水利工程PA改良注漿材料工程性能研究

付寶寧

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司， 江西 南昌 330209)

水利工程引水隧洞滲水不僅增加了施工難度，長(zhǎng)時(shí)間的漏水可能會(huì)腐蝕混凝土內(nèi)的鋼筋，從而導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低，嚴(yán)重威脅工程后期運(yùn)營(yíng)的安全穩(wěn)定性[1- 3]。然而，現(xiàn)有注漿材料的注漿效果仍存在一定的局限性[4- 5]。因此，合理研發(fā)新型高效的新型水利工程隧洞注漿材料對(duì)水利工程長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)具有重要意義。

目前，關(guān)于新型注漿材料的研究工作已經(jīng)大范圍展開(kāi)。朱慶開(kāi)[6]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。張聰?shù)萚7]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)但是OPC存在顆粒尺寸較大等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其無(wú)法密封隧道圍巖中的微裂紋。水泥基毛細(xì)管結(jié)晶材料是一種無(wú)機(jī)防水材料，且具有綠色無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。利用水泥基毛細(xì)管結(jié)晶材料制備注漿材料的研究較多，且發(fā)現(xiàn)其能夠顯著增強(qiáng)材料的力學(xué)性能[8- 9]。然而，水泥基毛細(xì)管結(jié)晶注漿材料的膨脹性差，因此作為注漿材料仍存在一定的不足之處。

本次研究室內(nèi)利用新型的水泥基毛細(xì)管結(jié)晶材料—介子摻合料(PA)制備了新型PA改良注漿材料，并通過(guò)室內(nèi)凝結(jié)率、滲透性和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)深入研究了改性材料的相關(guān)物理力學(xué)性能，期待為水利工程引水隧洞建設(shè)提供一定的思路。

1 工程背景

江西省某水利工程引水隧洞項(xiàng)目爆破隧洞研究位于九江市內(nèi)，標(biāo)段長(zhǎng)度為3.1km，其中Ⅳ級(jí)圍巖8.016km，Ⅴ級(jí)圍巖1.091km。開(kāi)挖斷面為城門(mén)洞型，Ⅳ級(jí)圍巖斷面尺寸6.74m×6.69m(寬×高)，Ⅴ級(jí)圍巖斷面尺寸6.9m×6.82m(寬×高)。襯砌斷面為馬蹄形，Ⅳ級(jí)圍巖一次支護(hù)厚度15cm，Ⅴ級(jí)圍巖一次支護(hù)厚度18cm。洞身支護(hù)采用濕噴機(jī)噴射C30混凝土。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)勘查結(jié)果，該地區(qū)地形由北向南緩慢傾斜，沿線地形起伏小，地形平坦、開(kāi)闊。地層巖性為二疊系砂礫巖和砂巖夾泥巖，厚層狀，巖體完整，巖石飽水后抗壓強(qiáng)度極低，開(kāi)挖失水后易崩塌，圍巖穩(wěn)定性較差。因此，對(duì)該工程引水隧洞的注漿加固具有重要意義。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

室內(nèi)利用水泥基毛細(xì)管結(jié)晶材料—介子摻合料及水泥制備了7種不同濃度的PA注漿材料(0%、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%)，并對(duì)注漿材料展開(kāi)凝結(jié)速率試驗(yàn)。利用其對(duì)碎石體進(jìn)行注漿模型試驗(yàn)，得到不同的水泥-碎石混凝土材料后養(yǎng)護(hù)28d，再根據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)不同的水泥-碎石混凝土材料展開(kāi)滲透性試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。利用PTB- 3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Φ150mm。對(duì)不同水泥-碎石混凝土試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試樣尺寸均為100mm×100mm×100mm。滲透試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水泥漿液凝結(jié)率

7種不同濃度的PA水泥漿液凝結(jié)率變化關(guān)系圖如圖2所示。由圖可知，PA材料能夠有效提升漿液的凝結(jié)率，隨著注漿材料中PA材料濃度的增加，水泥漿液的凝結(jié)率逐漸增大；當(dāng)PA材料的濃度為0.6%～0.9%之間時(shí)，其凝結(jié)率出現(xiàn)了突然增大的現(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。此外，相較于未加入PA時(shí)純水泥漿液，當(dāng)PA濃度達(dá)到1.8%時(shí)，材料的凝結(jié)率高達(dá)98.68%，提升幅度達(dá)到 36.62%。分析認(rèn)為，由于PA材料中含有硅酸鹽水泥、細(xì)石英砂以及多種活性物質(zhì)，其在凝固過(guò)程中發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生水化產(chǎn)物；此外，活性物質(zhì)還能夠促進(jìn)水化反應(yīng)的進(jìn)行，進(jìn)而提高了漿液的凝結(jié)率。綜上可見(jiàn)，新型注漿材料的凝結(jié)率較普通材料高，因此在隧洞注漿中具有較高的可行性。

圖2 不同濃度PA水泥漿液凝結(jié)率

3.2 水泥-碎石混凝土滲透率

不同PA濃度下注漿后的水泥-碎石混凝土試樣滲透率隨PA濃度變化關(guān)系如圖3所示。由圖可知，隨著PA材料濃度的增大，水泥-碎石混凝土試樣的滲透率逐漸降低。相較于普通水泥-碎石混凝土，當(dāng)PA濃度為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%時(shí)，滲透率分別相對(duì)降低了39.26%、55.66%、70.31%、82.23%、91.99%和93.95%。分析認(rèn)為，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(guò)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，從而減少了水的滲透通道，降低了注漿介質(zhì)的滲透性。由此可見(jiàn)，新型PA改良注漿材料的抗?jié)B性更強(qiáng)，其在水利工程中的應(yīng)用效果更佳。

圖3 不同濃度PA水泥-碎石混凝土滲透率

3.3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下不同濃度PA的水泥漿液和水泥-碎石混凝土試樣抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。由表可知，水泥-碎石混凝土試樣的抗壓強(qiáng)度要大于純水泥漿液的抗壓強(qiáng)度，且兩者的抗壓強(qiáng)度均隨著PA材料濃度升高而逐漸增大。進(jìn)一步可以觀察到，當(dāng)PA濃度從0%增加到0.9%時(shí)，試樣的強(qiáng)度僅略有增加；而當(dāng)PA濃度從0.9%增加到1.5%時(shí)，材料強(qiáng)度的增加速率增大，養(yǎng)護(hù)好的水泥漿液和水泥-碎石混凝土試樣的強(qiáng)度均產(chǎn)生了明顯的增大。分析認(rèn)為，在潮濕環(huán)境下，PA中的活性物質(zhì)會(huì)發(fā)生縮聚結(jié)晶反應(yīng)，進(jìn)而生成了不溶于水的結(jié)晶產(chǎn)物，形成碳酸鹽、硅酸鹽和鈣礬石充填堵塞孔隙。因此，材料內(nèi)部更加致密，強(qiáng)度有所提高。綜上所述，PA材料漿液以及注漿后的水泥-碎石混凝土試樣的承載能力均隨著PA材料濃度的增大而逐漸增大，這表明PA注漿材料對(duì)含裂隙巖體及松散土體具有非常好的加固效果，能夠較好地應(yīng)用到隧洞圍巖注漿加固中。

表1 不同濃度PA水泥漿液和水泥-碎石混凝土強(qiáng)度(MPa)

標(biāo)準(zhǔn)和浸水養(yǎng)護(hù)條件下不同齡期水泥-碎石混凝土試件的單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖4所示，選擇研究的試樣PA濃度為0%和1.5%。從圖中可以看出，無(wú)論是否添加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)條件下的抗壓強(qiáng)度，說(shuō)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)致結(jié)核的力學(xué)性能惡化。同時(shí)，在浸水條件下，各齡期添加PA的試樣抗壓強(qiáng)度均大于未添加PA試樣的抗壓強(qiáng)度，在浸水條件下試樣的強(qiáng)度滿足規(guī)范要求，說(shuō)明在浸水條件下PA能滿足工程要求。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)條件下PA對(duì)試樣強(qiáng)度的影響

綜合分析上述結(jié)果，考慮到PA材料的價(jià)格因素及工程成本因素，可得出：當(dāng)PA材料的濃度1.5%時(shí)，此時(shí)為PA注漿的水泥-碎石混凝土試件的凝結(jié)率、抗?jié)B性及抗壓強(qiáng)度均取得優(yōu)良的結(jié)果，此時(shí)PA材料漿液的凝結(jié)率達(dá)97.3%，水泥-碎石混凝土的滲透率為0.41×10-7m/s，抗壓強(qiáng)度達(dá)5.39MPa(養(yǎng)護(hù)齡期28d)，能夠滿足工程要求。

4 結(jié)論

(1)PA材料有效提高了注漿材料漿液及水泥-碎石體的抗壓強(qiáng)度和抗?jié)B性。當(dāng)添加1.8%的PA時(shí)，水泥漿液的滲透率為3.4×10-8m/s，比未加入PA的漿液低了93.2%。

(2)當(dāng)PA材料的濃度1.5%時(shí)，PA材料漿液的凝結(jié)率達(dá)97.3%，水泥-碎石混凝土的滲透率為0.41×10-7m/s，抗壓強(qiáng)度達(dá)5.39MPa(養(yǎng)護(hù)齡期28d)，其工程性能遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)注漿材料。此時(shí)PA注漿材料工程性能最佳，能夠滿足工程要求。

(3)受限于試驗(yàn)條件，本次研究?jī)H從宏觀角度給出試驗(yàn)結(jié)果，缺乏微觀機(jī)理試驗(yàn)研究，下一步應(yīng)適當(dāng)增加微觀機(jī)理分析試驗(yàn)。