水泥基與非水泥基注漿材料性能對(duì)比

周 翔

(塔里木河流域工程建設(shè)處，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

1 概 述

水利工程基礎(chǔ)注漿加固工作是保證水利工程長(zhǎng)期安全性和工程性能的重要手段，注漿加固效果不好會(huì)導(dǎo)致水利工程存在較大的隱患[1-5]。目前，關(guān)于水利工程注漿加固的研究較多。付寶寧[6]針對(duì)水利工程注漿材料工程性能進(jìn)行了研究，室內(nèi)制備了一種改良型PA注漿材料，并指出其具有凝結(jié)速率快、抗壓強(qiáng)度更高、滲透性降低的特殊優(yōu)勢(shì)，對(duì)我國(guó)引水隧洞注漿工程具有一定的指導(dǎo)作用。鄭貴亮[7]基于現(xiàn)場(chǎng)施工工程，指出高壓噴射注漿技術(shù)對(duì)基礎(chǔ)土層加固具有良好的注漿效果，能夠提升水利工程的整體施工質(zhì)量。黃治林[8]基于農(nóng)業(yè)水利工程引水隧洞項(xiàng)目，指出了超前小導(dǎo)管注漿技術(shù)的高效、可靠及簡(jiǎn)便的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

綜上所述，現(xiàn)有研究多是針對(duì)注漿技術(shù)的研究，而缺乏對(duì)新型注漿材料的開(kāi)發(fā)。本文基于室內(nèi)試驗(yàn)，分析對(duì)比水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料的體積穩(wěn)定性、流動(dòng)性及抗壓強(qiáng)度，研究成果可為我國(guó)水利工程建設(shè)提供一定的借鑒作用。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料

為對(duì)比水泥基/非水泥基注漿材料性能差異，室內(nèi)制備了兩種不同注漿材料。其中，水泥基注漿材料的膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)。非水泥基注漿材料的膠凝材料則采用糯米灰漿；促凝劑為水玻璃，其細(xì)度模數(shù)和波美度分別為3.2和40；絮凝劑為黃原膠。此外，非水泥基注漿材料還摻加一定的鈣華砂、石粉和石膏成分。

2.2 注漿材料的制備

試樣制備過(guò)程分為兩步。首先按水灰比1∶1將水泥/糯米灰漿與水混合攪拌成溶液A，以60 rpm的轉(zhuǎn)速攪拌至漿液均勻；按照溶液A相同體積將水玻璃、黃原膠和水混合成溶液B。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)，確定水玻璃摻量為水泥質(zhì)量的60%、65%、70%、75%和80%，黃原膠摻量為水泥質(zhì)量的0.6%、0.9%和1.2%。首先將黃原膠與水混合攪拌2 min，然后加入水玻璃攪拌2 min，最后將兩種溶液混合攪拌30 s。具體配比見(jiàn)表1。

表1 材料配比 /g

2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為對(duì)比水泥基和非水泥基抗分散注漿材料的綜合觀測(cè)性能，參照相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，本次研究分別對(duì)水泥基和非水泥基注漿材料開(kāi)展體積穩(wěn)定性測(cè)試、流動(dòng)性測(cè)試和力學(xué)性能測(cè)試。其中，體積穩(wěn)定性采用量杯法對(duì)注漿材料的析水率進(jìn)行測(cè)試；流動(dòng)性測(cè)試采用流動(dòng)度盤(pán)進(jìn)行試驗(yàn)；抗壓強(qiáng)度利用YAW-3000型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)結(jié)石后的注漿材料進(jìn)行試驗(yàn)。此外，為了分析養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)注漿材料性能的影響，本次試驗(yàn)還設(shè)置了養(yǎng)護(hù)齡期分別1、3、7和28 d的注漿材料析水率試驗(yàn)和抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。見(jiàn)圖1。

圖1 YAW-3000型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

3 試驗(yàn)結(jié)果分析對(duì)比

3.1 體積穩(wěn)定性

本次析水試驗(yàn)是在養(yǎng)護(hù)試驗(yàn)(1、3、7、28 d)的基礎(chǔ)上，對(duì)注漿材料析水質(zhì)量進(jìn)行稱量后與其原質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比?；谑覂?nèi)試驗(yàn)，得到不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下水泥基和非水泥基水下抗分散注漿材料的析水率變化關(guān)系，見(jiàn)圖2。由圖2可知，隨著析水時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，兩種注漿材料的析水率均呈現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)。進(jìn)一步對(duì)比分析水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料的區(qū)別發(fā)現(xiàn)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d時(shí)，非水泥基注漿材料的析水率僅為0.54%，而水泥基注漿材料的析水率則達(dá)到5.13%，是非水泥基注漿材料的9.5倍；隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)，非水泥基材料的析水率為6.23%，水泥注漿材料的析水率為10.08%，此時(shí)水泥基注漿材料的析水率僅較非水泥基注漿材料高出61.73%。

圖2 水泥基/非水泥基注漿材料析水率隨時(shí)間變化關(guān)系

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在注漿加固初期，非水泥基注漿材料的析水率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泥基注漿材料，這表明注漿初期的非水泥基注漿材料的體積穩(wěn)定性要遠(yuǎn)高于水泥基注漿材料；隨著注漿時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，非水泥基注漿材料的析水率快速增大，而水泥基注漿材料的析水率增長(zhǎng)較慢，但非水泥基注漿材料的析水率始終低于水泥基注漿材料，這表明相較于水泥基注漿材料，非水泥基注漿材料的穩(wěn)定性始終要更高一些。分析認(rèn)為，非水泥基水下抗分散注漿材料是以糯米灰漿為基體材料組分，且在注漿材料制備過(guò)程中，添加了石粉、鈣華砂以及石膏等材料。其中，鈣華砂填充在漿體內(nèi)時(shí)，能夠有效減少析水通道，降低注漿材料中水析出的通道數(shù)量；而石粉、石膏等成分則能夠?yàn)闈{液的水化反應(yīng)提供場(chǎng)所，進(jìn)而填充孔隙。因此，非水泥基注漿材料的析水率始終低于水泥基注漿材料，其體積穩(wěn)定性也要更高。

3.2 流動(dòng)性能

基于室內(nèi)流動(dòng)性試驗(yàn)，得到不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下水泥基和非水泥基水下抗分散注漿材料的流動(dòng)度變化關(guān)系，見(jiàn)表2。由表2可知，隨著試驗(yàn)時(shí)間的不斷增長(zhǎng)，兩種注漿材料的流動(dòng)度均呈現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢(shì)。流動(dòng)時(shí)間為10 min時(shí)，水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料的流動(dòng)度分別為18.32和27.14 cm；當(dāng)流動(dòng)時(shí)間為60 min時(shí)，二者的流動(dòng)度分別為12.65和16.77 cm。進(jìn)一步對(duì)比分析水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料的區(qū)別發(fā)現(xiàn)，非水泥基注漿材料的流動(dòng)度始終大于水泥基注漿材料，這表明在注漿加固過(guò)程中，非水泥基注漿材料能夠更快、更有效地對(duì)基礎(chǔ)裂隙進(jìn)行填充，能夠加快注漿修復(fù)進(jìn)程。

表2 水泥基/非水泥基注漿材料流動(dòng)度對(duì)比

3.3 力學(xué)性能

由于注漿材料的特殊功能需求，注漿加固工程需要硬化后的注漿材料具有凝結(jié)快、強(qiáng)度高等特性，因此不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下注漿材料的抗壓強(qiáng)度是決定其封堵效果的重要因素。圖3為不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下，水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化關(guān)系曲線。由圖3可知，對(duì)于水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料，其抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而不斷增大。此外，兩種注漿材料的抗壓強(qiáng)度均在養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)趨近于最大值，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的注漿材料抗壓強(qiáng)度較7 d條件下增長(zhǎng)很小。進(jìn)一步觀察可以發(fā)現(xiàn)，非水泥基注漿材料的抗壓強(qiáng)度始終高于水泥基注漿材料。以養(yǎng)護(hù)28 d試樣為例，水泥基注漿材料的抗壓強(qiáng)度為6.02 MPa，而非水泥基注漿材料的抗壓強(qiáng)度為17.33 MPa，是水泥基注漿材料的2.88倍，這表明非水泥基注漿材料具備更好的承載能力。由圖3還可知，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d時(shí)，非水泥基注漿材料的抗壓強(qiáng)度為10.24 MPa，水泥基注漿材料的抗壓強(qiáng)度為3.25 MPa，僅為非水泥基注漿材料的31.15%。由此可見(jiàn)，非水泥基注漿材料的凝結(jié)速度更快，能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的抗壓強(qiáng)度。綜上所述，非水泥基注漿材料凝結(jié)速度快、抗壓強(qiáng)度高，具備更好的注漿封堵性能。

圖3 水泥基/非水泥基注漿材料抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期變化

4 結(jié) 論

1) 非水泥基注漿材料的體積穩(wěn)定性優(yōu)于水泥基注漿材料。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d時(shí)，非水泥基材料的析水率為6.23%，水泥基注漿材料的析水率為10.08%，水泥基注漿材料的析水率較非水泥基注漿材料高出61.73%。

2) 非水泥基注漿材料的抗壓強(qiáng)度大于水泥基注漿材料。養(yǎng)護(hù)28 d后，水泥基注漿材料的抗壓強(qiáng)度為6.02 MPa，而非水泥基注漿材料的抗壓強(qiáng)度為17.33 MPa，是水泥基注漿材料的2.88倍。

3) 本次研究?jī)H針對(duì)水泥基/非水泥基注漿材料的體積穩(wěn)定性、流動(dòng)性和力學(xué)性能展開(kāi)研究，下一步應(yīng)當(dāng)增加凝結(jié)時(shí)間、抗拉強(qiáng)度以及微觀結(jié)構(gòu)等方面的試驗(yàn)研究。