高風(fēng)險巖溶隧道注漿材料水下抗分散性試驗研究＊

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.