水泥-黃土注漿材料工程可行性研究

吳天軍

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 概述

我國是一個礦產(chǎn)資源大國，隨著資源的不斷開采，采空區(qū)面積不斷增大，而高速公路的不斷發(fā)展將不可避免地要穿越采空區(qū)。采空區(qū)的存在對公路穩(wěn)定性、安全性造成了極大的隱患。常采用的處治手段為全填充壓力注漿法，注漿材料為水泥-粉煤灰，但隨著環(huán)保力度的不斷加大，粉煤灰的產(chǎn)量也不斷減少，因此造成的施工成本壓力也不斷加大，因此急需一種新材料來代替水泥-粉煤灰漿液來大面積推廣。

黃土作為一種分布較廣的材料已經(jīng)被多人進行了室內(nèi)試驗研究，并取得了不錯的研究成果。谷天峰[1]等人通過對不同地區(qū)黃土開展水泥-黃土漿液性能的試驗認為黃土的地域分異造成水泥-黃土漿液的性質(zhì)差異較大，黃土的粒徑越粗結(jié)石體的強度越高。張亞民[2]等通過室內(nèi)試驗研究認為水玻璃對黃土-水泥漿液的比重、結(jié)石率、凝膠時間、黏度、強度和滲透性等都有較大影響。上述所有的研究都是對材料性能及變化規(guī)律進行研究，但未對材料的工程可行性進行分析，分析水泥-黃土漿液能否滿足現(xiàn)行標準、規(guī)范的要求，能否滿足經(jīng)濟性的要求，如果材料性能能夠滿足規(guī)范要求但會造成施工成本過高，那么其應用廣泛性將受到極大的限制，因此，對水泥-黃土漿液的黏度、結(jié)石率、強度及經(jīng)濟性進行評價就顯得極為重要。

2 研究目的和原則

2.1 研究目的

因地制宜利用當?shù)貎?yōu)勢資源，減少對粉煤灰的過度依賴。在強度和質(zhì)量滿足要求的基礎(chǔ)上用水泥黏性土稠漿替代部分水泥粉煤灰漿，有效降低工程造價。

2.2 研究原則

安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理、質(zhì)量可靠、節(jié)能環(huán)保[3]。

3 注漿材料性能研究

3.1 原材料

a）黃土 取自山西柳林，對其進行烘干、搗碎處理，其物理性質(zhì)指標為：液限26.8，塑限17.4，塑性指數(shù)10.2，土質(zhì)分類為粉土。

b）水泥 試驗所用水泥為山西柳林青龍水泥廠生產(chǎn)的標號為32.5R的普通硅酸鹽水泥。

3.2 試驗方案

漿液性能試驗包括漿液的性能及結(jié)石體的性能。

3.2.1 漿液性能試驗

主要包括黏度、凝結(jié)時間、結(jié)石率。漿液黏度采用泥漿黏度計進行測量。結(jié)石率采用量筒測定漿液固結(jié)后結(jié)石的體積與漿液體積的比率。漿液的凝結(jié)時間測定方法是將漿液裝入銅環(huán)內(nèi)，利用維卡儀測定初凝和終凝時間。

結(jié)石體的性能試驗按照建筑規(guī)范將漿液制成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方體試塊，進行結(jié)石體單軸抗壓強度試驗。

3.2.2 試驗分組

水泥-黃土漿液中水與固體的比值(以下簡稱水固比)分別為 1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6、1∶1.8。

水泥占固體的質(zhì)量（以下簡稱水泥摻量）分別為20%、30%、40%。結(jié)石體單軸強度分別采用7 d和28 d齡期。

綜上所述，對柳林地區(qū)離石黃土-水泥漿液進行了綜合性能試驗，試驗結(jié)果如表1。

表1 黃土-水泥漿液試驗成果表

3.3 漿液及結(jié)石體性能分析

根據(jù)不同水固比、不同水泥摻量組合情況下漿液的黏度、結(jié)石率及結(jié)石體抗壓強度等，分析水泥-黃土注漿材料的性能。

3.3.1 黏度

圖1 水泥-黃土漿液黏度

通過圖1可知，不同水泥摻量、相同水固比情況下漿液黏度值變化不大，整體隨著水固比的減小而逐漸增大，因此可以判斷漿液的黏度主要受水固的影響，與水泥摻量關(guān)系不大。

3.3.2 結(jié)石率

通過圖2可知，在水泥摻量不變的情況下，漿液結(jié)石率隨著水固比的減小逐漸增大；在水固比不變的情況下結(jié)石率隨著水泥摻量的增加而降低，且隨著水固比的減小結(jié)石率受水泥摻量的影響由小變大然后再變小。不同水泥摻量及水固比情況下，漿液結(jié)石率變化范圍為73.0%～93.5%。

圖2 水泥-黃土漿液結(jié)石率

3.3.3 抗壓強度

圖3 結(jié)石體7 d抗壓強度

通過圖3可知，結(jié)石體7 d抗壓強度在水泥摻量不變的條件下，隨著水固比的減小而小幅增加，例如水泥摻量為20%時，強度僅從0.47 MPa上升至0.66 MPa；而在水固比不變的條件下水泥摻量的變化對結(jié)石體7 d抗壓強度影響較大，例如水固比為1∶1.2時，強度從0.47 MPa上升至2.59 MPa。

圖4 結(jié)石體28 d抗壓強度

通過圖4可知，結(jié)石體28 d抗壓強度變化規(guī)律與結(jié)石體7 d抗壓強度變化規(guī)律基本一致，但其抗壓強度更大，水泥摻量為20%時，抗壓強度為1.51～1.99 MPa，滿足《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》對公路路基下伏采空區(qū)注漿結(jié)石體單軸抗壓強度不小于0.6 MPa的要求；水泥摻量為30%、40%時，抗壓強度為2.82～7.88 MPa，滿足《采空區(qū)公路設(shè)計與施工技術(shù)細則》對公路橋梁、隧道下伏采空區(qū)注漿結(jié)石體單軸抗壓強度不小于2.0 MPa的要求。

4 經(jīng)濟評價

經(jīng)濟性是判斷注漿方法是否合理的一種重要參數(shù)，如果新型注漿材料在施工工程中成本過高，即使強度、黏度等參數(shù)符合注漿要求，但也很難在工程實踐中大規(guī)模應用。因此，經(jīng)濟評價就變得十分必要。

根據(jù)市場行情，32.5R普通硅酸鹽水泥按350元/t考慮，粉煤灰按60元/t考慮，黃土按20元/t考慮，分析不同水泥摻量下，水泥-黃土漿液與水泥-粉煤灰漿液之間的價格差異。具體如表2所示。

表2 水泥-黃土與水泥-粉煤灰漿液經(jīng)濟指標對比

從表2可以看出，水泥黃土與水泥粉煤灰相比不同配合比單方節(jié)約101.1～107.1元不等，總體考慮，水泥-黃土材料成本為水泥-粉煤灰材料成本的60.0%～73.6%。改變注漿材料可節(jié)約注漿材料費約為26.4%～40%。采用水泥-黃土作為注漿材料技術(shù)可行，經(jīng)濟節(jié)約。

5 結(jié)論及建議

通過對水泥-黃土物理力學指標及經(jīng)濟性分析可知：水泥-黃土注漿材料的物理力學指標能夠滿足現(xiàn)行規(guī)范及細則的要求，且其與水泥-粉煤灰漿液相比，經(jīng)濟性更高，可節(jié)約注漿材料費約為26.4%～40%，但注漿材料的改變需要對施工工藝進行一定的調(diào)整，因此灌注充填加固前應進行現(xiàn)場灌注試驗，進一步確定設(shè)計參數(shù)、處治效果、施工工法和施工設(shè)備。