動(dòng)水條件下抗分散注漿材料在水利工程中的應(yīng)用

周 翔

(塔里木河流域工程建設(shè)處，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

傳統(tǒng)的水泥基材料，在未形成膠凝體前，在強(qiáng)動(dòng)水條件下漿液容易發(fā)生流失，治理效果差，質(zhì)量難以保證，因此采用非水泥基抗分散注漿材料對(duì)底板及邊墻進(jìn)行加固處理具有良好的應(yīng)用前景[1]。

王學(xué)偉等[2-3]基于研究工程項(xiàng)目，指出非水泥類(lèi)膠凝材料在水利工程注漿加固中的應(yīng)用，并詳細(xì)對(duì)比了水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料各自的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，多角度驗(yàn)證了非水泥基注漿材料在水利工程注漿工作中的特殊優(yōu)勢(shì)。部分學(xué)者也試圖通過(guò)引入其他材料對(duì)水泥基注漿材料的工程性能進(jìn)行改良，并且取得了一定的效果，但改良后的水泥基注漿材料仍存在一定的局限性，反映出了水泥基注漿材料的共性問(wèn)題，如水下抗分散性差[4-5]。

綜上所述，水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料均存在一定的應(yīng)用局限性，本次研究在室內(nèi)制備了不同配比的非水泥基水下抗分散注漿材料，并對(duì)其展開(kāi)了單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗沖刷效果試驗(yàn)以及掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)，深入研究了動(dòng)水條件下抗分散注漿材料的工程特性。

1 工程背景

本次研究以新疆塔里木河流域某地排水溝道加固工程為研究對(duì)象，對(duì)不同配比的新型非水泥基水下抗分散注漿材料的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用性能展開(kāi)了研究。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察結(jié)果，該排水溝加固工程的主體結(jié)構(gòu)為漿砌塊石。排水溝的漿砌塊石在長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)水沖刷作用下，其底板及邊墻出現(xiàn)了嚴(yán)重的損傷問(wèn)題；此外，在水流沖刷下，膠結(jié)物逐漸流失并失去膠凝作用，內(nèi)部塊石裸露。因此，為保持該工程的長(zhǎng)期安全性，需要及時(shí)開(kāi)展工程治理工作，對(duì)排水溝底板及邊墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行修補(bǔ)加固。此外，通過(guò)對(duì)流域某處的水體進(jìn)行取樣測(cè)試，發(fā)現(xiàn)水的pH值為8～8.3，呈現(xiàn)弱堿性?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)動(dòng)水平均流速約為0.65m/s，動(dòng)水流速高。

2 現(xiàn)場(chǎng)澆筑與試驗(yàn)檢測(cè)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)澆筑

基于現(xiàn)有關(guān)于水下抗分散注漿材料，室內(nèi)制備了5種不同配比的注漿材料，且控制變量為注漿膠凝材料的摻量。根據(jù)現(xiàn)有關(guān)于水下抗分散注漿材料的試驗(yàn)研究，可知非水泥基注漿材料的主要成分為膠凝材料、水、水玻璃和黃原膠，且最佳質(zhì)量比為水：膠凝材料：水玻璃：黃原膠=300∶657.3∶240∶2.7。本次試驗(yàn)中，控制水、黃原膠和水玻璃質(zhì)量不變，設(shè)計(jì)5組不同的注漿材料中的膠凝材料的質(zhì)量分別為250、275、300、325和350g(A1～A5)，且所使用的非水泥基膠凝材料為糯米灰漿。試驗(yàn)場(chǎng)地為開(kāi)放場(chǎng)地，現(xiàn)場(chǎng)材料配置好后，采用澆筑方式對(duì)塊石表面進(jìn)行加固，無(wú)需特殊設(shè)備進(jìn)行灌漿，將材料均勻地鋪攤在塊石表面后整平。

2.2 試驗(yàn)檢測(cè)

為研究不同配比條件下非水泥基水下抗分散注漿材料的綜合工程性能，本次共設(shè)計(jì)了3組不同試驗(yàn)研究，分別為單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗沖刷效果試驗(yàn)以及掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)。①單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。首先，利用巖石取芯設(shè)備在注漿養(yǎng)護(hù)28d后的塊石上取樣，取得高度為100mm、直徑為50mm的標(biāo)準(zhǔn)巖芯試樣。其次，室內(nèi)利用巖石力學(xué)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，采用位移控制模式，加載速度為0.1mm/min。每個(gè)配比的試樣分別開(kāi)展5次單軸壓縮試驗(yàn)，篩選去除不合理數(shù)據(jù)后取平均值，得到注漿結(jié)石塊體的單軸抗壓強(qiáng)度均值。②抗沖刷效果試驗(yàn)。對(duì)巖石塊體進(jìn)行注漿結(jié)塊，并在注漿24h和72h后觀察注漿結(jié)石塊體的表面形態(tài)以及注漿材料的流失情況，確定非水泥基注漿材料的水下抗分散效果。③微觀電鏡掃描試驗(yàn)。利用S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)單軸壓縮破壞后的結(jié)石塊體斷裂面進(jìn)行掃描和觀測(cè)，了解非水泥基水下抗分散注漿材料加固塊石及抗水動(dòng)力沖刷能力的微觀機(jī)理。

3 注漿加固性能分析

3.1 抗壓強(qiáng)度分析

為分析非水泥基抗分散注漿材料動(dòng)水加固效果，室內(nèi)對(duì)不同配比注漿材料注漿養(yǎng)護(hù)后的塊石開(kāi)展了單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)，得到如圖1所示的試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，非水泥基抗分散注漿材料注漿加固后的巖石塊體的單軸抗壓強(qiáng)度較高，不同配比下塊體的單軸抗壓強(qiáng)度分別為35.35、37.26、41.05、38.11、36.33MPa。這表明，隨著注漿材料中膠凝材料含量的增加，注漿加固后塊石的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先逐漸增大后慢慢變小的變化趨勢(shì)。注漿加固后，塊石的最大抗壓強(qiáng)度為41.05MPa，此時(shí)膠凝材料的摻量為300g；塊石的最小抗壓強(qiáng)度為35.35g，此時(shí)膠凝材料的摻量為250g。分析認(rèn)為，當(dāng)膠凝材料含量較少時(shí)，其在注漿加固過(guò)程中不能起到有效的凝結(jié)作用，因此加固后的塊石強(qiáng)度低；而當(dāng)膠凝材料含量過(guò)高時(shí)，其流動(dòng)性變差，不能有效地充填塊石中的縫隙，因此，注漿加固后的塊石的單軸抗壓強(qiáng)度也會(huì)降低。綜上所述，當(dāng)注漿材料中膠凝材料摻量為300g時(shí)，其對(duì)塊石的注漿加固效果最好、力學(xué)性能最強(qiáng)。

圖1 注漿結(jié)石塊體單軸抗壓強(qiáng)度

3.2 抗沖刷效果分析

基于單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)A3組試樣展開(kāi)動(dòng)水條件下注漿材料的水下抗分散試驗(yàn)，將試驗(yàn)材料澆筑在塊石表面后，將其置于動(dòng)水(流速為0.65m/s)條件下，分別經(jīng)過(guò)24h和72h的沖刷后，對(duì)其表觀形態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。由圖2可知，在動(dòng)水的持續(xù)沖刷下，成型后的注漿材料在外觀形貌上未發(fā)生明顯改變。由此可見(jiàn)，動(dòng)水沖刷下非水泥基水下抗分散注漿材料具備優(yōu)秀的抗動(dòng)水沖蝕能力，其能夠?yàn)樽{加固后的塊石提供較好的基礎(chǔ)參數(shù)。

圖2 不同沖刷時(shí)間下注漿材料形態(tài)

3.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

為了解非水泥基水下抗分散注漿材料加固塊石及抗水動(dòng)力沖刷能力的微觀機(jī)理，對(duì)單軸壓縮破壞后的A3組試樣進(jìn)行取樣、切割并展開(kāi)掃描試驗(yàn)，得到斷面的微觀掃描結(jié)果，如圖3所示。從斷面的微觀掃描結(jié)果可以看出，A3組非水泥基水下抗分散材料能夠有效填充塊石層空隙，且膠結(jié)物致密。分析認(rèn)為，非水泥基水下抗分散材料在水下的良好注漿效果主要來(lái)自漿液吸附和漿液充填作用。非水泥基水下抗分散材料具有很高的抗動(dòng)水沖蝕能力，且其注漿后對(duì)塊石層加固效果較好，能夠形成水下正常的結(jié)石體；此外，漿液結(jié)石體具有微膨脹性，因此硬化漿體能對(duì)塊石層孔隙充填緊密。

圖3 斷面的微觀掃描結(jié)果圖

4 結(jié)論

(1)隨著注漿材料中膠凝材料含量的增加，注漿加固后塊石的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先逐漸增大后慢慢變小的變化趨勢(shì)。注漿加固后，塊石的最大抗壓強(qiáng)度為41.05MPa，此時(shí)膠凝材料的摻量為300g。

(2)經(jīng)過(guò)動(dòng)水24h和72h的持續(xù)沖刷后，成型后的注漿材料在外觀形貌上未發(fā)生明顯改變。微觀試驗(yàn)結(jié)果表明，非水泥基水下抗分散材料在水下的良好注漿效果主要來(lái)自漿液吸附和漿液充填作用。

(3)本次研究?jī)H對(duì)少數(shù)參數(shù)開(kāi)展了試驗(yàn)，而未對(duì)注漿材料的凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)性等參數(shù)開(kāi)展研究，下一步研究應(yīng)當(dāng)考慮更多方面的因素。