周瑤, 王貴和, 劉長友, 常永浩
(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院, 徐州 221116; 2.中國煤炭地質總局勘查研究總院, 北京 100039;3.中國地質大學(北京)工程技術學院, 北京 100083; 4.廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司, 廣州 510440)
地下水滲流問題和巖土體變形控制是隧道工程的重難點。為防止隧道開挖時地下水滲流引起的涌水、突泥等災害和巖土體開挖卸載引發(fā)的土體失穩(wěn)、坍塌等事故的發(fā)生,需對巖土體進行控水和加固處理。降水法[1]、凍結法[2]和注漿法[3-4]等是常用的技術手段。其中,注漿法因其可以增加巖土體的穩(wěn)定性,提高巖土體的承載力和防滲性,在隧道工程中尤其是富水條件下得到了廣泛的應用[5-8]。注漿材料是影響注漿效果的重要因素之一[9]。目前,針對注漿材料的研究層出不窮,注漿材料的種類日益繁多,其中,水泥-水玻璃(cement-sodium silicate,CS)漿液因具有凝膠時間可調、材料來源豐富、價格較低等優(yōu)點[10],經(jīng)常應用在隧道工程中。但CS漿液還存在漿液易離析[11]、凝膠時間調節(jié)精度有限等缺陷,限制了它的使用。一些學者將膨潤土作為穩(wěn)定劑加入CS漿液中,取得了較好的效果[12]。Sha等[13]選用水泥、粉煤灰、膨潤土和減水劑等材料制備了水泥基注漿材料,并推薦膨潤土的摻量在0~5%,以便在提高漿液的穩(wěn)定性的同時不嚴重降低漿液的流動性和漿液結石體的強度。萬志等[14]采用粉煤灰和膨潤土對CS漿液進行了防滲性能的改性研究,發(fā)現(xiàn)改性后的漿液在現(xiàn)場應用效果良好,滿足防滲性要求,并推薦配比膨潤土摻量為5%。Azadi等[15]利用水泥、膨潤土、水玻璃、碳酸鈉和三乙醇胺優(yōu)化了水泥基漿液的性能,得出膨潤土在摻量2%~3%時的作用效果最好的結論。在這些研究中,為了對漿液的強度和流動性不產(chǎn)生過多的負面影響,一般建議將膨潤土的摻量控制在5%以內,并且,這些研究多數(shù)采用鈣基或鈉基膨潤土,較少采用鋰基膨潤土。
膨潤土的主要成分為層狀礦物蒙脫石,依據(jù)蒙脫石層間的陽離子種類,膨潤土可分為鈉基、鈣基、鎂基及鋁基等多種類型[16]。鋰基膨潤土(簡稱鋰土)是由天然膨潤土經(jīng)過碳酸鋰改性而成的,不僅有鈉基膨潤土的性能,還具備有機膨潤土的特性,常用作水基涂料、耐火基涂料的增稠劑和懸浮穩(wěn)定劑。鄧鑫等[17]采用Viskomat NT流變儀研究了膨潤土類別對建筑石膏流變性能的影響,發(fā)現(xiàn)隨著鋰基和鈉基膨潤土摻量的增加,建筑石膏漿體的屈服應力顯著提高,流變性從剪切稀化轉變?yōu)榧羟性龀?,觸變性逐漸增強,黏度系數(shù)逐漸降低,而鈣基膨潤土對漿體的流變性影響不大。任建曉等[18]利用天然鈣基膨潤土改性制得了鋰基膨潤土,并探究了鋰基膨潤土摻量、吸附溫度、吸附時間、松香酸濃度對松香酸的吸附特征的影響情況,發(fā)現(xiàn)鋰基膨潤土相較于天然鈣基膨潤土,吸水性和吸附量均有了一定的提高。陳學更等[19]考察了鋰基膨潤土、鈉基膨潤土及凹凸棒土等無機防沉劑對鑄造涂料性能的影響,發(fā)現(xiàn)鋰基膨潤土在提高涂料懸浮穩(wěn)定性方面優(yōu)于鈉基膨潤土。實踐證明,采用鋰基膨潤土制成的快干涂料的懸浮性能優(yōu)于鈣基、鈉基膨潤土,這種優(yōu)良的懸浮特性為CS漿液的改性提供了新思路。
為解決CS漿液離析大和凝結時間調節(jié)精度有限等問題,現(xiàn)以鋰基膨潤土為改性劑,選用工程中常用的水泥和水玻璃為原材料,通過測試鋰土改性CS漿液的表觀黏度、析水率、凝膠時間和抗壓強度,研究高含量(0~30%)鋰土對CS漿液性能的影響規(guī)律,并利用X射線衍射儀(X-ray diffraction, XRD)分析漿液結石體的水化產(chǎn)物,探究漿液的水化機理,以期獲得性能優(yōu)異的鋰土改性CS漿液,彌補CS漿液的缺陷,為巖土體控水、加固及礦山破碎巖層注漿加固提供新型注漿材料,也為解決地下水滲流和巖土體變形控制提供試驗參考。
選用鋰土、P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、鈉水玻璃進行CS漿液的室內改性試驗。鋰土和水泥的化學組分如表1所示,粒徑分布如圖1所示,其中,圖1中的D10、D50、D90分別是體積累積分布為10%、50%、90%時的最大顆粒的等效直徑(平均粒徑)。水玻璃的主要性能指標如表2所示。經(jīng)粒度2000型激光粒度分布儀測得水泥和鋰土的比表面積分別為827 m2/kg和613 m2/kg。
表1 原材料的化學組成Table 1 Chemical compositions of cement and bentonite
圖1 原材料的粒徑分布Fig.1 The particle size distribution of cement and bentonite
表2 水玻璃的基本性能Table 2 The properties of water glass
本次共設計21組試驗配比,組分A和組分B的體積比為5∶1。其中,組分A為水泥、鋰土和水的混合溶液,水固比(water/solid,W/S)為1.5∶1、2.0∶1、2.5∶1,鋰土為水泥和鋰土固體總質量的0、5%、10%、15%、20%、25%、30%,具體方案如表3所示。組分B為按照水395份和水玻璃605份將50°Bé水玻璃稀釋到35°Bé的水玻璃溶液。
漿液黏度采用ZNN-D6型六速旋轉黏度計測定。
表3 組分A的試驗方案Table 3 Experimental scheme of component A
先將配置好的組分A溶液倒入黏度計的量杯中,然后迅速倒入組分B混合均勻。最后將黏度計的轉速調至600 r/min,等讀數(shù)穩(wěn)定后讀取數(shù)值并記錄,如圖2(a)所示。讀數(shù)的一半即為漿液的表觀黏度。
圖2 樣品制備及測試Fig.2 Samples preparation and test
漿液析水率采用重力沉淀法測定。具體操作如下:稱取500 mL的配制好的組分A和組分B的混合漿液放入帶有刻度的量筒中,靜置2 h后,讀取上層清水的體積,析出的水的體積與500 mL漿液的體積之比的百分數(shù)即為析水率,如圖2(b)所示。
由于水泥和水玻璃相接觸就會迅速發(fā)生反應,所以凝膠時間較短,一般采用倒杯法[13]測試漿液的凝膠時間。具體操作如下:首先將組分A和組分B分別倒進兩個燒杯中,然后將組分A倒入裝有組分B的燒杯中,攪拌均勻后再將混合漿液倒入另一只空燒杯中,如此反復進行直到漿液完全失去流動性為止,操作時間即為漿液的凝膠時間,如圖2(c)所示。
按照2.2節(jié)的試驗配比進行試塊的預制,漿液結石體在標準養(yǎng)護箱中以(20±2) ℃和相對濕度95%的條件養(yǎng)護至相應齡期后,參考水泥膠砂強度檢驗方法(IOS法)(GB/T 17671—1999),利用BSRD-2015型勻加荷壓力試驗機(遼寧貝瑞德裝備制造有限公司)測試不同齡期漿液結石體的抗壓強度,如圖2(d)所示??箟簭姸戎等?個試塊的平均值,養(yǎng)護時間為1 d和3 d。
將經(jīng)由抗壓強度試驗所得破碎試塊用無水酒精終止水化,然后用研缽研磨至粉末無顆粒感,置入干燥箱中干燥,密封防止碳化。然后采用D/Max IIIA型X射線衍射儀和Jade 6.0軟件分析漿液結石體的水化礦物組成,如圖2(e)所示。
黏度是液體的基本性能,是液體內分子間的內摩擦力作用的結果[20]。漿液的表觀黏度決定著漿液的可泵性和流動性。黏度較大會使?jié){液在泵送和流動時受到較大的摩擦阻力,影響注漿過程。
圖3為鋰土對CS漿液表觀黏度的影響試驗結果和曲線擬合結果,水固比為1.5、2.0和2.5的擬合系數(shù)R2分別為0.994、0.986和0.972,說明曲線擬合效果較好。由圖3可知,在相同水固比條件下,隨著鋰土摻量的增加,漿液的黏度逐漸增加,說明鋰土摻量與漿液的表觀黏度呈正相關。這與鋰土的層狀結構密切相關,鋰土遇水高度分散,搭接成網(wǎng)狀結構,將大量的自由水包裹形成束縛水,從而增加了漿液的表觀黏度。鋰土在0~30%變化時,水固比為1.5、2.0和2.5的漿液表觀黏度變化范圍分別為5~19 mPa·s、4~15 mPa·s、3~10 mPa·s。
漿液的表觀黏度隨著水固比的增加而減小,這是因為水稀釋了漿液的濃度,擴大了水泥、鋰土顆粒間的距離,降低了水泥顆粒間的接觸概率,間接影響了水泥水化的反應速率,減少了水化產(chǎn)物的生成量,也會導致漿液表觀黏度的減小。這一現(xiàn)象說明,可以通過增加水固比降低漿液的表觀黏度,從而改善漿液的可泵性和流動性。
圖3 鋰土對漿液表觀黏度的影響Fig.3 The effect of Li-bentonite on the apparent viscosity of grouts
析水率影響著漿液的流動性、可泵性、結石率和最終的注漿加固效果。漿液析水率越小,穩(wěn)定性越高,對地層的填充性就越好。一般將漿液靜置2 h后的析水率小于5%作為穩(wěn)定漿液的評價標準[21]。
圖4為水固比與鋰土摻量對漿液的析水率影響結果。由圖4(a)可以看出,在相同水固比條件下,漿液的析水率隨鋰土摻量的增加而直線下降,這說明鋰土可以明顯降低漿液的析水率,起到穩(wěn)定漿液的作用。這是因為鋰土的主要成分是具有特殊的晶體構造的蒙脫石,蒙脫石的晶胞間聯(lián)系不緊密,可交換的陽離子數(shù)目多,使得水分子易進入晶胞之間,使得鋰土易在水中水化分散,搭接成網(wǎng)狀結構[22-23],這樣就包裹住了較多的自由水,減少了水泥的離析,改善了漿液的穩(wěn)定性。而且,鋰土攜帶的鋰離子半徑小,具有很高的電荷密度,可以吸附大量的水分子,形成能夠穩(wěn)定存在于漿液中的水合離子,提高了漿液的穩(wěn)定性。
其中,水固比為1.5時,漿液的析水率的變化范圍為0~36%,在鋰土摻量為20%~30%時,漿液穩(wěn)定,即析水率小于5%,為3%~0。水固比為2.0時,漿液的析水率的變化范圍為3%~46%,在鋰土摻量為25%~30%時,漿液穩(wěn)定,析水率為4%~3%,而水固比2.5時,漿液的析水率的變化范圍為8%~55%,鋰土摻量在30%以內無法使?jié){液穩(wěn)定。此時,鋰土在大量的自由水存在的情況下,吸水能力已然不夠,不能完全包裹住自由水,但仍有一定的降低析水率的效果。
圖4 鋰土對漿液析水率的影響Fig.4 Effect of Li-bentonite on the bleeding of grouts
此外,對試驗結果進行了線性擬合,如圖4(b)所示,水固比為1.5、2.0和2.5擬合系數(shù)R2分別為0.968、0.990和0.993,直線的斜率k分別為-1.279、-1.621和-1.564。由線性擬合的斜率k可知,在水固比為2.0時,直線的斜率絕對值最大,說明鋰土在這個配比下改善漿液穩(wěn)定性的效果最好。
漿液的凝膠時間決定了漿液在地層中的擴散范圍和可操作性,凝膠時間過長,漿液就易被地下水沖刷,從而稀釋漿液,造成注漿效果不良,凝膠時間過短,漿液的擴散范圍較小,即對加固的地層范圍較小,無法滿足工程的需要。為此,漿液的凝膠時間應該保證在一個合理的范圍內,既要滿足現(xiàn)場制備漿液和施工操作的要求,也要滿足對地層相關參數(shù)的控制。
圖5為鋰土對漿液凝膠時間的影響結果。由圖5可知,鋰土在摻量為0~10%時,不論水固比如何變化,漿液凝膠時間都被縮短了,且在鋰土摻量為5%時,凝膠時間最短;而在鋰土摻量超過10%時,漿液凝膠時間隨著鋰土摻量的增加而被延長。說明小摻量(10%以內)的鋰土可以加速水泥和水玻璃之間的化學反應,而大摻量的鋰土可能覆蓋水泥水化的反應位點,反而會阻礙反應的進程。試驗結果表明,通過調節(jié)鋰土摻量可以精確控制漿液的凝膠時間,達到延長或縮短凝膠時間的目的。
水固比對漿液凝膠時間的影響也較為顯著,相同鋰土含量條件下,凝膠時間隨著水固比的增加而延長,水固比為2.5時,漿液的凝膠時間最長,與水固比作用于漿液表觀黏度的原因類似,較多的水分起到了稀釋作用,增加了固體顆粒之間的距離,從而延緩了它們之間的水化反應。同時水固比增大,導致結石體內部孔隙率升高[9],形成的結石體均質性較差,也會使結石體各齡期強度均迅速降低。
由試驗結果可知,通過改變水固比和鋰土摻量可將CS漿液的凝膠時間精確控制在22~67 s。
圖5 鋰土對漿液凝膠時間的影響Fig.5 Effect of Li-bentonite on the setting time of grouts
圖6 鋰土對漿液結石體抗壓強度的影響Fig.6 Effect of Li-bentonite and water-solid ratio on compressive strength of slurry stone body
圖6為鋰土對改性CS漿液結石體1 d和3 d抗壓強度影響的試驗結果。根據(jù)試驗結果,對1 d強度和3 d強度的試驗結果進行曲線(鋰土摻量0~20%)和線性擬合(鋰土摻量20%~30%)。水固比為1.5、2.0和2.5的結石體在1 d的曲線和線性擬合的擬合系數(shù)R2分別為0.688、0.995、0.995和0.984、0.995、0.846;在3 d的曲線和線性擬合系數(shù)R2分別為0.983、0.999、0.969和0.947、0.960、0.724。其中,水固比為2.0時的擬合效果最好。
由圖6可知,隨著鋰土含量的增加,在相同水固比條件下,漿液結石體1 d和3 d抗壓強度先曲線增加后直線下降,基本都在鋰土摻量為20%左右時達到最大。水固比為1.5、2.0和2.5的1 d和3 d強度增加率最大分別為8.89%、42.31%、50.00%和6.06%、38.64%、16.67%。其中水固比為2.0時強度增加比較穩(wěn)定,1 d和3 d齡期的增幅相差不大。而在鋰土含量相同時,漿液結石體1 d抗壓強度隨著W/S的增加而降低,在鋰土摻量超過25%時,3個水固比之間的強度差距變小。在鋰土含量為30%左右時,水固比為2.0的試樣強度成為最大;漿液結石體3 d抗壓強度隨著W/S的增加也是降低的趨勢,在鋰土摻量為25%以后,水固比為2.0的結石體的抗壓強度最大。
綜上分析,在水固比為2.0,鋰土摻量20%左右時,結石體強度的增幅效果最為突出,而且增值率比較穩(wěn)定,1 d和3 d抗壓強度分別為3.7 MPa和6.1 MPa。
為分析鋰土對結石體強度的作用機制,選用水固比為2.0,鋰土摻量為20%的配比進行了XRD試驗分析。圖7為改性CS漿液結石體在不同水化齡期(1 d和3 d)礦物組成的分析結果。由圖7可以看出,改性CS的水化產(chǎn)物為碳酸鈣(C),水化硅酸鈣凝膠(CSH),鈣礬石(AFt),單硫型硫鋁酸鈣(AFm)和膨潤土(B)。這與普通水泥的水化產(chǎn)物[24]基本相同,只不過由于水泥和水玻璃[25]、水泥和膨潤土之間的火山灰反應而沒有發(fā)現(xiàn)氫氧化鈣衍射峰的存在。
氫氧化鈣的結晶度較高,其微觀結構為六角棱狀,是結石體易產(chǎn)生裂縫的地方。因此,鋰土和水玻璃與水泥的火山灰反應消耗了氫氧化鈣,降低了結石體產(chǎn)生的裂縫幾率,提高了結石體的結構穩(wěn)定性,從而提高了結石體強度。同時,有文獻表明[26],小半徑的鋰離子對水泥水化形成的保護膜具有良好的破壞作用,從而促進了水泥的水化進程。在改性CS漿液中,鋰土的加入也相當于引入鋰離子,提高了結石體的強度。此外,鋰土的顆粒比水泥的顆粒小(圖1),未參加反應的鋰土還起到了物理填充的作用,降低了結石體的孔隙率,同樣對改性CS漿液結石體的強度起到了積極的作用。
θ為衍射半角;2θ為衍射角圖7 不同水化齡期漿液結石體的礦物組成Fig.7 Mineral composition of grouts in different hydration ages
通過室內試驗探究了大摻量鋰土對CS漿液的性能的影響,發(fā)現(xiàn)鋰土改善了CS的析水率、凝膠時間及抗壓強度等性能,得到以下結論。
(1)鋰土可以提高CS漿液的表觀黏度,摻量與漿液黏度呈正相關,但是總體來說提高的幅度不大。鋰土在0~30%變化時,水固比為1.5、2.0和2.5的漿液表觀黏度變化范圍分別為5~19 mPa·s、4~15 mPa·s、3~10 mPa·s。
(2)由于鋰土特殊的層狀結構和小半徑鋰離子的水合作用,使得鋰土可以降低CS漿液的析水率,有效提高CS漿液的穩(wěn)定性,其中在水固比2.0左右時的作用效果最好。
(3)鋰土可以精確控制CS漿液的凝膠時間,可控制在幾十秒到幾分鐘內,鋰土與漿液凝膠時間的關系與鋰土的摻量關系密切,在鋰土摻量小于10%時,凝膠時間與鋰土摻量呈負相關,而當鋰土摻量大于10%后,凝膠時間與鋰土摻量呈正相關;而水固比與凝膠時間始終呈正相關,這是水的稀釋作用造成的。
(4)當水固比為2.0,鋰土摻量為20%左右時,CS漿液的固結體抗壓強度達到峰值,1 d和3 d抗壓強度分別為3.7 MPa和6.1 MPa,通過XRD分析,改性CS漿液結石體并沒有生成新的水化產(chǎn)物。