基于濕陷性黃土地區(qū)的堿激發(fā)注漿材料優(yōu)化及微觀試驗研究

張克誠 周茗如 程俊夕

（1甘肅第五建設(shè)集團(tuán)公司，甘肅 天水741000；2蘭州理工大學(xué)西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

我國西部地區(qū)存在大面積的黃土，黃土地基發(fā)生濕陷后，地基上部的建筑和基礎(chǔ)設(shè)施極易出現(xiàn)各種病害，需要進(jìn)行治理。隨著工藝和設(shè)備的進(jìn)步，劈裂注漿開始被應(yīng)用于濕陷性黃土地基的加固中。王紅喜等[1]利用水玻璃作堿激發(fā)劑，將工業(yè)廢渣（鋼渣、礦渣等）再利用，制備出了具有不同凝結(jié)時間，具有高結(jié)石率、較好抗侵蝕性能的高固結(jié)強(qiáng)度的注漿材料。宋國壯等[2]采用水化放熱檢測與倒置熒光顯微技術(shù)，對不同體系下的以偏鋁酸鈉（SA)、聚酸梭（SP)及高吸水性樹脂（SAP)為組分的聚合物注漿材料及其摻量對水泥漿液流變特性與泌水性的影響進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)水泥漿液流動性和泌水性與SA、SAP摻量呈負(fù)相關(guān)。石明生等[3]以非水反應(yīng)類雙組分發(fā)泡聚氨酯為漿材，對雙發(fā)組發(fā)泡聚氨酯材料的特性進(jìn)行了全面的試驗研究，發(fā)現(xiàn)雙組分發(fā)泡聚氨酯是一種可用于堤壩防滲加固工程的性能優(yōu)良的注漿材料。周茗如等[4]采用響應(yīng)曲面設(shè)計（Box-Behnken設(shè)計）優(yōu)化濕陷性黃土注漿過程中的注漿材料并進(jìn)行耐腐蝕性研究，獲得了適用于濕陷性黃土地區(qū)的注漿材料配比。但有關(guān)科學(xué)選用注漿材料，使其適用于西部地區(qū)濕陷性黃土地基的劈裂注漿工程，以及判斷注漿材料的漿液擴(kuò)散規(guī)律及最終加固效果的問題，仍然是目前急需解決的重要課題。本文采用正交試驗設(shè)計研究水灰比、粉煤灰、礦粉和水玻璃對堿激發(fā)注漿材料性能影響規(guī)律，并分析微觀孔隙結(jié)構(gòu)，為西部濕陷性黃土地區(qū)的注漿漿液優(yōu)選提供參考。

1 試驗設(shè)計

注漿漿液配合比試驗中，漿液的原材料有水、水泥、粉煤灰、礦粉、水玻璃、減水劑等。因為不對減水劑進(jìn)行研究，所以減水劑的摻量固定為0.5%，故考慮將水膠比（水和膠凝材料的質(zhì)量比）、粉煤灰質(zhì)量摻量、礦粉質(zhì)量摻量、水玻璃體積摻量四種因素分為A、B、C、D四組。其中每種因素考慮四個水平，水膠比：0.5、0.8、1.0、1.5；粉煤灰質(zhì)量摻量：10%、20%、30%、40%；礦粉質(zhì)量摻量：10%、20%、30%、40%；水玻璃體積摻量：10%、20%、30%、40%，列于表1中。設(shè)計采用L16（45）型正交試驗，共計16組試驗，設(shè)計方案見表2。

表1 漿液配合比正交試驗表

表2 L16（45）正交試驗配比

2 正交試驗過程及分析

2.1 黏度、析水率分析

依據(jù)試驗要求，按照表2進(jìn)行配合比試驗，測得各組堿激發(fā)復(fù)合注漿材料的初始粘度、2h析水率、膠凝時間，如表3所示。

表3 物理性能試驗結(jié)果（一）

分析表4可知，堿激發(fā)復(fù)合注漿材料漿液初始粘度的四個影響因素，其主次順序為：水灰比＞礦粉＞粉煤灰＞水玻璃。水灰比（因素A)的極差值最大，達(dá)到90.5。同時，礦粉（因素C)對漿液初始粘度也有一定程度的影響，極差值達(dá)到27.8。粉煤灰（因素B)和水玻璃（因素D)對漿液初始粘度的影響較小，極差值分別為7.3和5。這說明在施工中可以通過控制漿液水灰比來控制漿液的初始粘度，使施工行之有效。水灰比是影響漿液初始粘度的最大因素，也是最主要的一個因素，水膠比的大小直接決定了漿液中水和膠凝材料的比例，水灰比越小，漿液初始粘度越大。礦粉也對漿液初始粘度存在明顯的影響，礦粉顆粒粒度較小，在靜電的作用下，團(tuán)聚情況比顆粒大的礦渣要更加明顯，會以微集料的形式存在于漿液中，使顆粒之間的摩阻力增大，使減水劑本來的潤滑、分散作用無法充分發(fā)揮，不能起到應(yīng)有的減水作用，增大了漿液的初始粘度。粉煤灰和水玻璃對漿液初始粘度的影響較小。綜上所述，把初始粘度作為考核指標(biāo)時，綜合考慮得出的符合試驗要求的最優(yōu)配比為A1B4C4D4。

表4 各因素極差分析

分析表4可知，堿激發(fā)復(fù)合注漿材料2h析水率的四個影響因素對其影響的主次順序為：水灰比＞礦粉＞水玻璃＞粉煤灰。水灰比（因素A)的極差值最大，達(dá)到了9.6。粉煤灰（因素B)、礦粉（因素C)和水玻璃（因素D)對漿液2h析水率的決定性較小，極差值分別為0.5、1.2和1.15。說明在施工中可以通過控制漿液的水灰比來很好控制漿液的2h析水率，使施工所使用的漿液可以達(dá)到在濕陷性黃土地區(qū)注漿的析水率控制要求。水灰比是影響漿液2h析水率的最主要原因，而粉煤灰、水玻璃和礦粉對漿液2h析水率作用較小。水灰比的大小直接決定著漿液中水和膠凝材料的比例，所以水灰比越大，漿液中的含水率越大，漿液中顆粒之間的自由水也越多，在重力作用下析出的水分也越多，漿液的2h析水率也就越大。綜上所述，把漿液2h析水率作為考核指標(biāo)時，綜合考慮得出的符合試驗要求的最優(yōu)配比為A1B2C1D3或A1B2C3D3。

2.2 強(qiáng)度分析

分析表6中的數(shù)據(jù)可知，影響堿激發(fā)復(fù)合注漿材料結(jié)石體28d抗壓強(qiáng)度的四個因素主次順序為：水灰比＞水玻璃＞礦粉＞粉煤灰。其中，水灰比（因素A)的極差值最大，達(dá)到13.65。同時，水玻璃（因素D)對結(jié)石體28d抗壓強(qiáng)度也有一定程度的影響，極差值達(dá)到3.71。粉煤灰（因素B)和礦粉（因素C)對漿液結(jié)石體28d抗壓強(qiáng)度的影響較小，極差值分別為0.65和1.69。這說明對漿液結(jié)石體28d抗壓強(qiáng)度影響最大的是因素是水膠比。水膠比大小和水玻璃摻量是影響漿液結(jié)石體28d抗壓強(qiáng)度的兩個主要因素。由膠空比理論可知，材料的強(qiáng)度是由材料中的固體部分決定的，凝膠體與晶體骨架的結(jié)合或者凝膠體與未水化的水泥顆粒的結(jié)合都會增強(qiáng)材料的內(nèi)聚力，而孔隙的存在會破壞強(qiáng)度。堿激發(fā)復(fù)合注漿材料在水膠比不同的情況下，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度會隨著水膠比的增大而減小，其根本原因是隨著漿液水膠比的增大，漿液結(jié)石體的孔隙率也越大，而空隙率是控制漿液結(jié)石體強(qiáng)度的重要因素，故而結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度會相應(yīng)減小。漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度會隨著漿液中水玻璃摻量的增加而增大，氫氧化鈣會與水玻璃生成水化硅酸鈣，其是一種具有一定強(qiáng)度的凝膠體。同時粉煤灰和礦粉也為體系提供了大量的氫氧化鈣，在水玻璃摻量增大時和水玻璃發(fā)生反應(yīng)生成水化硅酸鈣。故而，當(dāng)漿液中水玻璃摻量增大時，漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度也會增大。

表5 物理性能試驗結(jié)果（二）

表6 各因素極差分析

分析表6中的數(shù)據(jù)可知，與漿液28d抗壓強(qiáng)度相同，影響堿激發(fā)復(fù)合注漿材料漿液結(jié)石體28d抗折強(qiáng)度的四個因素主次順序為：水灰比＞水玻璃＞礦粉＞粉煤灰。其中，水灰比（因素A)的極差值最大，達(dá)到3.29。粉煤灰（因素B)、礦粉（因素C)和水玻璃（因素D)對漿液結(jié)石體28d抗壓強(qiáng)度的影響較小，極差值分別為0.27、0.29和0.33。這說明水灰比是影響漿液結(jié)石體28d抗折強(qiáng)度的最大因素，而粉煤灰、礦粉和水玻璃摻量對漿液結(jié)石體28d抗折強(qiáng)度的影響較小。通過對漿液結(jié)石體28d抗壓和抗折強(qiáng)度各因素的分析可知最優(yōu)配比組合是A1B2C2D4和A1B2C3D4。

3 堿激發(fā)復(fù)合注漿材料微觀試驗研究

用JSM-5600LV低真空掃描電子顯微鏡觀察堿激發(fā)注漿材料最優(yōu)配比組合A1B2C2D4的微觀結(jié)構(gòu)，試驗結(jié)果分析如圖1-圖4所示。

圖1 結(jié)石體試樣35倍掃描電鏡圖像

圖2 結(jié)石體試樣100倍掃描電鏡圖像

圖3 結(jié)石體試樣1000倍掃描電鏡圖像

圖4 結(jié)石體試樣2000倍掃描電鏡圖像

本試驗分別選取最優(yōu)配比組合的漿液結(jié)石體試樣的35倍（如圖1）、100倍（如圖2）、1000倍（如圖3）和2000倍（如圖4）SEM掃描電鏡圖像進(jìn)行分析研究。可以看出：從35倍掃描電鏡圖像看，除了少數(shù)孔洞外，漿液結(jié)石體整體較為平整，排列緊致，在個別部分可以看到輕微裂隙；從100倍掃描電鏡圖像中觀察到，與35倍圖像相比，漿液結(jié)石體表面已經(jīng)不再平整，存在許多凸起的顆粒，而且存在許多細(xì)小的由中心向外不規(guī)則發(fā)散的裂紋；從1000倍掃描電鏡圖像可以看出，漿液結(jié)石體表面凹凸不平，不規(guī)則的分布有許多粗細(xì)不一的裂紋和裂隙；從漿液結(jié)石體2000倍掃描電鏡圖像可以看到，漿液結(jié)石體表面溝壑縱橫，表面明顯存在許多縱橫交錯的裂隙。分析認(rèn)為，堿激發(fā)復(fù)合注漿材料在凝結(jié)硬化后具有一定的干縮性，結(jié)石體的收縮導(dǎo)致了結(jié)石體內(nèi)部的孔隙逐漸擴(kuò)大、聯(lián)通，形成了裂隙。因此，從微觀角度分析，可以通過減少漿液結(jié)石體表面裂隙來控制堿激發(fā)復(fù)合注漿材料的性能。

4 結(jié)論

基于對濕陷性黃土地區(qū)的堿激發(fā)注漿材料優(yōu)化及微觀試驗研究，得出以下結(jié)論：

1）水灰比是影響堿激發(fā)復(fù)合注漿材料初始粘度、2h析水率、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的最主要因素。

2）通過對堿激發(fā)復(fù)合注漿材料凝膠時間和強(qiáng)度性能的分析研究，表明漿液拌合料中粉煤灰和礦粉復(fù)摻的填充效應(yīng)會降低結(jié)石體的孔隙率，從而相對提高結(jié)石體強(qiáng)度，堿激發(fā)復(fù)合注漿材料初始的強(qiáng)度主要是由水玻璃和氫氧化鈣反應(yīng)生成的水化硅酸鈣提供，后期才是水泥本身的水化起主導(dǎo)作用。

3）利用微觀試驗對結(jié)石體表面結(jié)構(gòu)和組成元素的研究分析得出，結(jié)石體內(nèi)部較為松散，主要由硅酸鈣構(gòu)成，且可以通過減少漿液結(jié)石體表面裂隙來控制堿激發(fā)復(fù)合注漿材料的性能。

4）通過以上試驗研究的綜合分析，在本試驗條件下選擇出了漿液配合比最優(yōu)組合條件為A1B2C3D4，即水膠比0.5，水玻璃摻量20%，礦粉30%，水玻璃40%，減水劑0.5%。