改性超細(xì)水泥注漿材料在含微裂隙水利工程中的應(yīng)用

郇恒花

(山東臨沂費(fèi)縣水利工程保障中心，山東 臨沂 273400)

隨著我國水利工程的快速發(fā)展，許多堆石壩等壩體高度已超過300m，超高壩體在運(yùn)行過程中的維護(hù)比傳統(tǒng)壩體更加艱難[1- 2]。超高壩體中的某些微裂隙在壩體自身重力和高水頭壓力的多重作用下易擴(kuò)展，在持續(xù)性流變作用下含裂縫的超高壩體易失穩(wěn)[3]。注漿加固是水利工程中較為常見的維護(hù)手段，能有效地加固壩體和減小滲流作用[4- 5]。

在壩體自身高應(yīng)力的作用下，壩體中許多微裂紋會(huì)被擠壓縮小甚至閉合，從而產(chǎn)生大量的微裂隙，傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥注漿材料很難進(jìn)入到微裂隙中，從而導(dǎo)致注漿加固效果無法滿足工程要求[6- 7]。目前對(duì)于含微裂隙的巖體，注漿加固材料多選擇流動(dòng)性好和黏度低的化學(xué)注漿材料，但是該材料也存在強(qiáng)度低、耐久性差和污染環(huán)境等缺陷[8]。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有注漿材料在含微裂隙巖體加固中的不足，通過減小硅酸鹽水泥顆粒粒徑而產(chǎn)生的超細(xì)水泥得到了較好的發(fā)展。鄭青[9]通過將超細(xì)水泥和水玻璃結(jié)合的方式加固了含富水條件的暗挖隧道；樊震旺等[10]通過納米碳酸鈣對(duì)超細(xì)水泥進(jìn)行改性，并對(duì)改性的注漿材料性能進(jìn)行了研究。超細(xì)水泥注漿材料在水利工程中的應(yīng)用研究相對(duì)較少，本文以水利工程中巖體含微裂隙、高壩體和高水頭等實(shí)際工程條件為背景，研究了超細(xì)水泥粒徑大小及添加劑對(duì)材料性能的影響，對(duì)其在水利工程中的應(yīng)用前景進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文所用的超細(xì)硅酸鹽水泥粒徑大小和礦物成分見表1。為了增強(qiáng)注漿材料的性能，嘗試將超細(xì)粉煤灰和超細(xì)硅灰作為添加劑對(duì)超細(xì)水泥注漿材料進(jìn)行改性，2種添加劑均購自榮昌盛環(huán)保材料公司，其礦物成分見表2。減水劑為高性能聚羧酸減水劑。

1.2 試驗(yàn)方法

利用ZNN-D6型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)對(duì)不同粒徑大小的超細(xì)硅酸鹽水泥漿液的黏度進(jìn)行測試，該設(shè)備轉(zhuǎn)速范圍在3～600r/min；采用100ml量筒對(duì)漿液的析水率進(jìn)行測試；測試了不同超細(xì)粉煤灰摻量(10%、20%、30%和40%)、超細(xì)硅灰摻量(3%、6%、9%和12%)和高效減水劑摻量(0.5%、1.0%、1.5%和2%)下1340目超細(xì)水泥漿液的流變特性、表觀黏度和析水率；上述所有試驗(yàn)中漿液的水灰比控制為1.0。通過掃描電鏡分別對(duì)含粉煤灰和硅灰的水泥漿液結(jié)石體的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，探索其對(duì)漿液性能的影響機(jī)理。

表1 超細(xì)水泥粒徑分布及礦物成分

表2 粉煤灰和硅灰礦物成分

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 粒度大小對(duì)漿液特性的影響

超細(xì)水泥粒徑大小對(duì)漿液剪切力、表觀黏度和析水率的影響如圖1所示。從圖中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速條件下，漿液的剪切力和表觀黏度均隨著超細(xì)水泥粒徑的減小而增大，這是因?yàn)樗囝w粒的減小會(huì)導(dǎo)致漿液中水泥顆粒的比表面積增大，從而導(dǎo)致水泥顆粒與水的接觸面積更廣，更有利于水泥顆粒產(chǎn)生水化反應(yīng)和產(chǎn)生更多的膠結(jié)體，最終導(dǎo)致漿液的剪切力和黏度有所增長。在相同的水泥粒徑條件下，轉(zhuǎn)速的增加會(huì)導(dǎo)致漿液的剪切力增加和黏度下降。從圖中還可以看出，當(dāng)粒徑大小為400目時(shí)，漿液的析水率為16%，為非穩(wěn)定漿液；其余3種水泥粒徑的漿液均為穩(wěn)定漿液。漿液的析水率隨著超細(xì)水泥粒徑的減小而減小，這是由于水泥顆粒粒徑減小導(dǎo)致比表面積增大，促進(jìn)水泥顆粒水化反應(yīng)的同時(shí)會(huì)生成更多的膠結(jié)體和消耗更多的自由水，從而提高漿液的整體穩(wěn)定性。

圖1 超細(xì)水泥粒徑大小對(duì)漿液剪切力、表觀黏度和析水率的影響

2.2 粉煤灰對(duì)漿液特性的影響

粉煤灰摻量對(duì)漿液剪切力和表觀黏度的影響如圖2所示。從圖中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速條件下，漿液的剪切力和表觀黏度均隨著粉煤灰摻量的增大而減小，這是因?yàn)榉勖夯业奈⒂^結(jié)構(gòu)主要是球狀顆粒[11]，這有助于降低漿液的黏度，同時(shí)粉煤灰球狀顆粒能夠吸附在超細(xì)水泥顆粒表面，相當(dāng)于間接降低了水泥顆粒與水的接觸面積，從而釋放了更多的水分子和減少了膠結(jié)體的數(shù)量，最終導(dǎo)致漿液的剪切力和黏度降低。當(dāng)粉煤灰摻量超過30%后，粉煤灰對(duì)漿液的黏度和剪切力影響程度顯著降低。從圖中還可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，漿液的析水率逐漸降低，穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，與粉煤灰摻量對(duì)漿液剪切力和表觀黏度影響規(guī)律相似，當(dāng)粉煤灰摻量超過30%后，粉煤灰對(duì)漿液的析水率影響程度顯著降低。

2.3 硅灰對(duì)漿液特性的影響

硅灰摻量對(duì)漿液剪切力和表觀黏度的影響如圖3所示。從圖中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速條件下，漿液的剪切力和表觀黏度均隨著硅灰摻量的增加而增大，這是因?yàn)楣杌翌w粒較小，比表面積相對(duì)較大，能吸附更多的自由水，從而增強(qiáng)了漿液顆粒之間的阻力，最終導(dǎo)致漿液的剪切力和表觀黏度增大。當(dāng)硅灰摻量超過9%后，硅灰對(duì)漿液的黏度和剪切力影響程度顯著降低。從圖中還可以看出，隨著硅灰摻量的增加，漿液的析水率顯著降低，穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，與硅灰摻量對(duì)漿液剪切力和表觀黏度影響規(guī)律相似，當(dāng)硅灰摻量超過9%后，硅灰對(duì)漿液的析水率影響程度顯著降低。

圖2 粉煤灰摻量對(duì)漿液剪切力、表觀黏度和析水率的影響

圖3 硅灰摻量對(duì)漿液剪切力、表觀黏度和析水率的影響

2.4 減水劑對(duì)漿液特性的影響

減水劑摻量對(duì)漿液剪切力和表觀黏度的影響如圖4所示。從圖中可以看出，在相同轉(zhuǎn)速條件下，漿液的剪切力和表觀黏度均隨著減水劑摻量的增大而減小，且減水劑摻量在0.5%～1.5%時(shí)變化最為明顯，這是因?yàn)闇p水劑能降低水泥顆粒與水的接觸面積，相當(dāng)于釋放出了更多的自由水和減少了膠結(jié)體的數(shù)量，因此導(dǎo)致漿液的剪切力和黏度降低。當(dāng)減水劑摻量超過1.5%后，減水劑對(duì)漿液的黏度和剪切力影響程度顯著降低。從圖中還可以看出，添加減水劑會(huì)顯著地提高漿液的析水率，即添加減水劑會(huì)嚴(yán)重影響漿液的穩(wěn)定性。因此，為了提高漿液流動(dòng)性的同時(shí)又不影響漿液的穩(wěn)定性，添加粉煤灰比添加減水劑具有更加優(yōu)異的效果。

圖4 減水劑摻量對(duì)漿液剪切力、表觀黏度和析水率的影響

2.5 微觀結(jié)構(gòu)分析

含30%粉煤灰和含9%硅灰的水泥漿結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)如圖5所示。從圖中可以看出，粉煤灰顆粒為圓球或橢圓球形，比表面積相對(duì)較小，水泥漿液結(jié)石體結(jié)構(gòu)較粗糙，粉煤灰顆粒與水泥漿體粘結(jié)性能較差，因此粉煤灰改性水泥漿液的黏度較低，穩(wěn)定性較差。而硅灰顆粒則為不規(guī)則的棱柱狀，比表面積大，與水泥漿體的接觸面積大，粘結(jié)性能好，因此硅灰改性水泥漿液的黏度較高，穩(wěn)定性較好。微觀結(jié)構(gòu)測試結(jié)果與漿液的黏度和析水率測試結(jié)果相吻合。

圖5 粉煤灰和硅灰改性水泥漿結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

本文以水利工程中巖體含微裂隙、高壩體和高水頭等現(xiàn)狀為背景，研究了超細(xì)水泥粒徑大小及添加劑對(duì)漿液性能的影響規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)減小水泥顆粒的粒徑和添加硅灰能以增加顆粒比表面積的方式消耗更多自由水、增加膠結(jié)體數(shù)量和增強(qiáng)與水泥漿體的粘結(jié)性，從而增強(qiáng)漿液的黏度和穩(wěn)定性。

(2)添加粉煤灰和減水劑均能降低漿液剪切力和黏度，但是粉煤灰能提高漿液的穩(wěn)定性，而減水劑會(huì)降低漿液的穩(wěn)定性。在保證漿液穩(wěn)定性的前提下，可通過粉煤灰和硅灰調(diào)節(jié)漿液的流動(dòng)性能，兩者的最佳摻量分別為10%～30%和3%～9%。

(3)在研究出適用于微裂隙注漿的材料基礎(chǔ)之上，后續(xù)可深入研究微裂隙高壓注漿的實(shí)現(xiàn)手段。