膨潤土—水泥漿材的試驗研究及應用

摘 要：為實現注漿堵水和加固同步進行的難題，以膨潤土和硅酸鹽水泥為主要原料，對“膨潤土—水泥—早強減水劑—水玻璃”漿液的固化反應加固機理進行了可行性分析，并針對漿液的滲透性、粘度、凝膠時間以及結石體的塑性強度、抗壓強度、耐久性等因素進行了室內試驗（正交試驗、耐久性試驗）研究，詳細分析了漿液及結石體的物理化學特征，給出了漿材的最佳配比及相應的性能指標。通過地面注漿試驗，驗證了漿材對堵水加固的可行性，并取得了良好的治理效果。該類漿液與水泥類及一些常見的化學類漿材相比，具有價廉、儲存方便、且無毒無污染的優點。

關鍵詞：正交試驗；耐久性試驗；堵水加固；注漿材料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.10.101

注漿作為一種既可以封堵涌（突）水又能加固地層的技術方法，在公路隧道，城市地鐵，礦山水害防治等領域得到了廣泛的應用[1-3]。目前，用于堵水加固的注漿材料主要有水泥漿和化學漿兩大類[4-9]，其中，化學漿由于材料成本高，后期抗壓強度低，且具有一定的毒性，對地下水產生一定的污染，未得到普遍采用；而水泥漿液雖然成本低、來源豐富且結石體強度高，但是其凝膠時間長且不易控制、結石率低、抗沖刷能力弱等缺陷，在防滲堵水工程（尤其是對動水條件下注漿堵水工程）應用中受到了限制。為此，本文借鑒已有注漿材料的特點，以膨潤土和硅酸鹽水泥為基料，同時摻入早強減水劑和水玻璃為添加劑，研制出適宜注漿堵水和加固的漿材，并對其性能進行了分析與討論。

1 漿材性能的試驗研究與分析

1.1 漿材配比試驗及分析

黏度、凝膠時間、塑性強度、抗壓強度是反映注漿堵水加固效果的4個重要指標。利用鈉基膨潤土（SB）、42.5普通硅酸鹽水泥（PC）、早強減水劑（HWA）和水玻璃（SS）作基料加入固化漿液中，在借助以往研究成果的基礎上，采用正交試驗法設計漿材配比試驗，試驗方案及結果見表1。

從極差分析結果可以看出：根據漿液凝膠時間的長短，其影響因素水平依次為水泥>原漿粘度>水玻璃>早強減水劑，凝膠時間最短的漿材組合為A3B3C3D3；從配制漿液的黏度來看，漿液黏度最小的漿材組合為A1B1C1D1，此時漿液的流動性更好；從漿液固結后3天塑性強度和7天抗壓強度分析，最好的漿材組合均為A1B3C3D2，即SB：PC：HWA：SS = 20：15：0.7：3時結石體的抵抗外界剪切稀釋能力的最強。綜合分析認為，配方A3B3C3D3漿液雖然凝膠時間短，但漿液黏度大，不利于漿液流動和滲透；配方A1B1C1D1漿液雖然黏度小，但凝膠時間長，且塑性強度和抗壓強度弱，極易被水流沖刷帶走；配方A1B3C3D2漿液不僅具有凝膠時間短、初始粘度小，而且結石體塑性強度和抗壓強度均較高，適用于各種情況下的注漿堵水加固工程。因此，膨潤土—水泥漿液的最佳配比為SB：PC：HWA：SS = 20：15：0.7：3。

2 工程應用

安慶市某煤礦在東部運輸大巷石門掘進時（標高-242m）發生底板發生涌水，初始水量為30m3/h，后因繼續放炮掘進造成井下巷道圍巖垮落、地層松動，巷道涌水量突增至200m3/h，隨即巷道被淹沒。根據該礦地質、水文地質資料及井下鉆孔注漿資料分析認為，本次突水主要是由于孤峰組灰巖水通過斷層破碎帶引發突水。為了盡快恢復生產，決定采用地面打鉆注漿堵水加固工程。

該工程共施工地面鉆孔4個，其中注漿鉆孔3個，注漿觀測孔1個，終孔層位均為孤峰組灰巖底部。注漿材料選用實驗室研制的“抗沖刷、快速凝、高強度”型膨潤土—水泥漿液，漿材配比為SB：PC：HWA：SS = 20：15：0.7：3，漿液密度為1.27g/cm3，初始黏度為46s，凝膠時間為423s，結石率為96.8%，結石體1天、3天塑性強度分別為284KPa、451KPa，7天、14天和28天抗壓強度分別為810KPa、2114KPa、6814KPa。

本次地面注漿堵水加固試驗共注入膨潤土—水泥漿液2458.7m3，其中消耗膨潤土559.3t，水泥310.7t，早強減水劑14.5t，水玻璃62.1m3。注漿結束后巷道涌水量由200m3/h下降至12.8m3/h，水量下降了93.6%，堵水效果明顯。注漿結束30d后對巷道底板注漿區域進行鉆孔取芯（取芯率為81.52%，達到甲級標準），從巖芯裂隙被充填的情況來看，漿液充填飽滿、密實，膠結良好，結石體抗壓強度為4150～20270KPa，加固效果顯著。

3 結論

（1）為同時實現注漿堵水和加固效果，立足于無機材料研制的膨潤土—水泥漿液，其最佳配比為ASB：PC：HWA：SS = 20：15：0.7：3，漿液密度為1.27g/cm3，初始黏度為46s，凝膠時間為423s，結石率為96.8%，結石體1天、3天塑性強度分別為284KPa、451KPa，7天、14天和28天抗壓強度分別為810KPa、2114KPa、6814KPa。（2）固化漿材的實用性經室內和現場試驗驗證是可行，并在地面打鉆注漿封堵孤峰組灰巖突水工程中得到初步應用，堵水加固效果十分顯著。

參考文獻：

[1]來弘鵬，謝永利，楊曉華.地表預注漿加固公路隧道淺埋偏壓破碎圍巖效果分析[J].巖石力學與工程學報，2008，27（11）：2309-2314.

[2]吳波，劉維寧，索曉明等.城市地鐵施工近鄰短樁橋基加固效果研究[J].土木工程學報，2006，39（07）：99-103.

[3]韓偉偉，李術才，張慶松等.礦山帷幕薄弱區綜合分析方法研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32（03）：512-519.

[4]郭廣禮，鄧喀中，何國清等.采動破裂巖體地基注漿加固及其檢測技術[J].中國礦業大學學報，2000，29（03）：293-296.

[5]劉長武，陸士良.水泥注漿加固對工程巖體的作用與影響[J].中國礦業大學學報，2000，29（05）：454-458.

[6]韓立軍，張利民，高明等.粉煤灰壁后注漿充填材料的試驗研究[J].煤炭科學技術，2001，29（07）：34-37.

[7]牛學良，付志亮，高延法.巖石注漿加固實驗與巷道穩定性控制[J].采礦與安全工程學報，2007，24（04）：339-443.

[8]朱陽，隋旺華，曾憲明等.地下空間注漿加固圍巖抗爆效應模型試驗[J].中國礦業大學學報，2007，36（03）：360-364.

[9]鄒光華，張鳳巖，宋彥波.巷道過含水斷層破碎帶的注漿加固技術[J].煤炭科學技術，2010，38（06）：50-53.

作者簡介：張磊（1984-），男，安徽天長人，碩士，工程師，研究方向：工程地質。