介子摻合料改性注漿材料增強(qiáng)隧道防水效果及機(jī)理研究

李冠鵬，翟聚云，羅從雙，李愛增

（河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036）

0 引言

滲漏水是威脅隧道壽命和安全的常見病害來源，長時(shí)間滲漏水會(huì)腐蝕混凝土內(nèi)的鋼筋，從而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，最終影響隧道整體的安全穩(wěn)定[1-2]。注漿加固是處理隧道滲漏水的常用方法。但實(shí)際工程中由于注漿材料或現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜等原因，注漿效果往往不盡人意，經(jīng)常出現(xiàn)再滲漏等現(xiàn)象[3-4]。以普通硅酸鹽水泥（OPC）為基礎(chǔ)的注漿材料廣泛用于處理隧道滲漏[5-6]，但是OPC存在顆粒較大等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其無法密封隧道圍巖中的微裂紋[7]。因此，對(duì)于改進(jìn)和研發(fā)新的注漿材料一直是研究的熱點(diǎn)，化學(xué)注漿材料如聚氨酯和環(huán)氧樹脂等，由于其粒徑較小，滲透性高，因此在封堵微裂縫方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)[8-9]。但是，大多數(shù)化學(xué)注漿材料又存在價(jià)格昂貴和對(duì)環(huán)境及人類健康有害等缺點(diǎn)[10-11]。因此，研發(fā)一種新型注漿材料，使其集合上述材料的優(yōu)點(diǎn)，又能彌補(bǔ)其缺點(diǎn)，成為了最近研究的焦點(diǎn)。

水泥基毛細(xì)管結(jié)晶防水（CCCW）材料是由硅酸鹽水泥、活性硅和一定量的特殊活性化學(xué)物質(zhì)混合而成的一種無機(jī)防水材料，CCCW材料具有優(yōu)良的防水性、抗?jié)B性、成本低和綠色無污染等優(yōu)勢(shì)[12-13]。目前關(guān)于CCCW材料的應(yīng)用研究主要是其對(duì)混凝土性能的優(yōu)化，結(jié)果表明，其能顯著提高混凝土的力學(xué)性能以及改進(jìn)混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[14-16]。盡管CCCW材料在混凝土施工中得到了廣泛的應(yīng)用，但其在注漿材料中的應(yīng)用還十分少見[17]，并且CCCW材料對(duì)混凝土性能的增強(qiáng)機(jī)理研究尚不充分。介子摻合料（PA）是CCCW材料的一種，其反應(yīng)產(chǎn)物具有膨脹性，能有效堵塞孔隙和裂縫，這是區(qū)別于其他CCCW材料最主要的優(yōu)勢(shì)[18]。

本研究通過將PA添加到水泥漿液中制作改性水泥注漿材料，研究改性注漿材料的物理力學(xué)性能。探索其在隧道防水中的效果及其改性機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 物理性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》，采用Vicat儀測(cè)試不同濃度PA（0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%）水泥漿液的凝結(jié)時(shí)間，初凝時(shí)間定義為探測(cè)針頭侵入到裝有漿液的杯底（4±1）mm時(shí)停止的時(shí)間；終凝時(shí)間定義為將新鮮漿液注入模具后到探測(cè)針頭侵入固化后的漿體0.5 mm深度時(shí)停止的時(shí)間。采用NDJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)試不同濃度PA的水泥漿液黏度。將60 ml不同濃度PA的水泥漿液注入100 ml的量筒中，24 h后記錄每個(gè)量筒內(nèi)固體的凝固量，將其與60 ml的比值定義為凝結(jié)率，如圖1所示。上述所有試驗(yàn)均需要測(cè)試3組試樣，結(jié)果取平均值。

圖1 水泥漿液凝結(jié)率測(cè)試

利用自行設(shè)計(jì)的滲透試驗(yàn)裝置對(duì)不同濃度PA的水泥-碎石混凝土進(jìn)行了滲透試驗(yàn)，試樣尺寸為Φ150 mm×150 mm，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。測(cè)試裝置如圖2所示。試驗(yàn)過程如下：（1）在儀器底部放置1塊透水石，隨后放進(jìn)樣品；（2）在樣品上方再放置多孔石；（3）將液體石蠟注入到桶四周，填充樣品與儀器的瓶壁之間間隙，防止水從瓶壁滲漏；（4）將橡膠軸承和頭蓋安裝密封；（5）打開進(jìn)、出口閥門，讓水滲入樣品，仔細(xì)監(jiān)測(cè)壓力表記錄的水壓讀數(shù)，當(dāng)壓力讀數(shù)和水流量穩(wěn)定后，測(cè)量特定時(shí)間段內(nèi)的水量。不同濃度樣品設(shè)置3組試樣進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果取平均值。

圖2 滲透測(cè)試裝置

1.2 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對(duì)不同濃度PA的水泥漿液和水泥-碎石混凝土試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）試驗(yàn)[18]，水泥漿液混凝土和水泥-碎石混凝土試樣尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm。所有試樣均在溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度超過95%的標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，測(cè)試不同齡期下試樣的強(qiáng)度；考慮到封堵隧道滲漏時(shí)漿液會(huì)在水中長期浸泡，因此對(duì)浸水一定時(shí)間的水泥-碎石混凝土試樣進(jìn)行了UCS試驗(yàn)。所有試驗(yàn)均需要測(cè)試3組試樣，結(jié)果取平均值。

1.3 微觀測(cè)試

將不同濃度PA的水泥-碎石混凝土試樣浸泡在水中養(yǎng)護(hù)，對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期下的試樣進(jìn)行CT掃描，觀測(cè)PA濃度和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)試樣孔隙率的影響，通過VG Studio MAX軟件對(duì)CT掃描結(jié)果進(jìn)行分析。

將不同濃度PA的水泥漿液試樣浸泡在水中養(yǎng)護(hù)28 d后，取小塊樣品進(jìn)行烘干處理，通過日立TM-1000臺(tái)式掃描電子顯微鏡分析其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水泥漿液凝結(jié)時(shí)間與黏度

不同濃度PA水泥漿液的凝結(jié)時(shí)間和黏度分別如圖3、圖4所示。

圖3 不同濃度PA水泥漿液的凝結(jié)時(shí)間

圖4 不同濃度PA水泥漿液的黏度

由圖3、圖4可以看出，隨著PA濃度的增大，凝結(jié)時(shí)間和黏度幾乎沒有變化，說明PA濃度對(duì)水泥漿液的凝結(jié)時(shí)間和黏度幾乎沒有影響。

2.2 不同濃度PA對(duì)水泥漿液凝結(jié)率的影響（見表1）

表1 不同濃度PA對(duì)水泥漿液凝結(jié)率的影響

由表1可看出，隨著PA濃度的增加，水泥漿液的凝結(jié)率逐漸增大，且在濃度為0.6%~0.9%時(shí)出現(xiàn)突增的現(xiàn)象，當(dāng)PA濃度達(dá)到1.5%以后，隨著PA濃度的增加，水泥漿液的凝結(jié)率上升速率緩慢，當(dāng)PA濃度為1.8%時(shí)，凝結(jié)率高達(dá)98.7%，相比于未加入PA的純水泥漿液增大了27.2個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)镻A中含有硅酸鹽水泥、細(xì)石英砂和多種活性物質(zhì)，硅酸鹽水泥在凝固過程中發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，同時(shí)，PA中的多種活性物質(zhì)還對(duì)水化反應(yīng)有著促進(jìn)作用，因此可以消耗更多的水，提高漿液的凝結(jié)率。這說明在實(shí)際應(yīng)用中，通過添加PA可以提高混凝土的凝結(jié)率，大大減少灌漿的注入量，從而降低成本。

2.3 不同濃度PA對(duì)水泥-碎石混凝土試樣滲透率的影響（見表2）

表2 不同濃度對(duì)PA水泥-碎石混凝土滲透率的影響

由表2可以看出，隨著PA濃度的增加，水泥-碎石混凝土試樣的滲透率逐漸降低，與未加入PA的傳統(tǒng)水泥-碎石混凝土相比，當(dāng)PA濃度為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%時(shí)，滲透率分別下降了39.26%、55.66%、70.31%、82.23%、91.99%和93.95%。產(chǎn)生上述情況的原因是，將含PA的水泥漿液注入砂礫中，與活性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)的晶體和水化產(chǎn)物凝固形成混凝土，在漿液的固化過程中部分未反應(yīng)的活性物質(zhì)由于滲透壓力、毛細(xì)管孔隙壓力和濃度差異等原因會(huì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部孔隙中，發(fā)生自縮聚和結(jié)晶等反應(yīng)形成晶體，堵塞毛細(xì)管孔隙。其中一種活性物質(zhì)是Ca（O—R—H）2，其親水性基團(tuán)（—OH）的數(shù)量大于疏水性基團(tuán)（—R），因此反應(yīng)前期能吸收大量水分縮聚形成[—（OR）2n—]晶體，達(dá)到堵塞孔隙的作用。其他類型的活性物質(zhì)為結(jié)晶反應(yīng)物，可與孔隙溶液中的Ca2+、Ca（OH）2和Al（OH）3反應(yīng)生成碳酸鹽、硅酸鹽和鈣礬石，充填堵塞孔隙，減少水的通道，從而降低注漿介質(zhì)的滲透性，這一特性使注漿材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用更加廣泛。

2.4 不同濃度PA對(duì)水泥漿液和水泥-碎石混凝土試樣抗壓強(qiáng)度的影響（見圖5）

圖5 不同濃度PA對(duì)水泥漿液和水泥-碎石混凝土強(qiáng)度的影響

由圖5可以看出，水泥-碎石混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度普遍高于同齡期水泥漿液的抗壓強(qiáng)度，且兩者的抗壓強(qiáng)度均隨PA濃度的增加而提高，當(dāng)PA濃度從0增加到0.9%時(shí)，試樣的強(qiáng)度略有提高，當(dāng)PA濃度從0.9%增加到1.5%時(shí)，強(qiáng)度提高較為明顯，當(dāng)PA濃度大于1.5%時(shí)，2種試樣的強(qiáng)度幾乎沒有變化。當(dāng)PA濃度大于1.5%時(shí)，生成的結(jié)晶物質(zhì)已經(jīng)足夠填充混凝土內(nèi)部的孔隙，因此，強(qiáng)度表現(xiàn)出穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6為標(biāo)準(zhǔn)和浸水養(yǎng)護(hù)條件下不同齡期水泥-碎石混凝土試件的UCS測(cè)試結(jié)果，PA濃度分別為0和1.5%。

圖6 不同養(yǎng)護(hù)條件下PA對(duì)水泥-碎石混凝土強(qiáng)度的影響

由圖6可以看出，無論是否摻加PA，浸水養(yǎng)護(hù)條件下試樣的抗壓強(qiáng)度都低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，說明在浸水條件下，未水化部分物質(zhì)與活性物質(zhì)的反應(yīng)速度減慢，從而導(dǎo)致試樣的力學(xué)性能降低。同時(shí)，在浸水條件下，各齡期摻加PA的試樣抗壓強(qiáng)度均高于未摻加PA的試樣，在浸水條件下試樣的強(qiáng)度滿足GB 50728—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料安全性鑒定技術(shù)規(guī)范》要求，說明在浸水條件下?lián)郊覲A能滿足工程要求。

3 微觀測(cè)試結(jié)果及機(jī)理分析

3.1 CT掃描結(jié)果分析

通過CT掃描PA濃度分別為0、1.5%的水泥-碎石混凝土試樣，分析其孔隙分布和孔隙率，試樣浸水養(yǎng)護(hù)7 d后的截面如圖7所示。計(jì)算得到的孔隙率如圖8所示。

圖7 不同濃度PA水泥-碎石混凝土CT掃描結(jié)果

圖8 試樣孔隙率與PA濃度關(guān)系

由圖7可以看出：（1）PA濃度1.5%的試樣斷面變得更加光滑，成型效果更好，這說明PA可以提高灌漿介質(zhì)中的凝結(jié)率。（2）PA濃度1.5%的試樣中孔隙數(shù)量和尺寸明顯減少，說明PA能更有效地填充水泥-碎石混凝土中的孔隙，使試樣更加致密。

由圖8可以看出，隨著PA濃度和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，試樣的孔隙率逐漸減小，當(dāng)PA濃度在0.9%~1.2%時(shí)，孔隙率顯著降低，當(dāng)PA濃度超過1.5%時(shí)，試樣的孔隙率趨于穩(wěn)定，當(dāng)PA濃度為1.8%時(shí)，齡期為7 d和28 d的試樣孔隙率分別比未添加PA的試樣降低了21.8%和25.5%。

3.2 掃描電鏡結(jié)果分析

PA濃度分別為0、1.5%的水泥漿液試樣的SEM照片見圖9。

圖9 不同PA濃度水泥漿液試樣的SEM照片

由圖9可以看出，PA濃度為0的水泥漿液試樣具有松散填充結(jié)構(gòu)和蜂窩麻坑，在放大500倍的掃描圖像中甚至還可以發(fā)現(xiàn)幾個(gè)氣孔。PA濃度1.5%的試樣中孔隙體積減小甚至消失，結(jié)構(gòu)表面變得更加光滑，說明PA能更有效地填充試樣中的孔隙，使試樣更加致密，與CT掃描結(jié)果和滲透率等測(cè)試結(jié)果相吻合。

為了更加仔細(xì)觀察PA改性水泥漿液的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)PA濃度1.5%的試樣微觀結(jié)構(gòu)擴(kuò)展放大至6000倍，得到更加細(xì)致的微觀結(jié)構(gòu)，如圖10所示。

圖10 PA濃度為1.5%的水泥漿液試樣SEM照片（×6000）

由圖10可以看出，樣品的結(jié)構(gòu)中存在大量針柱狀晶體，可以有效地堵塞內(nèi)部孔隙。上述結(jié)果證明了PA在水泥漿液中存在結(jié)晶體，結(jié)晶體可以填充樣品中的孔隙，使其結(jié)構(gòu)更加致密，這也是PA能提高水泥漿液的固結(jié)速率、抗壓強(qiáng)度，顯著降低水泥漿液滲透性的根本原因。

4 結(jié)論

（1）PA作為水泥漿液的添加劑對(duì)漿液的黏度和凝結(jié)時(shí)間幾乎沒有影響，但當(dāng)PA濃度為1.8%時(shí)，水泥漿液的凝結(jié)率顯著提高，達(dá)到98.7%。

（2）PA作為水泥漿液的添加劑，可以提高漿液的抗壓強(qiáng)度，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，PA濃度為1.8%的水泥漿液抗壓強(qiáng)度較標(biāo)準(zhǔn)水泥漿液強(qiáng)度可提高約10%；相同條件下，浸水養(yǎng)護(hù)試樣比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣強(qiáng)度略有降低；總體來說，PA能提高漿液在濕潤或者浸水等條件下的抗壓強(qiáng)度。

（3）PA能顯著降低水泥漿液的滲透性，當(dāng)PA濃度為1.8%時(shí)，水泥漿液的滲透率為0.31×10-7m/s，比未加入PA的漿液低了93.2%。

（4）CT和SEM電鏡掃描結(jié)果表明：硅酸鹽與PA中所含活性物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成水化產(chǎn)物和晶體，達(dá)到填充漿液中孔隙的效果，使其更加致密和光滑，從而導(dǎo)致水泥漿液滲透性降低，強(qiáng)度提高。

（5）PA完全可以作為處理隧道滲漏的水泥漿液添加劑，推薦用量為水泥質(zhì)量的1.2%～1.5%。