膨脹土-超細水泥-粉煤灰灌漿材料性能試驗研究

艾東　司春霞　呂士展　閻鈳　王新志

摘要：為滿足膨脹土地區(qū)輸水渠邊坡裂縫灌漿材料對流動性、穩(wěn)定性和安全性的要求，利用當?shù)厝跖蛎浲磷鳛榉€(wěn)定劑，結合超細水泥與粉煤灰制備復合型灌漿材料，開展了復合漿液黏度、析水性、結石體強度和密度特性的試驗研究。探究了不同水固比和材料配比對灌漿材料性能影響規(guī)律，結合SEM圖像分析了結石體的微觀結構，最后通過室內(nèi)模擬試驗探討了灌漿后漿-土界面膠結情況。結果表明：固體材料中，膨脹土質量占比介于30%～70%、粉煤灰介于12%～24%之間時，水固比為1.0的漿液兼具良好的流動性和穩(wěn)定性；降低水固比、提高膨脹土摻量可降低復合漿液析水率，改善漿液穩(wěn)定性，添加粉煤灰能改善漿液流動性；灌漿后，漿液水分向土體滲透，伴隨膠結物質遷移，在漿液和土體界面形成過渡層，有利于兩者的黏結。研究結果可為膨脹土輸水渠邊坡裂縫灌漿材料的選取提供科學依據(jù)。

關 鍵 詞：膨脹土； 裂縫； 灌漿材料； 超細水泥； 粉煤灰

中圖法分類號： TV543

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.028

0 引 言

膨脹土因其特殊的吸水膨脹和失水收縮特性成為巖土工程的“麻煩土”［1］。膨脹土填方渠段邊坡裂縫的形成將為降雨入滲和水分蒸發(fā)提供優(yōu)勢通道，加劇渠堤內(nèi)部膨脹土的干濕循環(huán)和劣化程度［2］，成為威脅輸水工程安全運行的潛在風險因素。因此，科學高效地處理膨脹土渠段邊坡裂縫問題十分重要。

裂縫處置的目標在于高質量封堵裂縫空間，有效阻斷渠坡內(nèi)部膨脹土與外界環(huán)境的水汽交換優(yōu)勢通道。裂縫封堵材料與原土體的變形模量和（冷熱、干濕）脹縮系數(shù)越接近，則長期封堵修復效果越好。眾所周知，灌漿技術是封堵裂縫的最常用方法，但相較于常規(guī)灌漿工程，膨脹土輸水渠段坡體裂縫灌漿時還需要考慮漿液構成材料的無毒環(huán)保性、膨脹土的強吸水性以及潛在地下水對漿液穩(wěn)定性的影響［3］。因此，膨脹土渠段坡體裂縫灌漿工程對目標漿液關鍵性能的要求是無毒無害、高流動性和高穩(wěn)定性，以盡可能提高裂縫填充的飽滿度，同時使其具有一定抵御裂縫周邊原位土體吸水和潛在地下水稀釋沖刷的能力。

已有的常規(guī)灌漿材料往往存在缺陷，例如：普通水泥漿液存在穩(wěn)定性較差（易離析，易被地下水稀釋）、收縮率大、材料耗能大、造價高、細微裂縫填充效果差等不足［4-5］；不僅如此，純水泥漿液固結后變形模量遠高于土體，因此與周圍土體變形協(xié)調(diào)性較差，易產(chǎn)生新的裂縫；20世紀普通堤防工程中常用的純黏土漿液則存在“固化”漿液密實度低、強度低、易再次開裂、需要反復多次灌漿等問題；而常規(guī)化學漿液則又多含有對環(huán)境和人體不利的有害成分［6］，不宜作為輸水渠渠堤的灌漿材料。

在常規(guī)灌漿工程中，為改善純水泥漿液的穩(wěn)定性，一般添加工業(yè)級膨潤土作為漿液穩(wěn)定劑。膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的層狀硅鋁酸鹽材料，因吸水能力強而表現(xiàn)出強烈的遇水膨脹特性，具有良好的吸附性和造漿性［7-8］，被廣泛應用于隧道、礦山以及水利灌漿工程。鑒于膨脹土渠段存在大量富含蒙脫石礦物的天然膨脹土，兼具吸水膨脹和分散吸附的功效，從原理上可推知，就地取材利用現(xiàn)場弱膨脹土代替工業(yè)級膨潤土并與超細水泥結合形成復合漿液，不僅有望具備良好的穩(wěn)定性和抗收縮能力［9-11］，還可避免膨潤土生產(chǎn)運輸帶來的能源損耗及工業(yè)污染。

通常漿液穩(wěn)定性與稠度呈正相關，而流動性則與稠度呈負相關，因此穩(wěn)定性和流動性往往存在拮抗效應。添加弱膨脹土顆粒可以滿足調(diào)控漿液穩(wěn)定性的要求，但會導致流動性下降。粉煤灰是一種具有火山灰性質的工業(yè)廢渣，在中國利用率較低。在水泥漿液中加入粉煤灰不僅可以改善漿液的流動性［12-13］，有利于部分膠凝物質的生成和黏結，同時可極大提高工業(yè)副產(chǎn)品的利用效率，減少對環(huán)境的影響。因此考慮添加粉煤灰以平衡漿液的流動性和穩(wěn)定性要求。

綜上，本文針對膨脹土輸水渠段邊坡裂縫灌漿處置需求，基于現(xiàn)場弱膨脹土、超細水泥和粉煤灰3種材料優(yōu)缺點互補的特點，開展室內(nèi)試驗，探究不同水固比和材料摻量對漿液流動性、穩(wěn)定性、結石體強度、結石率和結石體密度等基本性能的影響，結合掃描電鏡和漿-土界面膠結性試驗，初步探討膨脹土-超細水泥-粉煤灰復合灌漿材料的作用機理。目標是提供一類以當?shù)靥烊慌蛎浲翞榉€(wěn)定劑，經(jīng)濟環(huán)保且兼具良好流動性與穩(wěn)定性的灌漿材料配方，為膨脹土地區(qū)輸水渠邊坡裂縫灌漿治理工程材料優(yōu)選提供新選擇。

1 試驗內(nèi)容與方法

1.1 試驗材料

選擇弱膨脹土、1 340目超細硅酸鹽水泥、I級粉煤灰和自來水按一定的比例配制漿液。

（1） 黏土：取自南水北調(diào)中線南陽段填方區(qū)某土料場，為弱膨脹黏性土，其主要化學成分為SiO2和Al2O3，比重為2.73，最大干密度為1.79 g/cm3。將弱膨脹土風干破碎，過2 mm篩。試驗前對風干過篩的弱膨脹土顆粒加水浸泡24 h并充分攪拌。

（2） 水泥：蟠龍山牌1 340目超細硅酸鹽水泥，其細度檢測D90≤9.7 μm，D50≤3.9 μm，初凝時間、終凝時間分別為112 min和181 min，3 d和28 d抗壓強度分別為51.2 MPa和73.5 MPa。

（3） 粉煤灰：鉑潤耐火材料有限公司生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，密度為2.55 g/cm3，5 μm方孔篩余為16%，主要化學成分為SiO2、Al2O3、CaO，其中SiO2含量為45.1%，Al2O3含量為24.2%，CaO含量為5.6%。

（4） 水：選用本地自來水。

1.2 試驗方法及漿液配比

本文選取黏度、析水率、結石體抗壓強度、結石率及結石體密度5個參數(shù)指標以表征漿液的工作性能。漿液黏度測試采用MLN-2型馬氏漏斗黏度計，黏度的表征參數(shù)為一定體積（946 mL）的流體流過標準馬氏漏斗的時間，時間越短表明液體黏度越小、流動性越好；漿液析水率測試方法為將攪拌均勻的漿液倒入250 mL高精度量筒中，用玻璃板密封，然后放在桌面上，直到2 h后記錄液位；28 d齡期結石體抗壓強度測試參考GB/T 17671-2020《水泥膠砂強度檢驗法（ISO法）》；結石率及結石體密度測試采用游標卡尺、電子天平測量漿液在70.7 mm立方體標準試模中硬化后試樣的體積和質量變化。

如表1所列，按照不同的超細水泥與粉煤灰比例將試驗漿液分為膨脹土-超細水泥漿液、膨脹土-超細水泥-粉煤灰（6∶4）漿液、膨脹土-超細水泥-粉煤灰（8∶2）漿液3類，為便于敘述，分別命名為A類漿液、B類漿液、C類漿液。每類漿液膨脹土摻量均按30%，50%，70%，80%和90%設計，共15種不同的配比，每種配比設計0.9，1.0，1.2三種水固比，以探究不同水固比對漿液性質的影響。

需要指出的是，水固比指漿液加水量與固體集料總質量之比，如式（1）～（2）所示；膨脹土摻量是指膨脹土顆粒質量相對于固體集料總質量的占比，如式（3）所示。

r=mw/ma（1）

ma=mc+mf+ms（2）

ωs=ms/ma（3）

式中：r為水固比；mw為漿液加水質量；ma為固體集料總質量；mc為水泥顆粒質量；mf為粉煤灰顆粒質量；ms為膨脹土顆粒質量；ωs為膨脹土摻量。

2 試驗結果及分析

2.1 黏 度

不同類型及水固比的漿液黏度試驗結果如圖1所示?？梢钥闯觯?/p>

漿液黏度與水固比呈負相關關系，水固比越高，流動時間越短，黏度越小，流動性越好。漿液水固比為1.2，1.0，0.9時其流過馬氏漏斗的時間分別為30～40 s，35～55 s，42～110 s。對比不同水固比的漿液黏度曲線形態(tài)可知，膨脹土摻量變化對水固比為0.9的漿液黏度影響程度較大，表現(xiàn)為曲線呈指數(shù)上升趨勢，而對高水固比（1.2）漿液的黏度幾乎沒有影響。由此可見，水固比是控制漿液黏度的關鍵因素，低水固比條件下提高膨脹土摻量會降低漿液的流動性。

水固比相同時，不同類型漿液的黏度大小為：A類漿液＞C類漿液＞B類漿液，可見增大粉煤灰占比有助于減小復合漿液的黏度，改善漿液的流動性。水固比分別為1.2，1.0，0.9時，A、B兩類漿液的黏度差值分別在1～3 s，6～18 s，10～30 s區(qū)間，表明粉煤灰對漿液流動性的改善作用在低水固比條件下更為顯著。

張貴金等［14］研究表明，水固比為1.0時的黏土水泥漿材仍存在屈服應力，屬于賓漢流體，而水固比超過1.5以后，漿材的流變曲線為接近于通過原點的直線，近似為牛頓流體。本次試驗中黏度變化規(guī)律可以理解為：低水固比時，漿液存在的屈服應力較大，難以克服屈服應力發(fā)生流動；水固比的提高會減小屈服應力，降低了顆粒間的相互作用和內(nèi)摩擦以改善漿液流動性。此外，由于膨脹土顆粒自身吸水膨脹而具有較大初始屈服應力，在膨脹土摻量較低時，復合漿液為具有剪脹性的冪律流體，摻量較高時為賓漢流體，致使不同配比的漿液流動性差異較大。

2.2 析水率

析水率反映了漿液的穩(wěn)定性，析水率偏高會影響漿液的流動性和穩(wěn)定性，表現(xiàn)為析水分層現(xiàn)象。漿液析水率測試結果如圖2所示。由圖2可知：

在水固比為1.2時，B、C類漿液析水率均在5%以上，且隨著膨脹土摻量提高而降低；在水固比為1.0及以下時，復合漿液析水率均在2%以下，且其值隨膨脹土摻量變化波動較小，這可能是因為在低水固比條件下膨脹土顆粒具有較強的吸水和吸附能力，與水泥漿液形成了懸浮穩(wěn)定結構，改善了漿液析水率。除此之外，可以看出當水固比相同時，B類漿液析水率是A、C類析水率的2倍以上，說明粉煤灰占比過高會影響漿液的懸浮穩(wěn)定性。膨脹土和超細水泥共同作用可以提高復合漿液穩(wěn)定性，有利于漿液充分填充空隙，進而對注漿工程的有效性至關重要。

萬澤恩等［15］指出，漿液發(fā)生離析、分層、泌水現(xiàn)象與漿液中自由水賦存形式有關，漿液中的一部分水以結合水形式與水泥參與化學反應，剩余的水絕大部分以游離形態(tài)存在于漿液中。相比于普通水泥，本次試驗中使用的超細水泥具有更小的粒徑和更大的比表面積，利于水化反應的進行。低水固比條件下，由于超細水泥與膨脹土顆粒的吸水作用，游離在漿液中的自由水較少，宏觀表現(xiàn)為接近于0的析水率；水固比較高時，漿液中自由水含量較多，同時，隨著B、C類漿液中粉煤灰摻量的提高，漿液固體集料顆粒與水分子的親和性逐漸下降，導致更多的自由水向上溢出，析水現(xiàn)象也更明顯。

2.3 結石體抗壓強度

圖3為復合漿液養(yǎng)護28 d時結石體單軸抗壓強度試驗結果。對比圖3（a）～（c）可知：

結石體抗壓強度大小與水固比、膨脹土摻量呈反比關系。水固比相同時，不同類型漿液結石體抗壓強度值大小為A類＞C類＞B類；當水固比從0.9升高至1.2后，其28 d抗壓強度值顯著降低，最大降幅大于80%。在膨脹土摻量為30%時，A、B、C漿液結石體強度大多在2 MPa以上，最高值達9 MPa，而在膨脹土摻量為80%以上時，漿液結石體抗壓強度均小于0.5 MPa。由此可見，水泥摻量決定了漿液結石體抗壓強度的大小，使用適量膨脹土和粉煤灰替代部分水泥有利于改善純水泥材料高強度帶來的脆性破壞，提高與原位土體的變形協(xié)調(diào)性。

2.4 結石率及結石體密度

漿液結石率是指漿液凝結后的結石體體積與原漿液體積之比。在滿足其他參數(shù)要求情況下，漿液結石率越高越好，灌入土體內(nèi)部后填充程度高而不易產(chǎn)生孔隙。結石率與結石體密度試驗結果如圖 4所示。

如圖4（a）所示，3類漿液具有良好的結石率，除水固比為1.2的B類漿液，漿液結石率均超過90%，最低值為85.86%，最高值接近99.4%，但水固比過高和粉煤灰摻量的增加會降低結石率。在相同條件下，漿液配比的改變對低水固比漿液的結石率影響不顯著，均在1%～3%范圍內(nèi)波動；在水固比相同時，A、C類漿液的結石率明顯大于B類漿液。

如圖4（b）所示，水固比相同時，同種漿液結石體密度隨著膨脹土摻量的減少而微增；水固比不同時，各配比漿液結石體密度大小與水固比呈反相關。固體顆粒摻量相似時（如A3、B3、C3對比），漿液類型變化對漿液結石體密度影響不顯著。

分析認為，自由水的含量變化會顯著影響結石率和結石體密度的大小，水固比增大后，結石體顆粒之間的不穩(wěn)定自由水占據(jù)一定的體積，易析出產(chǎn)生孔隙，進而降低結石率和結石體密度；同時由于水泥分子的比重更大，減少膨脹土的摻量（增加水泥摻量）也會提高結石體密度。

3 微觀結構與機理分析

結合SEM掃描圖像，本文對配比差異較大的A、B類漿液結石體進行了微觀結構觀測，對其膠結形式、密實程度、孔隙大小等微觀形態(tài)與強度、密度等宏觀性質的聯(lián)系進行了分析。試驗前采用50 ℃低溫對試樣進行干燥處理。

圖 5為養(yǎng)護標準養(yǎng)護28 d后水固比均為1.0的不同配比漿液結石體試樣的SEM圖像?？梢钥闯?，絮狀、網(wǎng)絡狀的水泥水化產(chǎn)物將土顆粒和粉煤灰顆粒包裹形成團聚結構，并伴隨部分孔隙。形態(tài)變化上，A2、B2漿液表面多為片狀、針狀、絮狀水化產(chǎn)物與大顆粒團聚的結合體，其孔隙結構較大，密實度低；A5、B5漿液則多為網(wǎng)狀、塊狀的緊密包裹結構，孔隙小，密實程度高。這是由于A2、B2等漿液水泥摻量較低，其漿液中粉煤灰和膨脹土顆粒的分散作用使得水泥水化程度不徹底，未反應的片狀結構的Ca（OH）2居多；而A5、B5等水泥含量較高的漿液中水泥分子接觸充分，水化反應更為徹底，生成了更多團簇狀的C-S-H等膠凝物，相互交錯搭接形成了更為致密的結構體，具有更高的強度和密實度。

圖 6為養(yǎng)護28 d后不同水固比的漿液結石體SEM圖像?？梢钥闯鱿嗤腆w集料配比的漿液水固比越小，其結石體微觀結構越密實，孔隙越小。水固比為1.0時，A5、B5漿液結石體結構堆疊緊密，結晶體發(fā)育良好，出現(xiàn)塊狀、網(wǎng)絡狀的水化產(chǎn)物；水固比為1.2時，其結構疏松，搭接程度不理想，顆粒邊界較為模糊，團聚物之間有明顯的粗大孔隙存在，這可能是由于高水固比條件下固體顆粒間自由水含量高，在水化反應消耗有限的情況下，多余自由水填充在結構物間使得漿液固體顆粒搭接疏松，分散弱化了水化物之間膠結網(wǎng)絡連接。因此，高水固比漿液表現(xiàn)出更高的析水率與更低的強度、結石體密度。

膨脹土-超細水泥-粉煤灰復合漿液作為一個多相懸浮分散體系，其反應過程主要包括各組分之間一系列的復雜物理化學作用。水泥的水化反應生成具有膠黏性質的C-S-H和Ca（OH）2，構成混合物強度的基本骨架。膨脹土顆粒充分吸水分散后，其表面的Na＋或K＋可與水泥水化產(chǎn)物中Ca2＋進行離子交換和凝硬反應，形成較大的團粒包裹結構。同時，粉煤灰與膨脹土表面吸附的膠態(tài)氧化物如SiO2和Al2O3等，逐漸與Ca（OH）2發(fā)生離子交換和凝硬反應，最終生成微晶產(chǎn)物，這些微晶化合物再通過重新結合構成結晶網(wǎng)狀包裹結構，使得復合漿液中的水化產(chǎn)物相互膠結。

4 灌漿材料配比建議原則

綜合現(xiàn)場輸水渠邊坡不同位置裂縫與室內(nèi)不同配比復合型漿液的性能特點，可靈活篩選出適用不同位置裂縫的灌漿材料配比。

（1） 對于邊坡內(nèi)部的細小裂縫，需要低黏度（即高流動性）、低析水率和高結石率的漿液。因此，建議采用膨脹土摻量不超過70%，水固比1.0及以上的B、C類漿液，粉煤灰摻量可隨裂縫分布深度增大而增多，但不宜超過固體集料總質量的24%。

（2） 針對邊坡表面寬大且需增加土體強度的裂縫，宜采用結石率高、結構密實、結石體抗壓強度高的漿液。為此，建議采用膨脹土摻量較少的A類、C類漿液，其水固比宜控制在1.0以下，水泥摻量宜大于50%。

5 漿-土界面膠結效果分析

裂縫灌漿效果的檢測一直是一個未能得到很好解決的問題?，F(xiàn)場通常采用探坑探槽、鉆孔取芯、洛陽鏟挖掘法等具有一定破壞性的方法較為粗糙地觀察裂縫大體填充情況，由于裂縫往往具有復雜的空間展布形態(tài)，上述方法難以很好地檢測漿液與裂縫周邊土體的相互黏結情況。從灌漿材料封堵裂縫空間，阻斷水汽交換通道的目標出發(fā)，本文認為灌漿效果的檢驗問題可以概化為漿液與裂縫土體在界面的相互作用效果問題。為此，設計內(nèi)徑50 mm、高度100 mm的圓柱體透明有機玻璃容器觀測漿液與模擬裂縫的界面膠結情況。如圖7（a）所示，先壓制直徑50 mm、高度100 mm的圓柱土樣（最優(yōu)含水率16.2%，壓實度96%），隨后加工成直徑50 mm×高度100 mm圓柱體挖空1/4直截面、直徑50 mm×高度50 mm圓柱體不規(guī)則斜截面、直徑50 mm×高度50 mm圓柱體不規(guī)則橫截面等3種不同形狀的試樣，將其放置于密封的有機玻璃容器中，并采用水固比為1.0的A3、A4、A5和C3、C4、C5漿液進行模擬灌漿試驗（見圖7（b）），隨后觀測漿液與土體交界面的形貌及含水率變化，最后，拆分試樣以觀測其內(nèi)部界面的接觸情況。

如圖7（b）所示，在灌漿初期，觀測到土體逐漸濕潤，其頂部發(fā)生膨脹，證明土體吸收了漿液中的部分水分。此時漿液液面略有下降，需要及時進行補漿，這與工程現(xiàn)場多次灌漿類似。灌漿1 h后液面保持穩(wěn)定狀態(tài)，未出現(xiàn)空洞和離析分層現(xiàn)象，證明漿液在部分失水情況下仍具有良好的均勻性和穩(wěn)定性。密封1～3 d期間，漿液逐漸凝固，與土體貼合緊密，無明顯縫隙和鏤空現(xiàn)象。如圖7（c）所示，養(yǎng)護3 d后拆模，結合體試樣仍保持良好的整體性，漿-土交界面處無自動松動滑脫和斷裂現(xiàn)象。通過測量發(fā)現(xiàn)交界面處土體含水率上升5%～6%，證明漿液部分水分遷移至臨近土體，這種滲透伴隨部分水泥等可溶性膠結物質的遷移，利于漿液與不規(guī)則斷裂面的嵌合，形成具有一定整體性的封堵體。如圖7（d）所示，拆分結合體試樣觀察內(nèi)部接觸面發(fā)現(xiàn)漿液結石體不規(guī)則表面覆蓋厚度為1～2 mm的土層，這說明漿液與土體顆粒充分接觸，在凝結過程中相互咬合并在交界面形成了具有一定厚度的緩沖層，有利于灌漿材料與原位土體密閉黏結，減少由于不同材料的性質差異而產(chǎn)生的構造裂縫。

由此推測，在實際工程中漿液灌入渠坡裂縫后伴隨著部分水分的遷移，致使裂縫兩側土體含水率升高。由于堤壩內(nèi)原位土體的吸水膨脹，降低了其密實程度，加之在外部灌漿壓力的共同作用下，有利于漿液填充裂縫并滲入到周圍一定厚度的土體中。通過滲透、擠密、咬合的共同作用，漿液硬凝后與裂縫面附近土體產(chǎn)生嵌固膠結，在原有的裂縫空間形成新的網(wǎng)絡骨架結構，填充裂縫空間的同時提高了渠坡的整體強度，可大大降低大氣降雨入滲對內(nèi)部土體的潛在弱化影響。

6 結論與展望

本文針對膨脹土輸水渠邊坡裂縫灌漿材料的優(yōu)選問題，就地取材，嘗試了利用現(xiàn)場弱膨脹土進行制漿，系統(tǒng)開展室內(nèi)試驗，研究膨脹土、超細水泥、粉煤灰3種材料所配制的復合漿液其基本特性，得出主要結論如下：

（1） 在膨脹土-超細水泥-粉煤灰灌漿材料體系中，水固比、固體顆粒摻量是影響漿液宏觀性質的關鍵因素，其中：弱膨脹土使?jié){液具有良好的保水性和穩(wěn)定性；超細水泥是漿液結石體膠結強度的主要來源；粉煤灰可以提高漿液流動性的可調(diào)控程度，提高可灌性。當水固比為1.0，膨脹土摻量為30%～70%，粉煤灰摻量為12%～24%，復合漿液兼具良好的流動性和穩(wěn)定性。可結合現(xiàn)場實際情況適度靈活改變材料配比以達到工程所需性能要求。

（2） SEM結果表明：漿液水固比增大將導致其結石體孔隙變大，結構疏松，密實度降低；膨脹土摻量直接影響水化產(chǎn)物間膠結的密實程度，其摻量較低時，膨脹土顆粒被水泥膠凝產(chǎn)物和粉煤灰包裹形成致密嵌合結構。

（3） 漿液灌入裂縫后會發(fā)生水分遷移，伴隨著膠結物質的流動，在漿液和土體界面形成一定厚度的膠結過渡層，漿液的滲透和不規(guī)則裂縫面咬合的共同作用有利于漿液與裂縫周邊土體的黏結和穩(wěn)定。

本文通過室內(nèi)試驗探究了不同配比和水固比條件下膨脹土-超細水泥-粉煤灰復合漿液的工程特性，后續(xù)將在室內(nèi)試驗結果基礎上開展現(xiàn)場灌漿試驗以驗證漿材的適用性和實際灌漿效果。

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（編輯：胡旭東）

Experimental study on properties of expansive soil-ultrafine cement-fly ash grouting material

AI Dong1，SI Chunxia2，LYU Shizhan3，YAN Ke3，WANG Xinzhi3

（1.School of Urban Constriction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China； 2.The Yellow River Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450040，China； 3.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：

In order to meet the requirements of fluidity，stability and safety of grouting materials for cracks in canal slopes in expansive soil areas，a composite grouting material was prepared by using local weak expansive soil as the stabilizer，combining with ultrafine cement and fly ash.The viscosity，water separation，stone strength and density characteristics of the composite slurry were studied.The influence of different water-solid ratio and material ratio on the performance of grouting materials were explored；and the micro structure of the stone body was analyzed by SEM scanning.The cementation of the slurry-soil interface after grouting was discussed by indoor simulation test.The results showed that the slurry with the water-solid ratio of 10 has good fluidity and stability when the mass ratio of expansive soil is between 30 % and 70 % and fly ash is between 12 % and 24 %.Reducing the water-solid ratio and increasing the content of expansive soil can reduce the drainage rate of composite slurry and improve the stability of slurry.Adding fly ash can improve slurry fluidity；after grouting，the slurry water penetrates into the soil，accompanied by the migration of cementing materials，forming a transition layer at the interface between the slurry and the soil，which is conducive to the bonding between the two.The research results can provide a scientific basis for the selection of crack grouting materials for expansive soil canal slope.

Key words： expansive soil；crack；grouting material；ultrafine cement；fly ash

收稿日期：2022-04-24

基金項目：國家自然科學基金項目（41702350）

作者簡介：艾 東，男，碩士研究生，研究方向為膨脹土工程特性。E-mail：1339237024@qq.com

通信作者：呂士展，男，助理研究員，博士，主要從事巖土介質顆粒形貌表征及工程特性研究。E-mail：szlv@whrsm.ac.cn