基本滿足快速防護(hù)的要求；而使用尿素時(shí)，雖然可以比平時(shí)更好地改善溶液的溶解情況，但對(duì)其粘結(jié)強(qiáng)度幾乎沒有提高作用。

表1 水玻璃中添加相關(guān)材料后的成膜性能Table 1 Film forming property of water glass added related materials

4．2 有骨料快速防護(hù)材料

以水泥、粗骨料、泥灰?guī)r為主要成分，摻入膨潤土、快凝材料進(jìn)行了各種配比試驗(yàn)。結(jié)果表明，在上述材料適量的情況下，配合比KS3快速防護(hù)材料具有較好的耐水性及抗?jié)B性，凝固時(shí)間短，材料的流動(dòng)性能滿足施工便利的需要，7 d抗壓強(qiáng)度大于4．0 MPa，且大量節(jié)約了水泥和粗骨料用量。

4．3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證快速防護(hù)材料的防護(hù)效果，以新鄉(xiāng)泥灰?guī)r、南陽中膨脹土、邯鄲強(qiáng)膨脹土等3種不同膨脹性的巖土為試驗(yàn)對(duì)象，采用70 mm×70 mm×70 mm的立方體試樣，進(jìn)行無防護(hù)材料、KS3快速防護(hù)材料以及常規(guī)水泥砂漿等3種土樣的比較試驗(yàn)，以試樣隨時(shí)間的體縮量作為防護(hù)效果的判別指標(biāo)，成果分析如下。

4．3．1 新鄉(xiāng)泥灰?guī)r（弱膨脹性）

試樣在3種不同的防護(hù)條件下的體縮量與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖1所示。

從圖1中可以看出，無防護(hù)的條件下，試樣體縮量隨時(shí)間的增加變化是非常明顯的，最大體縮量為1．82 mm3；在水泥砂漿防護(hù)的條件下，試樣在前期的體縮量均小于無防護(hù)的情況，其值大約是無防護(hù)時(shí)的1／2，但最終體縮量與無防護(hù)時(shí)相當(dāng)；KS3快速防護(hù)材料防護(hù)的條件下，試樣體縮量變化最小且變化平緩，最大體縮量只有0．28 mm3。

通過上述對(duì)比分析可以得出，同等試驗(yàn)環(huán)境下，KS3快速防護(hù)材料對(duì)新鄉(xiāng)泥灰?guī)r的防護(hù)效果十分顯著。

4．3．2 南陽膨脹性土（中膨脹性）

試樣在3種不同的防護(hù)條件下的體縮量隨時(shí)間的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖1 不同防護(hù)措施下新鄉(xiāng)泥灰?guī)r體縮量對(duì)比圖Fig．1 Comparison of the volumetric reduction amount of Xinxiangmarl under different protectingmeasures

圖2 不同防護(hù)措施下南陽中膨脹土體縮量對(duì)比圖Fig．2 Comparison of the volumetric reduction amount of Nanyangmiddle expansive soil under different protectingmeasures

從圖2中可以看出，無防護(hù)條件下，試樣體縮量變化規(guī)律與新鄉(xiāng)泥灰?guī)r試樣類似，試樣最大體縮量為2．91 mm3；水泥砂漿防護(hù)條件下，試樣的體縮量大約是無防護(hù)的1／2；KS3快速防護(hù)材料防護(hù)的條件下，試樣體縮量變化最小且變化平緩，最大體縮量只有0．74 mm3。說明在同等試驗(yàn)環(huán)境下，KS3快速防護(hù)材料對(duì)南陽中膨脹土的防護(hù)效果也優(yōu)于水泥砂漿。

4．3．3 邯鄲膨脹巖（強(qiáng)膨脹性）

試樣在3種不同的防護(hù)條件下的體縮量與時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖3中可以看出，前262 h，3種材料的體縮量基本相當(dāng)，而在262 h以后，KS3快速防護(hù)材料的體縮量甚至高于無防護(hù)和水泥砂漿防護(hù)試樣，其原因尚待分析。由于試驗(yàn)歷時(shí)較長，相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)尚在進(jìn)行之中。因此，KS3快速防護(hù)材料對(duì)于強(qiáng)膨脹性巖土的防護(hù)問題還有待進(jìn)一步研究。

圖3 不同防護(hù)措施下邯鄲強(qiáng)膨脹土體縮量對(duì)比圖Fig．3 Comparison of the volumetric reduction amount of Handan strong expansive soil under different protectingmeasures

5 結(jié) 論

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，無骨料快速防護(hù)材料（KS1，KS2快速防護(hù)材料）浸泡后的土樣收縮率在開始階段有明顯減小，但隨著時(shí)間的推移其線縮率反而比裸露試樣的大。因此，無骨料快速防護(hù)材料對(duì)膨脹巖渠坡的有效防護(hù)時(shí)間和防護(hù)效果還有待于現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

有骨料快速防護(hù)材料KS3主要在水泥砂漿防護(hù)材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研究了添加當(dāng)?shù)亻_挖棄料泥灰?guī)r后的配方及防護(hù)效果，試驗(yàn)證明是一種可行的防護(hù)材料。KS3快速防護(hù)材料能夠有效阻隔坡內(nèi)土體與外界的水分交換，不僅克服了傳統(tǒng)水泥砂漿與坡面粘結(jié)性不好易開裂的問題，而且能夠合理利用當(dāng)?shù)亻_挖棄料，節(jié)省了水泥和粗骨料的用量，帶來了較明顯經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的推廣價(jià)值。

從對(duì)3種不同膨脹性能的土的防護(hù)效果來看，配制的有骨料快速防護(hù)材料KS3對(duì)弱、中膨脹性巖土具有較好的防護(hù)效果，但對(duì)強(qiáng)膨脹性巖土，其配方還有待進(jìn)一步調(diào)整和研究。此外，目前室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)的方法還略顯粗糙，今后還有必要提出更多的驗(yàn)證試驗(yàn)方法和指標(biāo)驗(yàn)證防護(hù)材料的防護(hù)效果。

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