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    高風(fēng)險巖溶隧道注漿材料水下抗分散性試驗研究*

    2014-05-09 12:13:06劉昌國王雙喜胡國祥
    交通科技 2014年3期
    關(guān)鍵詞:試模水陸分散劑

    劉昌國 杜 韋 王雙喜 胡 婷 胡國祥

    隧道建設(shè)過程中,在高壓、富水巖溶區(qū)易發(fā)生突水、涌泥事故,危及施工安全,影響施工進度,并可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境惡化。通過注漿可在隧道硐室周圍形成注漿圈,能有效防止?jié)B水、封堵涌水并加固圍巖,保證開挖面穩(wěn)定。因此,國內(nèi)外普遍采用注漿方法來防治高風(fēng)險巖溶隧道突水、涌泥災(zāi)害。注漿效果主要受三方面控制:注漿材料的特性、被注介質(zhì)的特征、注漿施工參數(shù),注漿材料作為注漿工程中的首要因素起決定性作用[1]。用于高風(fēng)險巖溶隧道的注漿材料,除了對流動性、凝結(jié)時間、強度、耐久性、經(jīng)濟性、環(huán)保安全性等有較高要求外,還需要具有良好的水下抗分散性能,即在水下不易被稀釋、溶解。筆者闡述了在高風(fēng)險巖溶隧道注漿材料的研制中,確定水下抗分散劑種類、摻量的方法與過程,以及水下抗分散性能的評價方法與結(jié)果。

    1 試驗材料

    (1)水泥。42.5快硬硫鋁酸鹽水泥(R·SAC),普通硅酸鹽水泥(P·O)。

    (2)摻料。II級粉煤灰、硅灰粉。

    (3)外加劑。聚羧酸減水劑、速凝早強劑L、水下抗分散劑P、水下抗分散劑H等。

    (4)水。普通自來水。

    2 水下抗分散劑的選擇

    在高風(fēng)險巖溶隧道注漿材料的研制中,初選了2種水下抗分散劑P,H。其中水下抗分散劑P是擁有長鏈結(jié)構(gòu)的高分子聚合物,加入水泥漿液后,將水泥顆粒吸附到分子鏈上,又通過分子鏈間的聯(lián)系形成縱橫交錯的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),從而使水泥顆粒聚集在一起,增大漿液的粘度,起到增稠效果[2],導(dǎo)致在水中難以破壞顆粒間的穩(wěn)定狀態(tài)。

    水下抗分散劑H是一種表面活性物質(zhì),其分子由2種截然不同的粒子形成,一種粒子具有極強的親水性,另一種粒子具有極強的親油性(即疏水性),它們之間由化學(xué)鍵相連。當(dāng)把H加入水泥漿液時,它既表現(xiàn)出親水泥顆粒的性質(zhì),又會表現(xiàn)出親水分子的性質(zhì),使水失去流動性,導(dǎo)致漿液變稠,從而對漿液產(chǎn)生增稠保水的效果。

    將不摻水下抗分散劑、摻入水下抗分散劑P、摻入水下抗分散劑H的3組漿液倒入水中,直觀觀察漿液的水下抗分散效果,見圖1。其中H摻量為水泥質(zhì)量(下同)的0.35%。

    圖1 水下抗分散效果對比

    由圖1可見,不摻水下抗分散劑的漿液倒入水中立即分散,水變得很渾濁;摻入水下抗分散劑P的漿液倒入水中后,具有一定的水下抗分散效果,但有部分漿液分散,水稍變渾濁;摻入水下抗分散劑H的漿液倒入水中,漿液基本不分散,水體清澈,水下抗分散效果明顯。

    在拌制漿液的過程中發(fā)現(xiàn),摻加水下抗分散劑P后,漿液的和易性明顯較低,流動度、裹砂性也較差,有泌水現(xiàn)象。當(dāng)摻量過多時,其流動性會明顯降低,稠度增加,拌和不易。摻加水下抗分散劑H的漿液,其和易性、粘聚性較好,基本無泌水現(xiàn)象,保水性能良好。因此,優(yōu)選水下抗分散劑H。

    3 水下抗分散劑的摻量

    為了考察水下抗分散劑H對強度的影響,測試了不同齡期立方體試塊(邊長70.7 mm)的抗壓強度,一組摻加H,一組不摻加。測試結(jié)果見表1。

    表1 水下抗分散劑H對立方體試塊抗壓強度的影響

    由表1可見,摻加水下抗分散劑H后,抗壓強度略有下降。預(yù)計隨著H摻量的增加,強度下降的幅度增大。為了確定H的摻量上限,制作不同摻量的長方體試件(160 mm×40 mm×40 mm),先測抗折強度,再測斷塊的抗壓強度,測試結(jié)果見表2。水下抗分散劑H摻量對試件抗折、抗壓強度的影響曲線見圖2。

    表2 水下抗分散劑H摻量對試件抗折、抗壓強度的影響

    圖2 水下抗分散劑H摻量對試件抗折、抗壓強度的影響曲線

    由表2、圖2可知,隨著H摻量的增大,試件的抗折、抗壓強度均會降低,且較為明顯,因此,應(yīng)嚴(yán)格控制H的摻量,不宜超過0.5%,以0.35%為宜。

    4 水下抗分散性能的評價

    水下抗分散性能可以通過p H值測試、水陸強度對比進行評價。將漿液倒入盛水的量筒中,靜置一段時間后,測得量筒中上層清液的p H值,可定性說明漿液的水下抗分散性能;通過制作立方體試塊,測試水陸強度比,可定量評價漿液水下抗分散性能。根據(jù)研究表明,p H值小于9、水陸強度比大于80%,可認(rèn)為漿液具有良好的水下抗分散能力[3]。

    (1)p H值測試。在1 000 mL量筒中加入700 mL純凈水,將300 mL新制漿液緩緩注入量筒中,靜置5 min后,用吸管將量筒中上層水吸取400 mL,吸出的水作為試驗樣品,立刻進行p H值測試[4]。

    按照上述步驟進行試驗,摻入水下抗分散劑H的漿液,其上層清液的p H值與正常純凈水相當(dāng),為7.0~7.2,表明其水下抗分散性能良好。

    (2)水陸強度比。水陸強度比是評價漿液水下抗分散性能的一個重要指標(biāo),是指摻入水下抗分散劑且有相同配合比的漿液,在水中澆注成型的試件與在空氣中澆注成型的試件,經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護后,在同一齡期的抗壓強度比值。

    漿液在水中的成型方法:先將70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的帶底試模放入桶底,加水至試模上限以上150 mm處。然后用漏斗連接導(dǎo)管,一端伸入水下試模中,另一端注入新拌漿液,待試模裝滿且有部分漿液溢出表面后,將試模從水中取出,輕振數(shù)次。在初凝之前用抹刀沿頂面抹平,脫模后,將試塊放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱中養(yǎng)護[4]。達到預(yù)定齡期后,將試件從養(yǎng)護箱中取出,每一齡期以3個試件為一組,進行抗壓強度試驗,得到試件的水中強度。

    漿液在空氣中的成型方法,參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T 70-2009)中規(guī)定的步驟進行[5]。與上述在水中成型方法相比,除把試模放在空氣中外,其他操作相同。每一齡期以3個試件為一組,測得試件的陸地強度。水陸強度比試驗結(jié)果見表3。

    表3 摻加水下抗分散劑H后立方體試塊的水陸強度比試驗結(jié)果

    由表3可知,摻加水下抗分散劑H后,立方體試塊1,3,7,28 d的水陸強度比均大于80%,表明漿液具有良好的水下抗分散能力。

    5 結(jié)語

    (1)通過直觀觀察可見,水下抗分散劑H比P效果更優(yōu)。

    (2)水下抗分散劑H對漿液固結(jié)體的強度有一定影響,摻量越高影響越大。因此,應(yīng)嚴(yán)格控制H的摻量,不宜超過0.5%,以0.35%為宜。

    (3)對摻加適量H的漿液,進行p H值測試、水陸強度比試驗,結(jié)果p H小于9、水陸強度比大于80%,表明漿液具有良好的水下抗分散性能,用于高壓、富水巖溶區(qū)隧道注漿施工,有利于封堵突水、涌泥。

    [1] 孫克國.注漿控制巖溶隧道突水地質(zhì)災(zāi)害的機理和模擬方法研究[D].濟南:山東大學(xué),2010.

    [2] 姜從盛,陳 江,呂林女,等.高性能水下不分散混凝土研究[J].湖北工學(xué)院學(xué)報,2004,19(2):18-20.

    [3] 田 焜.高性能盾構(gòu)隧道同步注漿材料的研究與應(yīng)用[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

    [4] 陳友治,周 勇,蔡 云,等.抗水分散壁后注漿復(fù)合外加劑的研制[J].廣東建材,2007(11):53-55.

    [5] JTG/T70-2009建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009.

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