新型綠色OHC注漿材料在水利工程中的應(yīng)用研究

吐爾洪·肉斯旦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫車 843200)

巖體裂隙漏水是導(dǎo)致水利工程破壞的常見威脅因素，而長時間的漏水，會導(dǎo)致水利工程內(nèi)部產(chǎn)生大量破壞，影響其工程性能和長期安全性[1- 3]。此外，現(xiàn)有注漿材料中由于使用了大量的水泥等工業(yè)產(chǎn)品，一方面，水泥等工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)會導(dǎo)致大量的資源耗費(fèi)以及碳排放問題，不符合當(dāng)前的“碳中和”政策[4- 5]；另一方面，工業(yè)產(chǎn)品會污染地下水和土壤，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)問題[6- 7]。因此，研究開發(fā)有效、綠色環(huán)保的新型注漿材料對于解決我國水利工程及環(huán)境保護(hù)問題具有重要意義。針對此問題，部分學(xué)者積極開展了新型綠色環(huán)保注漿材料方向的研究。張毅等[8]基于室內(nèi)試驗指出，利用紅黏土棄渣作為基本材料，通過摻入水泥、粉煤灰等材料植被的新型注漿材料，不僅具有流動性好、填充性好、強(qiáng)度適中、造價低廉等優(yōu)勢，對土壤和地下水環(huán)境的污染程度也較小。王紀(jì)偉等[9]依托青島地鐵富水裂隙巖體注漿堵水實際工程案例，開展了新型注漿材料在巖體裂隙注漿加固中的應(yīng)用可行性，指出新型水泥-水玻璃漿液不僅具有良好的注漿封堵性能，且能夠起到降低污染的作用。

綜上所述，現(xiàn)有關(guān)于綠色環(huán)保注漿材料的研究多是從降低污染角度出發(fā)，而關(guān)于利用某種環(huán)保材料替代水泥從而降低生產(chǎn)耗費(fèi)和污染的研究較少。本文通過利用HSBC和CMK材料替代部分水泥，不僅有效降低了水泥的使用量，而且還提升了注漿材料的綜合性能。研究成果為我國水利工程巖體基礎(chǔ)注漿提供了一定的指導(dǎo)作用。

1 試驗設(shè)計

1.1 OHC注漿材料制備

室內(nèi)利用普通硅酸鹽水泥(OPC)和高貝利特硫酸鋁鹽水泥(HBSC)兩種基本材料，外摻煤系偏高領(lǐng)土(CMK)，配合使用減水劑、堿激發(fā)劑兩種外加劑，制備了新型綠色OHC注漿材料。其中，HBSC和OPC均產(chǎn)自河北張家口某建材有限公司，其強(qiáng)度等級也均為42.5級。煤系偏高嶺土(CMK)來自山西省某高嶺土有限公司，主要成分為二氧化硅和三氧化二鋁。減水劑為聚羧酸減水劑，產(chǎn)自山東省某建筑外加劑有限公司，其凈漿流動度達(dá)到273mm，減水率為28%，減水效率高。堿激發(fā)劑能夠激發(fā)注漿材料中CMK的活性，本次試驗所用堿激發(fā)劑產(chǎn)自山東某化學(xué)試劑廠，其主要成分為氫氧化鈣(>95%)。

1.2 試驗設(shè)計

注漿材料的配比是影響主材材料工程性能的重要因素，確定新型OHC注漿材料的最佳配比對材料的綜合性能和推廣應(yīng)用具有重要意義。為研究OPC、HBSC和CMK三種材料組分對新型OHC注漿材料工程性能的影響，室內(nèi)設(shè)計了9中不同配比條件下的新型OHC注漿材料(見表1)。按照表1配比，室內(nèi)之內(nèi)不同配比的新型OHC注漿材料，注漿材料的水灰比W/C均為0.6。為對新型OHC注漿材料展開全面的工程性能評價，室內(nèi)對注漿材料開展了結(jié)石率試驗、凝結(jié)時間試驗抗折強(qiáng)度試驗以及抗壓強(qiáng)度試驗。結(jié)實率試驗和凝結(jié)時間試驗參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1346《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》展開，抗折強(qiáng)度試驗和抗壓強(qiáng)度試驗參照GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法(ISO)》進(jìn)行。

表1 不同OHC新型注漿材料配比 單位：%

2 試驗結(jié)果分析與討論

2.1 結(jié)石率分析

結(jié)石率是決定注漿材料最終封堵效果的重要指標(biāo)，基于室內(nèi)試驗，得到不同配比的新型OHC注漿材料的結(jié)石率如圖1所示。由圖1可知3種材料的配比對OHC注漿材料的結(jié)石率影響較大。其中，OHC- 5和OHC- 9試樣的結(jié)石率最低，分別為86.5%和86.4%；OHC- 2和OHC- 8的結(jié)實率最高，結(jié)石率分別達(dá)到97.1%和97%。結(jié)合表1分析可以發(fā)現(xiàn)，對于OHC- 5和OHC- 9中未摻入CMK材料，而OHC- 2和OHC- 8中CMK的摻量則達(dá)到15%。由此可見，CMK材料的含量是影響新型OHC注漿材料結(jié)石率的重要因素?；诖?，分析各組分對注漿材料結(jié)石率的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)CMK材料的含量為0時，注漿材料的平均結(jié)石率僅為86.46%；當(dāng)CMK材料的含量為5%時，注漿材料的平均結(jié)石率90.75%；當(dāng)CMK材料的含量為10%時，注漿材料的平均結(jié)石率91.8%；當(dāng)CMK材料的含量為15%時，注漿材料的平均結(jié)石率96.9%。而相對之下，其他材料對注漿材料結(jié)石率的影響則不太明顯。結(jié)合現(xiàn)有研究成果可知，CMK之所以能夠大幅度提升OHC注漿材料結(jié)石率，是因為CMK材料具有非常優(yōu)秀的吸水性，這導(dǎo)致OHC注漿材料在結(jié)石試驗過程中不會有大量的自由水析出，使得反應(yīng)更加充分，因此能夠有效結(jié)合水化產(chǎn)物形成結(jié)石體。

圖1 不同配比下新型注漿材料的結(jié)石率

2.2 凝結(jié)時間

凝結(jié)時間是影響注漿材料封堵效果的重要因素，基于室內(nèi)試驗，得到不同配比的新型OHC注漿材料的凝結(jié)時間如圖2所示。由圖2可知，材料組分的配比對OHC注漿材料的凝結(jié)時間有顯著的影響。其中，OHC- 2和OHC- 8試樣的凝結(jié)時間最短，凝結(jié)時間分別為32.9min和36.8min；OHC- 3和OHC- 5的凝結(jié)時間最長，凝結(jié)時間分別達(dá)到60.3min和56.4min。結(jié)合表1分析可以發(fā)現(xiàn)，影響新型OHC注漿材料凝結(jié)時間的材料成分比較復(fù)雜，但深入研究可以發(fā)現(xiàn)主要因素仍然是CMK的含量。由此可見，CMK材料的含量是影響新型OHC注漿材料凝結(jié)時間的主要因素。在其他成分維持不變情況下，隨著CMK成分的增加，新型OHC注漿材料的凝結(jié)時間會逐漸變短。分析認(rèn)為，這是由于CMK材料在水泥漿材料的反應(yīng)中，能夠起到加速水化反應(yīng)作用以及填充作用，而CMK能夠縮短凝結(jié)時間則是加速水化反應(yīng)和填充作用綜合影響下的結(jié)果。

圖2 不同配比下新型注漿材料的凝結(jié)時間

2.3 抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度是影響注漿材料抗水壓能力和長期封堵效果的重要指標(biāo)，對不同養(yǎng)護(hù)齡期的新型OHC注漿材料開展室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗，得到養(yǎng)護(hù)后注漿材料的抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果見表2。由表2可知，OHC注漿材料的抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時間的增長而不斷增大，養(yǎng)護(hù)時間越長，則注漿材料的抗水壓能力越好，封堵效果也就越好。在養(yǎng)護(hù)28d條件下，OHC- 2的抗壓強(qiáng)度最高，達(dá)到15.11MPa；其次為OHC- 1和OHC- 9，抗壓強(qiáng)度分別為12.33MPa和11.45MPa；OHC- 4和OHC- 5的抗壓強(qiáng)度最低，僅達(dá)到7.44MPa和7.53MPa。結(jié)合表2進(jìn)行分析可見，HBSC和CMK材料的組分是影響新型OHC注漿材料抗壓強(qiáng)度的主要因素，且材料的抗壓強(qiáng)度均隨著HSBC和CMK材料含量的增加而增大，二者之間呈正相關(guān)。

表2 不同養(yǎng)護(hù)齡期下各OHC注漿材料試樣的抗壓強(qiáng)度 單位：MPa

2.4 材料最優(yōu)配比分析

由于水泥的工業(yè)生產(chǎn)消耗和排放污染較大，因此不具備綠色環(huán)保性。利用HSBC替代OPC，是制備綠色環(huán)保型注漿材料的重要手段。對HBSC、OPC和CMK材料的成分深入分析，發(fā)現(xiàn)制備新型OHC注漿材料的主要原材料為石灰石、鋁礬土、石膏、高嶺土和煤炭等成分。綜合環(huán)保性、結(jié)石率、凝結(jié)時間以及抗壓強(qiáng)度4個指標(biāo)，得出新型OHC注漿材料的最佳配比組為OHC- 2組，此時，其組合成分為55%HBSC、35%OPC以及10%CMK，此時新型OHC注漿材料的結(jié)石率為97.1%，凝結(jié)時間為32.9min，抗壓強(qiáng)度為15.11MPa，材料的綜合性能最佳。

3 結(jié)語

(1)HSBC、OPC和CMK材料的配比設(shè)計是決定新型OHC注漿材料工程性能的重要因素。隨著CMK材料含量的增加，OHC注漿材料的結(jié)石率變高，凝結(jié)時間變短，抗壓強(qiáng)度增大；隨著HSBC材料含量的增加，OHC注漿材料的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。

(2)新型OHC注漿材料的最佳配比組為OHC- 2組，此時，其組合成分為55%HBSC、35%OPC以及10%CMK，此時新型OHC注漿材料的結(jié)石率為97.1%，凝結(jié)時間為32.9min，抗壓強(qiáng)度為15.11MPa。

(3)受限于試驗條件及研究時間，本次研究未能從微觀角度出發(fā)展開研究。下一步研究應(yīng)當(dāng)增加微觀電鏡掃描試驗，以從試驗角度解釋材料配比設(shè)計與性能變化的微觀機(jī)理。