注漿體滲凝過程的電化學(xué)研究

胡江春， 管 毅， 李德威， 劉曉陽

(1.中原工學(xué)院 建筑工程學(xué)院, 河南 鄭州 450007； 2.碧桂園豫西南區(qū)域公司， 河南 許昌 461000)

土木工程的快速發(fā)展在很大程度上推動了巖土注漿技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。注漿技術(shù)常被應(yīng)用在鐵路隧道、地下建筑、邊坡加固、煤礦開采、公路工程等各種巖土工程中[1-2]。注漿技術(shù)可以顯著地提高被注地層的整體穩(wěn)定性和抗?jié)B性，在加固建筑地基和改善工程防水效果方面具有明顯優(yōu)勢[3-4]。由于注漿技術(shù)屬于隱蔽工程，無法直觀地看出注漿體滲凝效果，因此研究注漿效果的檢測方法十分重要。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者針對注漿效果檢測方法進(jìn)行了研究，提出了一些檢測注漿效果的方法，如現(xiàn)場試驗法和取樣試驗法[5]、CT掃描技術(shù)檢測法[6]、超聲波檢測法[7]等。這些研究主要集中在注漿體滲凝效果檢測方面，缺乏注漿體滲凝過程中的動態(tài)監(jiān)測研究。

本文采用電化學(xué)方法[8]對注漿過程進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，通過分析注漿體的滲凝情況和電化學(xué)參數(shù)來研究注漿體的滲凝規(guī)律。

1 試驗設(shè)計

采用自主設(shè)計的注漿體滲凝電化學(xué)測試系統(tǒng)(見圖1)，依次對土、細(xì)砂、粗砂3種試樣進(jìn)行室內(nèi)注漿模擬試驗和電化學(xué)測試試驗。試驗過程如下：

圖1 注漿體滲凝電化學(xué)測試系統(tǒng)示意圖

(1) 在定制的鍍鋅試驗桶(Φ30 cm×100 cm)中，按從下到上的順序依次放入10 cm厚碎石、5 cm厚細(xì)砂、75 cm厚土試樣、3 cm厚細(xì)砂、3 cm厚碎石。在滲透儀中裝入本次試驗的試樣。向加壓水箱注入適量的水。將預(yù)制的水灰比為5∶1的水泥漿加入密封加壓裝置。

(2) 打開閥門2，通過滲透儀計算出本次試驗中試樣的滲透系數(shù)。關(guān)閉閥門2，打開閥門1，利用水壓將密封加壓裝置里的水泥漿注入試驗桶。

(3) 將電化學(xué)工作站的擾動電壓設(shè)置為50 mV，測量頻率設(shè)置為105 ～ 0.05 Hz，通過電化學(xué)測試軟件實(shí)時記錄注漿體的電化學(xué)數(shù)據(jù)。當(dāng)漿液從上滲水龍頭流出時，關(guān)閉閥門1，停止注漿，記錄此時的注漿時間和注漿用量。

(4) 試驗持續(xù)8 h。本次試驗結(jié)束后，清理試驗裝置并更換試驗試樣，按照相同試驗步驟分別進(jìn)行其余兩次試驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 注漿體滲凝過程的總阻抗變化

選取3種試樣在低頻段(0.4 ～ 0.05 Hz)、中頻段(100 ～ 10 Hz)、高頻段(100 000 ～ 10 000 Hz)的總阻抗值，作總阻抗均值圖，如圖2-圖4所示。

圖2 土試樣在低、中、高頻段下總阻抗均值圖

圖3 細(xì)砂試樣在低、中、高頻段下總阻抗均值圖

圖4 粗砂試樣在低、中、高頻段下總阻抗均值圖

從圖2-圖4可以看出，3種試樣的總阻抗均值在注漿開始至注漿結(jié)束階段的變化最大，整體都表現(xiàn)為快速減小的趨勢；注漿開始后8 h，土和細(xì)砂試樣的總阻抗均值小于最初值，而粗砂試樣的總阻抗均值超過了注漿前的總阻抗均值；注漿結(jié)束至注漿開始后8 h，3種試樣的總阻抗均值都開始緩慢增大。結(jié)合水泥漿的凝結(jié)規(guī)律可知：試樣總阻抗均值與水泥漿液內(nèi)含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。對比3種試樣的高、中、低頻段總阻抗均值曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著檢測頻率的降低，同一試樣的總阻抗均值顯著增大，變化幅度也更大。由巖土電化學(xué)電阻抗特征可知：低頻區(qū)的阻抗曲線可以反映巖土擴(kuò)散特征，包括電極附近反應(yīng)物濃度的變化情況[9]。結(jié)合試樣低頻段總阻抗均值曲線可以發(fā)現(xiàn)，漿液濃度與試樣低頻段總阻抗均值成正相關(guān)關(guān)系，即試樣的總阻抗均值越大，漿液的凝結(jié)效果越好?？梢?，低頻段總阻抗均值隨時間的變化更能反映漿液滲凝的時間特性。

2.2 注漿體滲凝過程的電化學(xué)阻抗譜分析

選取3種試樣在100 000 ～ 0.05 Hz內(nèi)的阻抗實(shí)部值和阻抗虛部值，作Nyquist圖，如圖5-圖7所示。

圖5 土試樣滲凝過程的Nyquist圖

圖6 細(xì)砂試樣滲凝過程的Nyquist圖

圖7 粗砂試樣滲凝過程的Nyquist圖

對比試驗中測得的3種試樣的滲透系數(shù)以及它們在注漿開始與注漿開始后8 h的兩條Nyquist圖曲線可知：滲透系數(shù)最大的試樣其Nyquist曲線曲率變化最大；3種試樣的滲透系數(shù)大小和Nyquist曲線曲率均為土試樣<細(xì)砂試樣<粗砂試樣。從圖5-圖7可以看出：3種試樣的Nyquist曲線在注漿結(jié)束時和結(jié)束后都比注漿開始時變得更加平緩，曲率都呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢。因此，注漿體的滲凝過程可以用其Nyquist圖曲線曲率隨時間的變化進(jìn)行表征。

2.3 注漿體滲凝過程的電化學(xué)阻抗譜高頻弧分析

圖5-圖7中，A區(qū)為3種試樣Nyquist圖高頻區(qū)，其頻率為100 000～10 000 Hz。由巖土電化學(xué)電阻抗特征可知：高頻弧的特征參數(shù)可反映巖石的體積特征，包括巖土體內(nèi)部的空隙深度、連通程度等阻抗特征[9]。GU等認(rèn)為，高頻段的特征值包含材料孔徑的分布特征[10]。PERRON發(fā)現(xiàn)，高頻段的R1-R2值包含材料微觀孔隙結(jié)構(gòu)的重要信息[11]。因為本文研究的是巖土體注漿滲凝規(guī)律，所以需要考慮被注介質(zhì)的表面特征。以土試樣為例，將其Nyquist圖(圖5)中A區(qū)進(jìn)行局部放大處理，可得到土試樣注漿開始時的Nyquist圖高頻弧(如圖8所示)，其中1區(qū)是頻率為82 520～38 330 Hz的最高頻區(qū)、2區(qū)是31 640～12 110 Hz的高頻區(qū)，R1-R2為Nyquist圖高頻弧2區(qū)里起點(diǎn)和終點(diǎn)在阻抗實(shí)部軸上投影所得到的線段長度。將3種試樣在注漿開始、注漿結(jié)束、注漿開始后45 min和注漿開始后8 h的R1-R2值匯總，可得出高頻弧段R1-R2折線圖，如圖9所示。

圖8 土試樣注漿開始的Nyquist圖高頻弧

圖9 高頻弧段R1-R2折線圖

將圖9分別與圖2、圖3、圖4進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)：隨著注漿的進(jìn)行，3種試樣低頻段總阻抗均值曲線與對應(yīng)的高頻弧段R1-R2折線的形狀、斜率、起止點(diǎn)等圖形特征高度相似，R1-R2值的變化能簡明地反映試樣滲凝過程的時間特性。

3 結(jié)論

本文對滲透系數(shù)不同的土、細(xì)砂、粗砂試樣進(jìn)行室內(nèi)模擬注漿試驗和電化學(xué)測試，通過分析試樣在注漿滲凝過程中總阻抗均值的變化和注漿體Nyquist圖高頻弧段的特征參數(shù)，研究了注漿體的滲凝規(guī)律，得出結(jié)論如下：

(1) 試樣總阻抗均值的變化可以表征注漿體滲凝的時間特性。

(2) 試樣電化學(xué)阻抗譜特征參數(shù)可以反映注漿體的滲凝過程。

(3) 被注介質(zhì)的滲透率與其Nyquist圖曲線曲率呈正相關(guān)關(guān)系；試樣電化學(xué)阻抗譜高頻弧段R1-R2值的變化能更好地反映注漿體滲凝的時間特性。