地聚合物隧道注漿材料性能與應(yīng)用研究

任瑞，黎亦丹，徐方，王輝明，李婉文

[中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢 430074]

0 引言

在隧道建設(shè)中，常需要穿越地質(zhì)條件不良的砂層、土層，開挖前常采用注漿超前加固，隧道注漿材料的研究也隨之成為研究熱點(diǎn)。張林緒和劉順波[1]對(duì)超細(xì)水泥研制的塑性注漿料的物理力學(xué)性能及其流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了模型實(shí)驗(yàn)研究。郎佳川龍[2]介紹了膨潤(rùn)土注漿材料的性能及其在工程中的注漿施工工藝。鄧尤東等[3]探討了快硬硫鋁鹽水泥單液漿的性能和在富水隧道注漿施工中的應(yīng)用。遲建平[4]研究了超細(xì)水泥在青島地鐵隧道初期支護(hù)滲漏水治理?？偨Y(jié)起來，目前研究較廣的是超細(xì)水泥、水玻璃與水泥雙液注漿及膨潤(rùn)土等材料作為注漿材料，這些注漿材料在實(shí)際應(yīng)用中取得了較好效果，但一般造價(jià)較高，并且原材料資源有限。

20世紀(jì)70年代，一種被稱為地聚合物的膠凝材料被發(fā)現(xiàn)和研究[5]，地聚合物具有耐久性好、抗?jié)B性強(qiáng)、早強(qiáng)等特點(diǎn)[6-9]，其生產(chǎn)過程中CO2的排放極低，是一種綠色環(huán)保型材料[10]。賈屹海等[11-13]對(duì)粉煤灰為原材料的地聚合物材料的性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，地聚合物力學(xué)性能好，凝結(jié)時(shí)間短，可以通過調(diào)整配合比設(shè)計(jì)得到凝結(jié)時(shí)間從幾分鐘到幾小時(shí)不等的地聚合物材料。但對(duì)地聚合物作為隧道注漿材料的試驗(yàn)研究較少，并且對(duì)地聚合物的脆性較大問題也沒有得到有效解決。本文研究了纖維改性后的地聚合物注漿材料的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度和抗裂性能，并在成貴高速試驗(yàn)段中應(yīng)用效果良好，將對(duì)地聚合物注漿材料的試驗(yàn)和應(yīng)用具有借鑒意義。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與制備過程

粉煤灰：Ⅰ級(jí)低鈣粉煤灰，SiO2和Al2O3總含量約為80%；復(fù)合堿激發(fā)劑：由水玻璃和KOH復(fù)合而成，水玻璃模數(shù)為3.4，氫氧化鉀的純度高于95%；水泥：P·O42.5水泥；聚丙烯纖維；自來水

試驗(yàn)所用復(fù)合堿激發(fā)劑預(yù)先用水玻璃和氫氧化鉀調(diào)配好，水玻璃溶液中加入氫氧化鉀溶解，根據(jù)已有的初期試驗(yàn)和相關(guān)學(xué)者的研究，確定復(fù)合堿激發(fā)劑的模數(shù)為1.8。需要摻加聚丙烯纖維的試件，將聚丙烯纖維先加入到復(fù)合堿激發(fā)劑溶液中配制好，將配制好的溶液與水一起倒入到攪拌鍋中，然后緩慢加入粉煤灰和水泥的復(fù)合粉體。開動(dòng)攪拌鍋，攪拌時(shí)間遵循GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試方法》的要求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由于少量聚丙烯纖維的摻入是為改善地聚合物注漿材料的脆性，對(duì)工作性能和力學(xué)性能的影響較小。因此，試驗(yàn)分為2階段：第1階段，研究水泥取代粉煤灰率和水膠比對(duì)注漿材料性能的影響；第2階段，研究聚丙烯纖維摻量對(duì)注漿材料抗裂性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)和性能測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)和性能測(cè)試結(jié)果

2.1 水泥取代率與水膠比對(duì)地聚合物隧道注漿材料流動(dòng)度的影響

為研究水泥取代率和水膠比對(duì)地聚合物凈漿的流動(dòng)度影響，采取等值線作圖分析的方法，結(jié)果見圖1，圖中等值線上的數(shù)值為流動(dòng)度，單位為mm。

圖1 水泥取代率和水膠比對(duì)地聚合物流動(dòng)度的影響

由圖1可知，地聚合物凈漿的流動(dòng)度受水泥取代率和水膠比2個(gè)因素綜合影響，隨著水泥取代率的增加而減小，隨著水膠比的增加而增大。并且，當(dāng)水膠比大于0.3，水泥取代率大于16%時(shí)，流動(dòng)度等值線近水平偏向于水膠比，流動(dòng)度受水泥取代率的影響作用顯著減小。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，注漿初始流動(dòng)度應(yīng)大于230 mm，從等值線可直觀得到滿足規(guī)范要求流動(dòng)度的水泥取代率和水膠比取值范圍。

2.2 水泥取代率與水膠比對(duì)地聚合物隧道注漿材料終凝時(shí)間的影響

水泥取代率和水膠比對(duì)終凝時(shí)間的影響如圖2所示，圖中等值線上的數(shù)值為終凝時(shí)間，單位為min。

圖2 水泥取代率和水膠比對(duì)地聚合物終凝時(shí)間的影響

由圖2可知，終凝時(shí)間與水泥取代率成反比，與水膠比成正比。但是由圖2顯見，等值線接近水平，表明終凝時(shí)間主要受水泥取代率控制。實(shí)際施工應(yīng)用中，可考慮施工配制與運(yùn)輸時(shí)間，選取合適的水泥取代率和水膠比配制地聚合物凈漿，用于注漿加固。

2.3 水泥取代率與水膠比對(duì)地聚合物隧道注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響

圖3為地聚合物凈漿3 d抗壓強(qiáng)度受水泥取代率和水膠比影響的等值線，圖中等值線上的數(shù)值為3 d抗壓強(qiáng)度，單位為MPa。

圖3 水泥取代率和水膠比對(duì)地聚合物3 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可見，等值線大體呈拋物線型，3 d抗壓強(qiáng)度整體隨水膠比的增加而降低；但3 d抗壓強(qiáng)度隨水泥取代率的增加呈先提高后降低的趨勢(shì)，呈現(xiàn)以水膠比為縱坐標(biāo)的拋物線形式，在水泥取代率約為15%時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度取得最大值。

圖4為地聚合物凈漿7 d抗壓強(qiáng)度受水泥取代率和水膠比影響的等值線圖，圖中等值線上的數(shù)值為7 d抗壓強(qiáng)度，單位為MPa。

圖4 水泥取代率和水膠比對(duì)地聚合物7 d抗壓強(qiáng)度的影響

由圖4可見，7 d抗壓強(qiáng)度隨水泥取代率和水膠比的綜合影響規(guī)律與3 d抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律相似，都是隨水膠比的增大而降低，在水泥取代率約為15%時(shí)，7 d抗壓強(qiáng)度取得最大值。

2.4 第1階段性能試驗(yàn)結(jié)果綜合分析

由以上流動(dòng)度、終凝時(shí)間、3 d、7 d抗壓強(qiáng)度4項(xiàng)性能指標(biāo)受水泥取代率和水膠比的影響規(guī)律分析可知，水泥取代率為15%，對(duì)強(qiáng)度是最優(yōu)的配比選擇，可以通過調(diào)整水膠比來調(diào)整流動(dòng)度和終凝時(shí)間，達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用中的具體要求。

2.5 第2階段聚丙烯改性抗裂性能試驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，地聚合物凈漿易開裂，因此添加聚丙烯纖維進(jìn)行改善。以K5組為對(duì)照組，分別摻入0.5%和1.0%體積摻量聚丙烯纖維的K10組和K11組為試驗(yàn)組，進(jìn)行橢圓環(huán)試驗(yàn)，通過測(cè)試橢圓環(huán)試驗(yàn)初始開裂時(shí)間和裂縫情況來判別抗裂性能，橢圓環(huán)試驗(yàn)初始開裂時(shí)間與裂縫情況如表2所示。

表2 地聚合物初始開裂時(shí)間與裂縫情況

由表2可知，摻加0.5%、1.0%聚丙烯纖維的地聚合物凈漿的初裂時(shí)間分別是未摻聚丙烯纖維對(duì)照組的3.15倍、4.29倍。并且摻加聚丙烯纖維的地聚合物凈漿裂縫短小，僅有較淺、窄的細(xì)小裂縫，數(shù)量少，而對(duì)照組別裂縫自初裂后，裂縫沿初始裂縫展開，裂縫形態(tài)粗長(zhǎng)、寬且數(shù)量較多。由此可見，聚丙烯纖維能夠顯著改善地聚合物凈漿的抗裂能力，考慮到添加聚丙烯纖維會(huì)降低流動(dòng)度，過量的聚丙烯纖維也較易結(jié)團(tuán)，形成空鼓，因此，建議采用體積摻量為0.5%的聚丙烯纖維，不僅可顯著改善抗裂性，還可兼顧其它性能指標(biāo)不受影響。

3 在成貴高速公路應(yīng)用

地聚合物隧道注漿材料試驗(yàn)段位于四川宜賓縣內(nèi)，所在區(qū)域?yàn)榇霞t層丘陵地貌。山間發(fā)育著起伏較大的丘包、槽谷與沖溝。隧道地表土層主要為粉質(zhì)黏土和粗圓礫土。下伏基巖主要是白堊系下統(tǒng)窩頭山組泥質(zhì)砂巖夾泥巖。地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水，地下水對(duì)圬工結(jié)構(gòu)不具侵蝕性。

隧道開挖前采用超前小導(dǎo)管注漿的加固措施，超前支護(hù)參照V級(jí)圍巖加固設(shè)計(jì)。拱周內(nèi)設(shè)L=3.8 m，Ф42 mm×3.5 mm，插入角為12°，環(huán)向間距0.3 m的預(yù)注漿小導(dǎo)管。注入地聚合物漿液根據(jù)性能試驗(yàn)結(jié)果，配合比設(shè)計(jì)主要參數(shù)為：水泥取代率15%，水膠比0.28，聚丙烯纖維體積摻量0.5%。采用超前小導(dǎo)管注漿對(duì)掌子面前的圍巖進(jìn)行預(yù)加固，超前注漿加固現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)段隧道小導(dǎo)管注漿加固現(xiàn)場(chǎng)

為了判別地聚合物注漿效果，選取6個(gè)注漿孔中間鉆測(cè)試孔，通過檢測(cè)滲漏情況來判別注漿效果。經(jīng)測(cè)試，6個(gè)試驗(yàn)孔中沒有連續(xù)水流，僅見少量水滴，注漿效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）地聚合物凈漿的流動(dòng)度受水泥取代率和水膠比2個(gè)因素綜合影響，隨著水泥取代率的增大而減小，隨著水膠比的增大而增加。并且，當(dāng)水膠比大于0.3，水泥取代率大于16%時(shí)，流動(dòng)度等值線近水平偏向于水膠比，流動(dòng)度受水泥取代率的影響作用顯著減小。

（2）終凝時(shí)間與水泥取代率成反比，與水膠比成正比，等值線近水平，表明終凝時(shí)間主要受水泥取代率控制。

（3）水泥取代率取15%，對(duì)抗壓強(qiáng)度是最優(yōu)的配比選擇，可以通過調(diào)整水膠比來調(diào)整流動(dòng)度和終凝時(shí)間，達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用中的具體要求。

（4）聚丙烯纖維能夠顯著改善地聚合物凈漿的抗裂能力，采用體積摻量為0.5%的聚丙烯纖維不僅可改善抗裂性，還能夠兼顧其它性能指標(biāo)不受影響。

（5）聚丙烯纖維改性地聚合物用于成貴高速試驗(yàn)段隧道超前注漿加固中取得較好的應(yīng)用效果。

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