粘土水泥注漿材料抗水溶蝕特性試驗(yàn)研究

李小梅 張貴金

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院 長(zhǎng)沙市 410114）

粘土水泥漿材在礦山開采、垃圾填埋、水利工程、隧道工程等注漿工程中應(yīng)用日益廣泛[1～4]，注漿形成的帷幕為隱蔽工程、不便于檢測(cè)，其耐久性關(guān)系到工程的安全和正常使用。保障結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)營(yíng)、延長(zhǎng)工程的使用年限，是帷幕灌漿的重要目標(biāo)。而地下水侵蝕是導(dǎo)致工程耐久性不足而引起失事的原因之一，如瑞典的Hallby和Suorva土壩，由于心墻帷幕下長(zhǎng)期受地下水侵蝕形成落水洞，導(dǎo)致壩頂突然沉陷，心墻下部巖石基礎(chǔ)滲流量迅速增大[5]；大黑汀水庫壩基的地下水的溶出性和軟水侵蝕，降低了帷幕的防滲效果，甚至危及大壩安全[6]。注漿材料性能研究時(shí)，多采用室內(nèi)溶蝕試驗(yàn)結(jié)合微觀測(cè)試綜合評(píng)價(jià)注漿材料的耐久性能。

粘土水泥漿是由粘土、水泥、水和固化劑組成的具有加固和堵水效果的漿液。粘土水泥灌漿材料的耐久性研究，國(guó)內(nèi)外成果不多，多參考水泥基材料耐久性研究方法（浸泡、滲淋、質(zhì)量損失試驗(yàn)）進(jìn)行評(píng)價(jià)。如采用浸泡方法，將試件置于不同類型的侵蝕溶液中浸泡，通過比較材料在各種侵蝕性溶液中的抗蝕系數(shù)，研究材料的抗侵蝕性能[7]；考慮浸泡時(shí)間、侵蝕介質(zhì)濃度條件下，漿材結(jié)石體化學(xué)成分的變化，評(píng)價(jià)帷幕的耐久性[8]；測(cè)定結(jié)石體強(qiáng)度與滲透系數(shù)的關(guān)系，根據(jù)結(jié)石體的抗?jié)B能力評(píng)價(jià)注漿材料的耐久性能[9]；材料配比和浸泡溶液的pH值對(duì)結(jié)石體抗?jié)B性能的影響以評(píng)價(jià)耐久性能[10]。

由于室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試時(shí)間有限，短期內(nèi)耐久性變化較小，采用宏觀測(cè)試如抗折強(qiáng)度、塑性強(qiáng)度等方法對(duì)比分析耐久性誤差較大。因此，本試驗(yàn)采用原子吸收分光光度計(jì)微觀測(cè)量溶液中CaO的溶出量，并比較粘土水泥注漿材料與相同水固比、水灰比的純水泥材料及各種配比材料在純水和工程地下水中的CaO溶出情況，評(píng)價(jià)粘土水泥材料的抗溶蝕性能。

1 抗水溶蝕離子試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

粘土：該試驗(yàn)用粘土取自托口河灣地塊。

水泥：試驗(yàn)用水泥為425#普通硅酸鹽水泥，其CaO成分含量為55.25%。

水：試件拌制用水采用自來水。試驗(yàn)過程試件的養(yǎng)護(hù)采用超純水及工程地下水。

改性劑：本試驗(yàn)膏漿添加的改性劑有偏鋁酸鈉、石膏及膨潤(rùn)土。

1.2 試驗(yàn)配合比

為了比較粘土水泥系漿材結(jié)石體與純水泥漿材結(jié)石體試件在水溶液中浸泡的穩(wěn)定性，取5組試件進(jìn)行試驗(yàn)。試件配比見表1。

表1 試驗(yàn)各組材料配比成果表

1.3 試驗(yàn)方法

按表1配比制成的試塊，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)7天，分別置于純水和工程地下水中浸泡。每個(gè)齡期分別取5 ml溶液用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)量Ca2+的濃度，根據(jù)溶出鈣離子濃度計(jì)算溶出氧化鈣的含量，對(duì)比各組試件在兩種浸泡溶液中的氧化鈣溶出情況，評(píng)價(jià)粘土水泥漿材的抗溶蝕性能和耐久性能。

原子吸收分光光度計(jì)測(cè)量離子濃度有火焰法和石墨爐法，火焰法的測(cè)試精度較石墨爐法高，干擾背景較少，本試驗(yàn)采用該方法測(cè)量鈣離子濃度。火焰法測(cè)量時(shí)要求待測(cè)溶液在酸性環(huán)境下進(jìn)行，且待測(cè)濃度最好在配制的一系列標(biāo)準(zhǔn)濃度范圍內(nèi)。因此，該方法的測(cè)試步驟復(fù)雜，溶液測(cè)量前需對(duì)溶液進(jìn)行處理。具體步驟包括：①配制一系列濃度的釋放劑；②配制一系列鈣標(biāo)準(zhǔn)溶液；③測(cè)試并選擇釋放劑；④硝解待測(cè)溶液；⑤稀釋待測(cè)溶液；⑥調(diào)配儀器參數(shù)；⑦測(cè)量溶液濃度。每次測(cè)量重復(fù)以上步驟進(jìn)行。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

CaO溶出量計(jì)算公式如下：

式中k——CaO分子量與Ca分子量之比；

A——溶液稀釋的倍數(shù)；

V液——待測(cè)溶液的體積，1 000 mL；

Cca2+——待測(cè)溶液Ca2+濃度（mg/L）。

（1）純水浸泡各試件氧化鈣隨時(shí)間溶出的情況。

實(shí)測(cè)鈣離子濃度原始數(shù)據(jù)見表2，CaO溶出量隨浸泡時(shí)間變化關(guān)系如圖1所示。

圖1 純水浸泡各試件CaO溶出量隨時(shí)間變化曲線

表2 鈣離子濃度實(shí)測(cè)值

圖1中數(shù)據(jù)表明，各試件的溶出曲線基本一致，前期溶出速率快、中后期溶出速率慢。相同水固比的純水泥漿A1比穩(wěn)定漿液A5的CaO溶出多；相同水固比的穩(wěn)定漿液A5比膏漿A4的CaO溶出多；0.5∶1的純水泥試件離子溶出最少，幾組浸泡溶液的CaO達(dá)到一定濃度后幾乎停止溶解。

通過數(shù)據(jù)可得出，灌漿材料中添加改性劑、粘土對(duì)CaO的溶蝕有一定的影響，用重量相等的粘土代替水泥可減慢CaO的溶出，加入改性劑可減緩CaO的溶出。可能原因是改性劑中某些成分與原漿中活性物質(zhì)（SiO2、AlO33-、CaO）生成膠凝物質(zhì)，激發(fā)粘土的潛在活性，增強(qiáng)了整體的強(qiáng)度；且添加改性劑加快了水泥水化的速度，導(dǎo)致強(qiáng)度上升較快；浸泡水溶液的Ca2+不易溶出，導(dǎo)致改性粘土水泥膏漿氧化鈣溶出量少于穩(wěn)定漿液。相同水固比的穩(wěn)定漿材離子溶出量低于純水泥漿材，是由于在硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物中，Ca（OH）2是最易溶解的組分，純水泥漿材結(jié)石體水泥總量較穩(wěn)定漿材多，生成的Ca（OH）2多，溶解量大。水灰比越小，結(jié)石體的孔隙越小，含水率越小，結(jié)石體越穩(wěn)定，CaO溶出越少，因此，水灰比為0.5∶1的純水泥試件溶出最少。還可得知，浸泡溶液氧化鈣濃度達(dá)到一定量后濃度幾乎不變，是由于結(jié)石體的水化產(chǎn)物需一定Ca（OH）2濃度下才能穩(wěn)定存在。說明粘土水泥膏漿在地下水環(huán)境中的抗溶出能力更好，即膏漿的耐久性較同水固比穩(wěn)定漿液、純水泥漿更好。

（2）地下水各試件氧化鈣隨時(shí)間溶出的情況。

鈣離子濃度實(shí)測(cè)原始數(shù)據(jù)見表3，CaO隨浸泡時(shí)間溶出如圖2所示。

表3 地下水浸泡鈣離子濃度實(shí)測(cè)值

圖2 地下水浸泡各試件CaO溶出量隨時(shí)間變化曲線

由圖2可看出，膏漿試件在地下水中浸泡的氧化鈣溶出量明顯低于相同水固比的穩(wěn)定漿液和純水泥漿試件，且純水泥漿試件溶出最多，且各組溶液濃度均在達(dá)到一定值后保持穩(wěn)定。說明粘土水泥膏漿在地下水環(huán)境中的抗溶出能力更好，即膏漿的耐久性較同水固比穩(wěn)定漿液、純水泥漿更好。

圖3列出水灰比為1.1∶1的純水泥漿和粘土水泥膏漿兩組試件在純水和工程地下水中的離子溶出情況。

圖3 不同浸泡溶液CaO溶出關(guān)系曲線

從圖3可看出相同配比的試件在純水和工程地下水中浸泡，CaO溶出曲線規(guī)律基本一致，地下水浸泡的試件CaO溶出較純水浸泡中少。說明了該工程地下水中存在某些離子（如Ca2+、OH-）可減緩結(jié)石體中Ca（OH）2的溶解，工程地下水環(huán)境中結(jié)石體試件的穩(wěn)定性更好，即耐久性更好。

3 小 結(jié)

（1）粘土水泥膏漿抗溶蝕性能優(yōu)于粘土水泥穩(wěn)定漿材。粘土水泥膏漿是在粘土水泥穩(wěn)定漿液配比的基礎(chǔ)上加入了少量的改性劑，改性劑中某些成分與原漿中活性物質(zhì)（SiO2、Al2O3、CaO）生成膠凝物質(zhì)，激發(fā)粘土的潛在活性，增強(qiáng)了整體的強(qiáng)度；且添加改性劑加快了水泥水化的速度，使強(qiáng)度上升較快、浸泡水溶液的Ca2+不易溶出，導(dǎo)致改性粘土水泥膏漿離子溶出量低于穩(wěn)定漿液。

（2）粘土水泥穩(wěn)定漿材抗溶蝕性能優(yōu)于相同水固比的純水泥漿材。相同水固比的穩(wěn)定漿材離子溶出量低于純水泥漿材，是由于在硅酸鹽水泥的水化產(chǎn)物中，Ca（OH）2是最易溶解的組分，純水泥漿材結(jié)石體水泥總量較粘土水泥穩(wěn)定漿材多，生成的Ca（OH）2多，溶解量大。

（3）試件在某工程地下水中浸泡的CaO溶出較純水浸泡中少，說明該地下水環(huán)境中某些離子（如Ca2+、OH-）可減緩Ca(OH)2的溶解速率。

（4）由于本次試驗(yàn)未考慮動(dòng)水作用，溶液中氧化鈣溶出濃度達(dá)到水泥水化產(chǎn)物穩(wěn)定存在的臨界濃度后不再增加，因而不能預(yù)測(cè)材料的有效使用年限，只能根據(jù)材料對(duì)比評(píng)價(jià)粘土水泥漿材的耐久性能。在以后的研究中，可設(shè)計(jì)合適的試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)，還可考慮不同流速對(duì)結(jié)石體耐久性能的影響。室內(nèi)試驗(yàn)如何測(cè)試使結(jié)論更具說服力還有待研究，這也是耐久性研究的重要方向。

1 杜凱.粘土水泥漿在鐵礦帷幕注漿中的應(yīng)用[A].礦山建設(shè)工程新進(jìn)展-2005全國(guó)礦山建設(shè)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C].2005.

2 張可能，鄒銀生，王貽蓀.粘土固化注漿技術(shù)在垃圾填埋場(chǎng)防滲中的應(yīng)用[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)報(bào)），1999（05）:76-80.

3 殷曉紅，李建中，劉慶元.粘土固化漿在尾砂壩堵漏中的應(yīng)用[J].礦山測(cè)量，2002（02）:63-64+4.

4 王星華，高渠清，王夢(mèng)恕,韓忠存.粘土固化漿液在廣州地鐵楊體區(qū)間隧道含水砂層中防水固砂注漿的應(yīng)用[A].中國(guó)巖石力學(xué)與工程學(xué)會(huì)第五次學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C].1998.

5 劉斌云.水泥灌漿帷幕的耐久性分析[J].水利水電技術(shù)，1998（06）:34-37.

6 陸宗磐，陶漢初.大黑汀水庫帷幕補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)及改性水泥的應(yīng)用[J].水利水電工程設(shè)計(jì)，2003（01）:11-13.

7 何忠明.裂隙巖體復(fù)合防滲堵水漿液試驗(yàn)及作用機(jī)理研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2007.

8 基普科，等.防滲帷幕耐久性的評(píng)價(jià)方法[J].國(guó)外金屬礦產(chǎn)礦，1986，6:70-74.

9 游文蓀.特種粘土固化漿液性能試驗(yàn)及應(yīng)用[J].南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2010（03）:42-46.

10 陳永貴.粘土固化注漿帷幕對(duì)滲濾液的阻滲機(jī)理與環(huán)境效應(yīng)[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2004.