隧道侵限整治用煤矸石粉高性能注漿材料的研發(fā)

摘 要：采取熱活化、機械活化、化學(xué)活化、晶種活化等復(fù)合激發(fā)措施充分激發(fā)煤矸石潛在的火山灰反應(yīng)活性，進而選取物化性能符合要求且價格低廉的輔助材料（主要是石灰和石膏）進行正交實驗，配制了以煤矸石作為主要原材料的注漿材料。并研究了漿材的水化機理及其各種基本物理力學(xué)性能指標(biāo)，通過對其工作性及耐久性進行試驗，發(fā)現(xiàn)其具有較好的膠凝性質(zhì)及抗?jié)B性能，符合現(xiàn)時通用的注漿材料檢驗標(biāo)準(zhǔn)，可以用作隧道侵限加固材料。

關(guān)鍵詞：隧道 侵限 注漿材料 耐久性

中圖分類號：U45 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）12（c）-0036-03

由于地質(zhì)及施工等方面原因，隧道運營過程中會出現(xiàn)一定的病害狀況，這些病害的發(fā)展將嚴(yán)重威脅隧道的安全運營。目前主要的隧道病害類型為二次襯砌裂損、拱背空洞或不密實、滲漏水、內(nèi)空侵限、路面斷板及冒水等[1]。其中，針對侵限內(nèi)裂縫的整治處理措施主要為采用一種高性能的注漿材料，即要求漿液具有較高的工作性能，包括良好的流動性、穩(wěn)定性、可塑性以及易密性。本文以焦柳鐵路郜營局界至西齋局界（K478+000～K798+477.4）的隧道侵限整治工程，共計9座隧道出現(xiàn)侵限病害問題為研究背景。主要以大摻量改性煤矸石粉為基礎(chǔ)，引入高活性激發(fā)劑及誘導(dǎo)水化晶種等組分，設(shè)計一種高性能低成本化的注漿材料，并進行工作性及耐久性等方面試驗研究。

1 原材料與實驗設(shè)計

1.1 原材料

選用焦作地區(qū)煤矸石，將煤矸石經(jīng)800 ℃低溫煅燒，恒溫1 h后在空氣中快速冷卻，并將煅燒煤矸石磨細(xì)，經(jīng)Ka法[2]和ISO法測定，其火山灰活性合格。采用石灰與硬石膏，經(jīng)機械粉磨、過篩（篩孔為0.06 mm）后做輔助材料。采用自主研發(fā)的外加劑（ZGW），主要有早強、減水及微膨脹作用。在膠凝材中引入鈣礬石、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等作為晶種。主要原材料化學(xué)組成見表1。

1.2 實驗設(shè)計

本試驗主要考慮參數(shù)為粘度、析水率、凝膠時間及漿材抗壓強度，主要試驗方法見文獻[3]。

首先進行基礎(chǔ)配合比研究，在確定煤矸石、石灰、石膏之間的配比后，選一抗壓強度最優(yōu)的配方，將自主研發(fā)的ZGW復(fù)合激發(fā)劑摻入其中。通過正交試驗找到本文實驗條件下的材料組成最優(yōu)組別。煤矸石選60%、70%、80%三個水平，而石灰和石膏則分別選15%、20%、25%和3%、4%、5%水平，選抗壓強度作為考核指標(biāo)。本次實驗采用L9（34）的正交表（即4因素3水平的正交表）安排試驗方案，正交試驗中配料配合比及測試結(jié)果如表2所示。

通過分析各因素對抗壓強度的影響可知，煤矸石摻量在60%～80%之間變化時，結(jié)石體強度先增大后減小，其中70%時，結(jié)石體強度較好，而60%、80%時強度較低，但60%的仍然比80%高；當(dāng)石灰、石膏分別在15%～25%和3%～5%之間變化時，隨著摻量的增加，結(jié)石體強度經(jīng)歷不同的變化趨勢，表現(xiàn)為：隨石灰摻量的增加，強度先增大后減小，其中石灰摻量20%的強度較好，而針對石膏，早期（3 d、7 d）的強度隨著摻量的增加而增大，而在后期（28 d）卻先增大后減小。

由表中實驗數(shù)據(jù)計算可知，最佳的組合為：煤矸石、石灰、石膏的摻量分別為70%、20%和4%，折合成百分比即為74.5%、21.3%、4.2%。本文以此優(yōu)化配比作為基礎(chǔ)配合比，采用自主研發(fā)的外加劑（ZGW）進行復(fù)摻，以進行相關(guān)性能測試。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 粘度

表3為不同水灰比下粘度的測試結(jié)果，由表3可以看出：當(dāng)水灰比較小時，漿液粘度隨著水灰比增大顯著減小，但是當(dāng)W/C>1.5后，漿液粘度減小幅度很小，逐漸趨于一致；漿液若沒有外加劑摻入，在低水灰比（W/C≤1）條件下，本漿液的粘度高于《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》的界定值（30 s），若用此配比的漿液進行注漿，漿液的可灌性將會很差。而在同一水灰比條件下，摻入ZGW外加劑的煤矸石粉漿液，其粘度大幅度地降低，幾乎與單液水泥漿的粘度相同。

2.2 析水率

表4為不同水灰比下析水率的測試結(jié)果，由表4可以看出：煤矸石粉漿液析水率受水灰比影響很大，隨水灰比增加漿液的析水率增大，穩(wěn)定時間縮短，摻ZGW外加劑后，漿液的析水率有所降低，穩(wěn)定時間相應(yīng)延長。

本研究擬在漿液中摻入水玻璃以改善漿液的穩(wěn)定性。圖1是在W/C=0.9漿液中摻入占膠凝材（摻有ZGW外加劑）質(zhì)量2%、4%、6%、8%、10%的水玻璃后，漿液的穩(wěn)定曲線。由圖1可知，水玻璃能很好地增加煤矸石粉漿液的穩(wěn)定性，減少析水量，并隨水玻璃摻量增加析水率越來越低。若將漿液析水率控制在10%以下，水玻璃摻量為膠凝材質(zhì)量的4%以上，即可滿足要求。并經(jīng)試驗結(jié)果證明，摻4%水玻璃入漿液中，漿液的粘度有所增大，但仍小于30 s。

2.3 凝膠時間

表5水灰比對漿液凝膠時間的影響，由表5可以看出：煤矸石粉漿液的凝膠時間受漿體中水分的影響極大，隨著水灰比的增大，凝膠時間大大延長。究其原因是因為當(dāng)料漿中水含量增加時，料漿中的顆粒相互接觸碰撞的機會就減少。摻入ZGW外加劑后，漿液的凝膠時間有所縮短。因為ZGW外加劑進一步激發(fā)了煤矸石潛在活性，提高了其早期水化率，為其水化產(chǎn)物晶體成核與長大提供了更有利的條件，結(jié)果早期生成了相對更多的鈣礬石，加快了水化速度，同時晶種降低成核勢壘的作用，因而漿液的凝膠時間縮短，但縮短的幅度不大。

2.4 漿材強度

由圖2可見，漿材強度受水灰比影響很大，隨用水量的增加，抗壓強度逐漸降低，至水灰比（W/C）達到1.5時，28 d的抗壓強度下降55.8%左右。原因在于：一方面因為當(dāng)料漿中水含量增加時，料漿中的顆粒相互接觸碰撞的機會就減少，其重新組合成更大的膠團（即膠凝化）的機會亦隨之變小，拉大了膠核等物質(zhì)間離，在沒有更多的膠凝物質(zhì)充填其中的情況下，抗壓強度下降；另一方面，大量的水存留在水泥石，一部分在未凝結(jié)之前就會泌出積聚在表面；另一部分在硬化過程中蒸發(fā)出去，而這些水最終都將在水泥石內(nèi)部形成孔隙。這些孔隙間由毛細(xì)孔連接相通，形成通道，使抗壓強度降低[4]。采用布金漢-萊納公式驗算可知，對一般充滿漿液的裂隙而言，本試驗開發(fā)的煤矸石漿材結(jié)石強度能夠抵御高水頭的滲透破壞。

2.5 抗?jié)B透性

參照GBJ82規(guī)定的抗?jié)B透性能試驗方法進行[5]，采用抗?jié)B標(biāo)號評價固結(jié)體的抗?jié)B能力，同一水灰比為0.4，其中A系列為未摻ZGW，B系列為已摻ZGW。抗?jié)B標(biāo)號是用標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的標(biāo)準(zhǔn)試件滲水時的最大水壓力來計算，并用S2、S4、S6、S8、S10、S12等級別表示抗?jié)B能力：

計算公式為：

式中，S為抗?jié)B標(biāo)號（等級）；

H為六個試件中三個頂面滲水時的壓力。

由表6數(shù)據(jù)可以看出，在沒有摻ZGW復(fù)合外加劑的情況下，砂漿結(jié)石體在水壓為1.8 MPa時，已有三個試件滲水，另外三個也接近透水，滲水高度分別為：26 mm、25 mm、27 mm，其抗?jié)B標(biāo)號已達S17；而摻有ZGW復(fù)合外加劑的砂漿結(jié)石體，在水壓達到2.6 MPa時仍不見透水，平均滲水高度在21 mm左右，抗?jié)B標(biāo)號大于S25?？梢?，加入ZGW復(fù)合外加劑后本注漿材料砂漿結(jié)石體的抗?jié)B性能得以很大的改善。

3 結(jié)論

以石灰與硬石膏輔助材料，并引入自主研發(fā)有早強、減水及微膨脹作用的外加劑（ZGW）及鈣礬石、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物作為晶種，配制了一種以煤矸石作為主要原材料的高性能低成本化注漿材料。從粘度、析水率、凝膠時間及漿體強度等工作性能與抗?jié)B透性的耐久性能方面進行試驗驗證，發(fā)現(xiàn)經(jīng)優(yōu)化配比后的產(chǎn)品符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，可作為一種性能優(yōu)良，成本低廉的隧道侵限加固材料。本文提出，在充分激發(fā)素廢日用建筑陶瓷潛在火山灰反應(yīng)活性的基礎(chǔ)上，利用活性超細(xì)廢建筑陶瓷粉、石膏、石灰石粉等工業(yè)廢棄物，通過正交試驗篩研發(fā)一種新型綠色高性能注漿材料，并按照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》（SL62-94）檢驗其可灌性、固結(jié)強度。

參考文獻

[1]吳夢軍，張永興，劉新榮.公路隧道病害處治技術(shù)研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2007，3（10）：967-971.

[2]廉慧珍，張志齡，王英華，等.火山灰質(zhì)材料活性的快速評定方法[J].建筑材料學(xué)報，2001（9）：299-303.

[3]王凱.活性煤矸石粉在注漿材料中的應(yīng)用[J].礦產(chǎn)綜合利用，2005（2）：42-45.

[4]張立華.多組分水泥基材料水化特征與產(chǎn)物性質(zhì)的研究[D].武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2002.

[5]張鳳祥.土建注漿施工與效果檢測[M].上海：同濟大學(xué)出版社，1998.