地下水封洞庫(kù)水泥-水玻璃防滲灌漿材料耐久性試驗(yàn)研究

，，

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 武漢長(zhǎng)江科創(chuàng)科技發(fā)展有限公司，武漢 430010； 2.中鐵十三局集團(tuán)有限公司，天津 300300)

1 研究背景

水玻璃是一種兼具可灌性好、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、綠色環(huán)保、易施工、經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良等特點(diǎn)的傳統(tǒng)的優(yōu)質(zhì)化學(xué)灌漿材料。對(duì)于地下水封洞庫(kù)工程，需常態(tài)控制來(lái)自于洞庫(kù)埋置深度內(nèi)穩(wěn)定的地下裂隙水產(chǎn)生的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)壓力，以保證洞庫(kù)內(nèi)涌水形成的地下水漏斗降深達(dá)到最小，同時(shí)針對(duì)復(fù)雜圍巖、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警條件下的突發(fā)注漿封堵，水玻璃灌漿材料可發(fā)揮其工期短、見(jiàn)效快，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)的動(dòng)態(tài)控制特點(diǎn)，固結(jié)處理效果較好。而灌漿后結(jié)石體的穩(wěn)定性和耐久性同樣是延長(zhǎng)地下水封洞庫(kù)工程綜合服役壽命的一個(gè)重要因素[1-3]。復(fù)雜的地質(zhì)條件下，動(dòng)態(tài)饋控灌漿帷幕防滲效果則在很大程度上取決于灌漿材料的耐久性。因此，充填和滲透在巖層裂隙中漿液結(jié)石體的壽命性態(tài)對(duì)于地下工程結(jié)構(gòu)能否長(zhǎng)期安全運(yùn)行起著重要作用[4]。

灌漿結(jié)石體的耐久性試驗(yàn)及評(píng)估研究目前我國(guó)進(jìn)行的較少。而近年來(lái)大量灌漿工程需要結(jié)構(gòu)參數(shù)穩(wěn)定多年后再進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，面對(duì)復(fù)雜嚴(yán)苛的工程服役環(huán)境，建筑物基礎(chǔ)圍巖的加固處理，大深度、多維度地下洞室開(kāi)挖等工程對(duì)灌漿材料的耐久性匹配提出了更高的要求[2]。本文以湛江國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)工程為依托，在工程前期研究滲透注漿資料和現(xiàn)場(chǎng)勘察的基礎(chǔ)上，結(jié)合原材料、水泥水玻璃配方優(yōu)選試驗(yàn)研究以及水泥水玻璃固結(jié)體耐久性室內(nèi)試驗(yàn)研究等探求地下水封洞庫(kù)工程防滲水泥-水玻璃灌漿材料品質(zhì)控制要求和綜合耐久性影響因素，為類似工程水泥-水玻璃灌漿材料質(zhì)量控制提供參考。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)用原材料

2.1.1 水 泥

灌漿時(shí)，應(yīng)根據(jù)灌漿的目的和環(huán)境水的腐蝕性等因素，選擇符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)規(guī)定的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。實(shí)施灌漿時(shí)，宜優(yōu)先采用上述兩品種的水泥配制，因?yàn)樗Ａc其反應(yīng)的活性較好。在充填灌漿時(shí)，對(duì)活性和強(qiáng)度要求不是很高時(shí)，可采用其他類型水泥，但應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究與工程試用并應(yīng)符合相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求[5]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，本次試驗(yàn)選用P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

2.1.2 水玻璃

水玻璃模數(shù)表示其所含二氧化硅與氧化鈉摩爾數(shù)的比值，其數(shù)值大小對(duì)固結(jié)體質(zhì)量影響較大。模數(shù)高時(shí)，二氧化硅含量高，固結(jié)體強(qiáng)度增大，漿液膠凝時(shí)間減?。荒?shù)小時(shí)，二氧化硅含量低，固結(jié)體強(qiáng)度低?？偨Y(jié)大量試驗(yàn)和實(shí)際工程所用的水玻璃模數(shù)，本試驗(yàn)使用的水玻璃應(yīng)該符合《工業(yè)硅酸鈉》(GB/T 4209—2008)的要求，模數(shù)在2.2～3.4之間，以適應(yīng)不同工況的需要[5-6]。

水玻璃溶液濃度用“波美度”表示，濃度的大小對(duì)固結(jié)體性能有一定的影響。濃度低，固結(jié)體強(qiáng)度低；濃度過(guò)高，黏度增大，不具有可灌性。根據(jù)試驗(yàn)情況，并結(jié)合工程施工的可行性和經(jīng)濟(jì)適用的要求，本次試驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況采用水玻璃濃度為3045波美度。但后期若在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)檢驗(yàn)其效果后決定具體數(shù)值并根據(jù)需要稀釋后使用。

2.2 試驗(yàn)方案

對(duì)于水泥-水玻璃灌漿材料，根據(jù)灌漿工程的需要可以分為加固和堵水2個(gè)方面。對(duì)于防滲堵漏，特別是水壓較大，水流速度較快或充填巖土的大空隙，要求漿液的凝結(jié)時(shí)間短且具有一定的抗壓強(qiáng)度；對(duì)于補(bǔ)強(qiáng)加固，則要求固結(jié)體具有足夠的抗壓強(qiáng)度。鑒于湛江國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)工程的重要性，擬用的水泥-水玻璃灌漿材料應(yīng)滿足補(bǔ)強(qiáng)加固的要求，同時(shí)也應(yīng)考慮耐久性指標(biāo)。固結(jié)體的耐久性是指漿液灌入后的補(bǔ)強(qiáng)加固效果的持久性。在地下水的物理、化學(xué)作用下，漿液固結(jié)體的一些組份會(huì)發(fā)生老化、溶出等現(xiàn)象，這會(huì)使固結(jié)體性能降低或喪失。另外當(dāng)固結(jié)體所處的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，如開(kāi)挖暴露、地下水升降等，都會(huì)使固結(jié)體發(fā)生崩解風(fēng)化[7]。為科學(xué)判定水泥-水玻璃灌漿材料耐久性能，本次試驗(yàn)研究試圖建立材料耐久性試驗(yàn)方法和控制標(biāo)準(zhǔn)。在參考大量其他材料試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行耐久性試驗(yàn)，通過(guò)抗硫酸鹽侵蝕、抗凍性能及干燥收縮性能3項(xiàng)性能試驗(yàn)來(lái)綜合判定耐久性。

2.2.1 抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)

抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)參考《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》(GB/T 749—2008)進(jìn)行；試件采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸(40 mm×40 mm×160 mm)，試件成型養(yǎng)護(hù)(24±2)h后拆模。試件脫模后放入50 ℃溫?zé)狃B(yǎng)護(hù)箱中，在(50±1)℃水的容器中養(yǎng)護(hù)7 d取出[8]。1組放入20 ℃養(yǎng)護(hù)箱中，在(20±1)℃水的容器中繼續(xù)養(yǎng)護(hù);另1組在硫酸鹽侵蝕溶液的容器中浸泡，置于20 ℃養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù)。試件在容器中浸泡時(shí)，侵蝕試驗(yàn)浸泡試件液面至少高出試件頂面10 mm[9]。為避免蒸發(fā)，容器密封加蓋。受侵蝕試件浸泡過(guò)程中，每天用硫酸水(1體積硫酸∶5體積水)滴定硫酸鹽侵蝕溶液，以中和試件在浸泡過(guò)程中釋放的堿。2組試件養(yǎng)護(hù)28 d后取出，用軟布吸去表面可見(jiàn)的自由水。測(cè)定其抗折強(qiáng)度，計(jì)算抗折強(qiáng)度損失率[10]。

2.2.2 抗凍性能試驗(yàn)

抗凍性能參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)中第11章“抗凍性能試驗(yàn)”進(jìn)行；試體制備與養(yǎng)護(hù)按JGJ/T 70—2009中9.0.1—9.0.2節(jié)進(jìn)行，試件養(yǎng)護(hù)至28 d，將試件取出，用軟布吸去表面可見(jiàn)的自由水；設(shè)置溫度冷凍箱溫度將至-15 ℃，將1組3個(gè)試件置于其中，開(kāi)始凍結(jié)試驗(yàn)，時(shí)長(zhǎng)為4 h，每個(gè)試件周圍留有至少20 mm空隙；凍結(jié)試驗(yàn)結(jié)束后，立即將試件放入15～20 ℃的水槽中進(jìn)行融化，融化時(shí)間≥4 h。槽中試件表面的液面高度≥20mm，融化完畢后即1次凍融循環(huán)結(jié)束，重復(fù)以上操作進(jìn)行后續(xù)凍融循環(huán)過(guò)程。每5次循環(huán)結(jié)束后應(yīng)進(jìn)行一次外觀檢查，觀察有無(wú)明顯分層裂開(kāi)、貫通縫等。若有2塊試件出現(xiàn)上述劣化情況，凍融試驗(yàn)應(yīng)終止。凍融試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)定其強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率。并與另一組3個(gè)在水中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)同齡期的試件的質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度對(duì)比，計(jì)算其質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率[11]。

2.2.3 干燥收縮性能

干燥收縮性能參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)中第12章“收縮試驗(yàn)方法”進(jìn)行，試件尺寸為標(biāo)準(zhǔn)砂漿試件尺寸，成型養(yǎng)護(hù)7 d后拆模，測(cè)定初長(zhǎng)[11]。測(cè)定初始長(zhǎng)度后，測(cè)定7，14，28，56 d齡期的干濕循環(huán)收縮值，以觀察養(yǎng)護(hù)條件的變化對(duì)其耐久性的影響。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)選擇2種不同波美度的水玻璃樣本；設(shè)定6個(gè)水灰比分別為：0.50，0.75，1.00，1.25，1.50，2.00；其6個(gè)水泥漿液與水玻璃體積比分別為1∶0.10，1∶0.50，1∶0.75，1∶ 1.00，1∶1.25，1∶1.50，共計(jì)制備72組配合比對(duì)比樣本。通過(guò)對(duì)比72組灌漿材料漿液物理性能和可灌性，針對(duì)不同耐久性參數(shù)篩選出部分性能較優(yōu)的灌漿材料配合比進(jìn)行綜合耐久性試驗(yàn)研究[12-13]。72組水泥-水玻璃灌漿材料配合比和漿液物理性能見(jiàn)表1。

3.1 抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)結(jié)果

在72組配合比中篩選較優(yōu)配合比成型試件進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，不同配比28 d抗折強(qiáng)度損失率見(jiàn)圖1(a)。試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥-水玻璃灌漿材料受多因素影響，離散性較大，水泥及水玻璃品種、水灰比、水泥與水玻璃體積比等都將影響材料抗硫酸鹽侵蝕性能，但通過(guò)大量樣本試驗(yàn)可以得到其抗折強(qiáng)度損失率基本處于50%～(-50%)之間;從散點(diǎn)圖分布規(guī)律看，大多數(shù)水泥水玻璃受侵蝕樣本抗折強(qiáng)度損失率較低，說(shuō)明水泥水玻璃灌漿材料受硫酸鹽侵蝕敏感性較低，在少數(shù)極端配比條件下出現(xiàn)超強(qiáng)或超低強(qiáng)情況，可通過(guò)工程特定材料試配試驗(yàn)確定。

表1 72組水泥-水玻璃灌漿材料配合比和漿液物理性能Table 1 Mix proportions and physical properties of 72 groups of cement-sodium silicate grouting material

圖1 不同配合比水泥-水玻璃灌漿材料28 d抗折強(qiáng)度損失率Fig.1 Loss rate of rupture strength of cement-sodium silicate grouting material of different mix proportions at the 28th day

根據(jù)地下洞封油庫(kù)工程特點(diǎn)，將上述配合比中固結(jié)體28 d抗壓強(qiáng)度≥20 MPa作為優(yōu)選指標(biāo)，優(yōu)選后的配合比成型試件再次進(jìn)行抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)，28 d抗折強(qiáng)度損失率見(jiàn)圖1(b)。試驗(yàn)結(jié)果表明：工程采用的水泥-水玻璃灌漿材料，可以根據(jù)抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)抗折強(qiáng)度損失率40%為上限控制。

3.2 抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)篩選較優(yōu)配合比成型試件進(jìn)行抗凍性能試驗(yàn)，抗凍融5次28 d抗壓強(qiáng)度損失率見(jiàn)圖2(a)，質(zhì)量損失率見(jiàn)圖2(b)。試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)選配合比5次凍融試驗(yàn)強(qiáng)度損失率<25%，質(zhì)量損失率<3.0%，地下水封洞庫(kù)工程水泥-水玻璃灌漿材料凍融指標(biāo)可參照此標(biāo)準(zhǔn)控制。

圖2 優(yōu)選后配合比凍融試驗(yàn)28 d抗壓強(qiáng)度及質(zhì)量損失率Fig.2 Loss rate of compressive strength and mass of cement-sodium silicate grouting material with optimized mix proportion at the 28th day

圖3 不同齡期干燥收縮率Fig.3 Drying shrinkage rate at different ages

3.3 干燥收縮性能試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)篩選較優(yōu)配合比優(yōu)選配合比成型試件進(jìn)行干燥收縮性能試驗(yàn)，7，14，21，28，56 d齡期的自然干燥收縮值見(jiàn)圖3。地下水封洞庫(kù)工程多數(shù)灌漿固結(jié)體處于水封條件下，控制水泥-水玻璃灌漿材料自收縮變形度，對(duì)于固結(jié)體本身設(shè)置干燥條件下收縮率控制指標(biāo)有一定的參考價(jià)值，而對(duì)于地下水封洞庫(kù)工程可適當(dāng)放寬指標(biāo)要求。試驗(yàn)結(jié)果表明：18個(gè)優(yōu)選配比56 d干燥收縮值均<7%，可綜合考慮設(shè)立針對(duì)不同灌漿部位的固結(jié)體干燥收縮控制指標(biāo)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)試配大量不同配合比的水泥-水玻璃灌漿材料樣本，通過(guò)抗硫酸鹽侵蝕、抗凍性能、干燥收縮性能等材料耐久性試驗(yàn)，針對(duì)湛江國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)工程特點(diǎn)，提出符合工程耐久性質(zhì)量要求的相關(guān)控制指標(biāo)，力求對(duì)地下洞封油庫(kù)工程防滲體工程質(zhì)量控制提供依據(jù)[14]。

由于湛江國(guó)家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫(kù)工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，各種灌漿漿液性質(zhì)各異，在灌漿過(guò)程中時(shí)刻存在著漿液內(nèi)部的物理化學(xué)變化以及漿液與周圍環(huán)境的相互作用[15]。本文在一定程度上只是對(duì)試驗(yàn)室灌漿固結(jié)體耐久性進(jìn)行了初步研究，由于地下水封洞庫(kù)工程技術(shù)要求高，施工難度大、建設(shè)周期長(zhǎng)，本文所涉及的水泥-水玻璃灌漿材料耐久性研究只是整個(gè)工程中很小的一部分，雖然對(duì)工程有一定的指導(dǎo)作用，但是對(duì)灌漿材料耐久性綜合影響因素和劣化機(jī)理仍需進(jìn)一步研究。