馬鵬遠(yuǎn),楊其新,蔣雅君
(1.中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031)
隧道及地下工程穿過溶洞、軟弱地層、斷層破碎帶等不良地質(zhì)時(shí),需要注漿加固。由于工程施工工藝及工期等條件的限制,要求注漿材料能夠在可控制的較短時(shí)間內(nèi)膠凝并具有較高的凝膠強(qiáng)度。丙烯酸鹽-水泥基復(fù)合漿液(簡(jiǎn)稱復(fù)合漿液)是在丙烯酸鹽灌漿材料的基礎(chǔ)上研制出來的一種復(fù)合漿液。為了提高漿液加固地層的承載力,采用水泥替代丙烯酸鹽漿液中的部分成分。復(fù)合漿液綜合了丙烯酸鹽漿材和水泥漿材的優(yōu)點(diǎn):丙烯酸鹽作為有機(jī)化學(xué)漿材,具有粘度低、可灌性好的優(yōu)點(diǎn),并且丙烯酸鹽增加了復(fù)合漿液固結(jié)體的彈性,吸水膨脹;水泥漿材大幅提高了復(fù)合漿液的抗壓強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度,并能夠調(diào)整膠凝時(shí)間。
本文通過試驗(yàn)主要研究該復(fù)合漿液的膠凝時(shí)間和凝膠強(qiáng)度在不同配比條件下的變化規(guī)律。優(yōu)化調(diào)整復(fù)合漿液各組份配比,使復(fù)合漿液能夠基本滿足早凝快硬的工程注漿使用要求,具有良好的注漿性能。
水泥的復(fù)合作用機(jī)理大致可以歸納為以下幾點(diǎn)[1-3]。
(1)均勻分散,可以防止或減少水分蒸發(fā)和防止干燥基體對(duì)水分的吸收,從而使水化作用更趨完善。
(2)丙烯酸鹽的加入改善了凝膠材料與巖體界面的狀況,增大了它們之間的粘結(jié)力,而粘結(jié)力對(duì)固結(jié)巖體的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度同時(shí)做出了貢獻(xiàn)。
(3)丙烯酸鹽與超細(xì)水泥同時(shí)起到膠凝作用,其結(jié)果增大了漿液固結(jié)結(jié)石的強(qiáng)度,使結(jié)石只有連續(xù)出現(xiàn)微裂紋后才會(huì)遭到壓縮破壞。
(4)丙烯酸鹽在水泥水化結(jié)構(gòu)中均勻分布,并與水泥凝膠形成了立體三維網(wǎng)絡(luò),并且這兩種網(wǎng)絡(luò)形成相互貫穿,相互依托,組成空間的立體交叉結(jié)構(gòu)。與此同時(shí),由于有機(jī)、無(wú)機(jī)兩相之間,發(fā)生一定程度的交聯(lián),增強(qiáng)了材料的復(fù)合效應(yīng),這是低水灰比聚合物水泥基復(fù)合材料中一種獨(dú)特的優(yōu)異結(jié)。
(5)水泥在凝結(jié)硬化過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量孔隙或微裂紋而在材料中形成薄弱部位,加入的丙烯酸鹽分散并聚集于孔隙壁上,在孔隙壁上或微裂紋表面形成一層聚合物膜,對(duì)于這些薄弱部位產(chǎn)生增強(qiáng)作用。
本文通過多次正交試驗(yàn)篩選得到影響因子為:丙烯酸鹽溶液、水泥、水、過硫酸鈉,其中丙烯酸鹽溶液濃度36%~40%,復(fù)合漿液中過硫酸鈉占丙烯酸鹽溶液的1‰。通過L8(23)正交試驗(yàn)研究各因子對(duì)膠凝時(shí)間的作用大小并優(yōu)選配方,該組試驗(yàn)編號(hào)為ZJ1,優(yōu)化的正交試驗(yàn)結(jié)果見表1。
表1 復(fù)合漿液膠凝時(shí)間
(1)試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)復(fù)合漿液膠凝時(shí)間影響最大的因子是水,漿液的水灰比會(huì)對(duì)膠凝時(shí)間產(chǎn)生很大影響,因此水灰比是控制復(fù)合漿液凝結(jié)時(shí)間的重要指標(biāo)。
(2)復(fù)合漿液膠凝時(shí)間在1~3 min范圍波動(dòng),時(shí)間較短,適用于雙液注漿,能夠滿足注漿快凝的要求。
(3)試驗(yàn)優(yōu)選配方為A1B2C2D,即丙烯酸鎂溶液60 mL,水泥 60 g,水 20 mL,過硫酸鈉 0.06 g。
結(jié)石強(qiáng)度試驗(yàn)參照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗(yàn)規(guī)程》之砂漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法進(jìn)行,通過L9(34)正交試驗(yàn)研究復(fù)合漿液各因子對(duì)結(jié)石抗壓強(qiáng)度的影響作用大小并優(yōu)化配方。
設(shè)計(jì)第一組試驗(yàn),編號(hào)為ZJ2,試驗(yàn)結(jié)果見表2。根據(jù)ZJ2組試驗(yàn)得到優(yōu)選配方為A2B3C2D2,在該配方的因子水平基礎(chǔ)上,進(jìn)一步縮小因子水平范圍,設(shè)計(jì)第二組試驗(yàn),編號(hào)為ZJ3組,試驗(yàn)結(jié)果見表3。
(1)ZJ2、ZJ3組試驗(yàn)結(jié)果表明,影響復(fù)合漿液結(jié)石強(qiáng)度的主要因素是復(fù)合漿液中水泥的含量,隨著水灰比減小,復(fù)合漿液的結(jié)石抗壓強(qiáng)度明顯提高。因此水灰比也是控制復(fù)合漿液強(qiáng)度的重要指標(biāo)。
(2)兩組試驗(yàn)得出最優(yōu)配方為A1B3C1D3,即丙烯酸鎂溶液 70 mL,水泥 110 g,水 30 mL,過硫酸鈉0.12 g;第二位的是 A2B3C2D2,即丙烯酸鎂溶液80 mL,水泥100 g,水 40 mL,過硫酸鈉 0.08 g;第三位的是A1B2C1D1,即丙烯酸鎂溶液90 mL,水泥100 g,水30 mL過硫酸鈉0.08 g。
表2 ZJ2組復(fù)合漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度
表3 ZJ3組復(fù)合漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度
(3)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),雖然過硫酸鈉對(duì)復(fù)合漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度的影響最小,但是它又是復(fù)合漿液能夠產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)必不可缺的重要組份。
通過以上試驗(yàn)分析可見,水灰比是影響復(fù)合漿液性能的重要指標(biāo)。因此將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按照水灰比、聚灰比(丙烯酸鹽溶液:水泥)、水聚比(水:丙烯酸鹽溶液)的變化,研究復(fù)合漿液膠凝時(shí)間和結(jié)石抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律,并繪制曲線圖。如圖1、圖2所示。
在試驗(yàn)研究的范圍內(nèi),隨著水灰比的增大,膠凝時(shí)間有先縮短后延長(zhǎng)的趨勢(shì),復(fù)合漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度明顯提高。隨著聚灰比的減小,復(fù)合漿液膠凝時(shí)間有縮短的趨勢(shì),結(jié)石抗壓強(qiáng)度提高。
綜合考慮復(fù)合漿液的膠凝時(shí)間和結(jié)石抗壓強(qiáng)度兩個(gè)指標(biāo),并保證復(fù)合漿液具有良好的流動(dòng)性、可灌性及施工可行性,最終確定優(yōu)化的復(fù)合漿液配比是,水 ∶丙烯酸鹽溶液∶水泥=3∶6∶10,過硫酸鈉占丙烯酸鎂溶液的1‰,該復(fù)合漿液適用于雙液法注漿,A組份水泥漿,B組份丙烯酸鹽溶液混合過硫酸鈉。漿液的膠凝時(shí)間2 min左右,30 min結(jié)石抗壓強(qiáng)度能達(dá)到5 MPa左右。
圖1 膠凝時(shí)間變化趨勢(shì)
圖2 結(jié)石抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)
為檢驗(yàn)復(fù)合漿液在實(shí)際工程注漿中的可行性及效果,在試驗(yàn)室通過雙組份注漿設(shè)備完成模擬注漿試驗(yàn)。
將粒徑小于10 mm的碎石砂子裝滿塑料桶并壓實(shí),模擬破碎松散圍巖(圖3)。注漿壓力控制在1~2 MPa,漿液從PVC管中注入,當(dāng)漿液從頂部冒出時(shí)停止注漿(圖4)。
圖3 破碎松散圍巖模擬試件
圖4 模擬灌漿試驗(yàn)過程
完成注漿后3 min,剖開塑料桶后觀察,灌漿漿液在碎石中的混合效果較好,能形成較為均勻的包裹和粘結(jié)效果(如圖5、圖6)。完成注漿30 min后,觀察注漿體試樣成型較好,用鐵鍬敲打其表面無(wú)變形和水泥塊剝落的情況,強(qiáng)度較高,鑿開試樣上下端部位,可見試樣內(nèi)部復(fù)合漿液凝結(jié)均勻填充在碎石縫隙內(nèi),并具有較高的粘結(jié)強(qiáng)度(圖7、圖8)。
圖5 灌漿結(jié)束1 min左右的試樣表面
圖6 桶內(nèi)灌漿試樣觀察
圖7 試件頂部粘結(jié)情況
圖8 試件底部粘結(jié)情況
(1)通過試驗(yàn)研究的丙烯酸鹽-水泥基復(fù)合漿液的最優(yōu)配比為,水 ∶丙烯酸鹽溶液 ∶水泥=3∶6∶10,過硫酸鈉占丙烯酸鎂溶液的1‰。
(2)該復(fù)合漿液適用于雙液法注漿,A組份水泥漿,B組份丙烯酸鹽溶液混合過硫酸鈉。漿液的膠凝時(shí)間2 min左右,30 min結(jié)石抗壓強(qiáng)度能達(dá)到5 MPa左右。
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