巖溶水養(yǎng)護(hù)條件下改性水泥-水玻璃漿液性能試驗(yàn)研究

楊秀竹，雷金山,2，張嶼慶，劉毅，康鏡，劉佳

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410075；2.高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410075)

注漿材料能滿足注漿施工對(duì)于加固地層、防水堵漏等方面的要求，因此從該技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其開(kāi)展了多方面研究[1-2]。在注漿材料配比研究方面，雷金山等[3]應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法，對(duì)巖溶注漿相似材料的配比進(jìn)行優(yōu)化研究，得到最佳配比。劉玉祥等[4]對(duì)水泥-玻璃不同配比下的凝膠時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出終凝時(shí)間在拐點(diǎn)附近選擇注漿配比最經(jīng)濟(jì)有利的觀點(diǎn)。陳沅江等[5]對(duì)氯化鋁溶液及磷酸氫二鈉2 種不同外加劑對(duì)水泥-水玻璃漿液凝固特性的影響進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)研究。鄒友平等[6-7]對(duì)粉煤灰摻量對(duì)水泥-水玻璃漿液強(qiáng)度和凝結(jié)時(shí)間等各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行了研究。王世儒等[8]通過(guò)改變摻入的礦物混合料和水玻璃體積參數(shù)及其波美度，研究分析復(fù)合水泥基-水玻璃雙液注漿材料的性能參數(shù)。王小龍等[9]根據(jù)測(cè)定不同注漿齡期和注漿深度造成的測(cè)斜管變形數(shù)據(jù)，提出注漿土層測(cè)斜管受到的均布荷載的計(jì)算公式，定量研究水泥-水玻璃雙液注漿的力學(xué)行為。連會(huì)青等[10]利用正交試驗(yàn)，確定影響漿液性能的水固比、粉煤灰摻量、水玻璃添加比例3 個(gè)因素的影響規(guī)律和影響程度，通過(guò)SEM 圖像和固化過(guò)程化學(xué)反應(yīng)原理，分析3 因素對(duì)結(jié)石強(qiáng)度的影響機(jī)理。ZHANG 等[11]研究了巖溶地質(zhì)下，盾構(gòu)隧道施工灌漿材料的配方及其性能。WANG 等[12]制定玻璃纖維水泥漿的動(dòng)態(tài)堵水標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)不同玻璃纖維比例的水泥漿和固結(jié)體進(jìn)行了流型試驗(yàn)，研究了動(dòng)態(tài)水注漿的泥漿擴(kuò)散堵漏機(jī)理。李喜林等[13]根據(jù)鐵路下伏采空區(qū)特征，提出采用水泥-水玻璃漿液并適當(dāng)選用粉煤灰、砂、細(xì)石組成混合漿液的方案，并通過(guò)試驗(yàn)確定了注漿材料和漿液配比。DU 等[14]采用粉煤灰替代化學(xué)注漿材料進(jìn)行小粒徑滲透注漿實(shí)驗(yàn)，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定各因素的影響程度。涂鵬等[15-16]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析了礦渣硅酸鹽水泥-水玻璃漿液的基本性能，并以抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)為指標(biāo)對(duì)比兩者抗壓強(qiáng)度性能。然而目前的試驗(yàn)研究大多未考慮巖溶水對(duì)漿液性能的影響。而在巖溶地區(qū)進(jìn)行注漿時(shí)，漿液被直接注入含有巖溶水的地層，巖溶水中所含的離子會(huì)在漿液結(jié)石體內(nèi)部發(fā)生滲透、擴(kuò)散、毛細(xì)吸收以及離子遷移等現(xiàn)象，進(jìn)而影響漿液的強(qiáng)度和耐久性。因此，巖溶水對(duì)漿液的影響不可忽視。本文依托長(zhǎng)沙地鐵3 號(hào)線某區(qū)間巖溶注漿工程，根據(jù)水文地質(zhì)資料配置巖溶水，并通過(guò)正交試驗(yàn)，對(duì)改性水泥-水玻璃漿液進(jìn)行研究，探討巖溶水養(yǎng)護(hù)條件下水灰比、粉煤灰摻量、水玻璃摻量、水玻璃濃度等因素對(duì)漿液性能的影響。

1 試驗(yàn)因素與水平

影響注漿體強(qiáng)度及性能的4 個(gè)主要因素包括：水灰比、粉煤灰摻量、水玻璃濃度和水玻璃摻量。對(duì)于多因素試驗(yàn)而言，往往試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、試驗(yàn)費(fèi)用較大。為了克服這一困難，采用正交試驗(yàn)法。正交試驗(yàn)法是一種從全面試驗(yàn)中根據(jù)“均衡分散性”與“整齊可比性”2 條原則挑取一部分有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)的方法。均勻分散使選擇的試驗(yàn)點(diǎn)具有代表性，整齊可比便于后期試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理分析，這樣可以大大減小試驗(yàn)和分析的工作量。

本試驗(yàn)因素與水平如表1所示，本正交試驗(yàn)為4 因素3 水平，正交試驗(yàn)表為L(zhǎng)9(34)，試驗(yàn)方案如表2所示。本試驗(yàn)如果采用全面試驗(yàn)應(yīng)進(jìn)行34=81 次，采用正交試驗(yàn)只需進(jìn)行9 次試驗(yàn)，大大節(jié)省了試驗(yàn)工作量。其中試驗(yàn)所選取的因素取值，是根據(jù)連會(huì)青等[10]的水泥-粉煤灰-水玻璃注漿材料強(qiáng)度影響因素試驗(yàn)中得到的漿液結(jié)石強(qiáng)度最高的試樣配比所得，為水灰比0.8、粉煤灰摻量20%、水玻璃添加比1%。在該配比的基礎(chǔ)上設(shè)定正交試驗(yàn)各因素取值如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 L9(34)正交試驗(yàn)方案Table 2 Orthogonal test scheme

2 試驗(yàn)指標(biāo)及巖溶水配置

本試驗(yàn)選取漿液的凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)漿液性能的指標(biāo)。根據(jù)某地鐵3 號(hào)線區(qū)間詳勘資料中水質(zhì)分析報(bào)告，分析確定對(duì)漿液有較大侵蝕作用的離子，并選擇離子濃度的較大值作為配制巖溶養(yǎng)護(hù)水的離子濃度，配制的巖溶水成分如表3所示。

表3 配制巖溶水成分Table 3 Composition of Karst water composition mmol/L

3 試件尺寸及養(yǎng)護(hù)

漿液結(jié)石體尺寸為40×40×160 mm。養(yǎng)護(hù)條件和試驗(yàn)結(jié)石體尺寸如圖1所示，試驗(yàn)在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，養(yǎng)護(hù)箱的地下水在養(yǎng)護(hù)前2 周，每周更換2 次，之后每周更換1 次，確保溶液中離子的濃度。

圖1 試件養(yǎng)護(hù)Fig.1 Maintenance specimens

4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。不同組數(shù)漿液凝結(jié)時(shí)間對(duì)比情況如圖2(a)所示，從圖中可以看出：組號(hào)(2)和(4)初凝和終凝時(shí)間均較短，組號(hào)(5)和(9)初凝和終凝時(shí)間均較長(zhǎng)。不同試驗(yàn)組號(hào)，漿液結(jié)石體各齡期抗壓強(qiáng)度對(duì)比情況如圖2(b)所示。抗壓強(qiáng)度在28 d 齡期基本趨于穩(wěn)定。120 d 抗壓強(qiáng)度：組號(hào)(2)最大，達(dá)到8.1 MPa，組號(hào)(1)次之，組號(hào)(9)最小，僅有3.0 MPa。可以初步判斷：組號(hào)(2)凝結(jié)時(shí)間較短，后期強(qiáng)度較高，是比較理想的配比方案。

圖2 正交試驗(yàn)不同配比對(duì)漿液性能的影響Fig.2 Effect of different ratio of orthogonal test on the slurry properties

4.1 抗壓強(qiáng)度極差分析

采用極差分析法對(duì)影響漿液各齡期抗壓強(qiáng)度的主要因素進(jìn)行分析如表4所示，并得出最佳配比。從各階段的抗壓強(qiáng)度分析結(jié)果可以看出，影響結(jié)石體早期(3 d 和7 d)強(qiáng)度的主要因素是水玻璃濃度，粉煤灰摻量次之，水玻璃摻量再次之，水灰比對(duì)早期抗壓強(qiáng)度的影響最小。隨著齡期增長(zhǎng)，從28 d 齡期開(kāi)始，影響抗壓強(qiáng)度的主要因素水灰比上升為第一位。從28 d 和60 d 的中期強(qiáng)度來(lái)看，水灰比是首要影響因素，粉煤灰摻量次之，其次是水玻璃濃度和水玻璃摻量。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)一步增長(zhǎng)，90 d和120 d 齡期各因素影響程度趨于穩(wěn)定，水灰比仍然是首要影響因素，其次是粉煤灰摻量，影響最小的是水玻璃摻量和水玻璃濃度。從60，90 和120 d強(qiáng)度來(lái)看，適當(dāng)增加粉煤灰摻量，可提高漿液結(jié)石體后期強(qiáng)度。因此，從早期強(qiáng)度的角度考慮，最佳的漿液配比為：水灰比1.0，粉煤灰摻量20%，摻入30%濃度為35 Be’水玻璃。若從后期強(qiáng)度的角度考慮，最佳的漿液配比為水灰比0.8，粉煤灰摻量40%，摻入10%濃度為30Be’水玻璃。

表4 抗壓強(qiáng)度與凝膠時(shí)間極差分析Table 4 Difference analysis of gel time

4.2 凝膠時(shí)間極差分析

采用極差分析法對(duì)影響漿液凝膠時(shí)間的主要因素進(jìn)行分析如表4所示。其中A 代表水灰比，B代表粉煤灰摻量，C 代表水玻璃濃度，D 代表水玻璃摻量。從凝膠時(shí)間分析的結(jié)果可以看出，影響初凝和終凝時(shí)間最主要的因素是水玻璃摻量。從初凝時(shí)間的角度考慮，最佳的漿液配比為水灰比0.8，粉煤灰摻量20%，摻入20%濃度為40 Be’水玻璃。若從終凝時(shí)間的角度考慮，最佳的漿液配比為水灰比0.8，粉煤灰摻量20%，摻入20%濃度為35Be’水玻璃。

4.3 強(qiáng)度機(jī)理分析

本文將依據(jù)水泥、粉煤灰、水玻璃的化學(xué)反應(yīng)原理，綜合考慮在漿液環(huán)境中注漿材料的反應(yīng)過(guò)程，分析其產(chǎn)生強(qiáng)度和膠凝的機(jī)理。

水泥在溶液中發(fā)生如下反應(yīng)：

其中：Ca(OH)2溶液能夠促進(jìn)粉煤灰的反應(yīng)，且當(dāng)其飽和時(shí)會(huì)析出晶體，具有一定的強(qiáng)度，這也是注漿材料早期強(qiáng)度的主要來(lái)源。

粉煤灰在溶液中發(fā)生如下反應(yīng)：

其中：粉煤灰反應(yīng)較快，反應(yīng)一方面大量消耗水泥反應(yīng)中生成的 Ca(OH)2，同時(shí)又生成少量的Ca(OH)2為注漿材料提供早期強(qiáng)度，但強(qiáng)度較低。而水玻璃則發(fā)生如下反應(yīng)

其中：2 CaO ·SiO2·mH2O和 2CaO · SiO2· (n-1)H2O 為膠質(zhì)狀產(chǎn)物，不溶于水，水玻璃反應(yīng)后生成的NaOH 溶液為注漿材料提供了一個(gè)強(qiáng)堿性環(huán)境，在促進(jìn)粉煤灰反應(yīng)的同時(shí)抑制 Ca(OH)2的生成，使得Ca(OH)2只能提供早期的抗壓強(qiáng)度，而后期的強(qiáng)度則主要由水泥的水解水化反應(yīng)來(lái)提供。

5 結(jié)論

1)采用極差分析法對(duì)影響漿液凝膠時(shí)間的主要因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：影響凝膠時(shí)間最主要因素是水玻璃的摻量。2 個(gè)居中影響初凝時(shí)間的因素分別是粉煤灰摻量和水灰比。

2)采用極差分析法對(duì)影響漿液各齡期抗壓強(qiáng)度的主要因素進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)漿液結(jié)石體早期(3 d 和7 d)強(qiáng)度影響最大的因素水玻璃濃度，水灰比影響最小。隨著齡期增長(zhǎng)，從28 d 齡期開(kāi)始，影響抗壓強(qiáng)度的主要因素是水灰比躍居第1 位。90 d 和120 d 齡期各因素影響程度趨于穩(wěn)定，水灰比仍然是首要影響因素，其次是粉煤灰摻量，影響最小的是水玻璃摻量和水玻璃濃度。粉煤灰的影響，無(wú)論是對(duì)早期強(qiáng)度還是后期強(qiáng)度，一直處在第2 位，作用不容忽視。從對(duì)60，90 和120 d 強(qiáng)度影響因素分析來(lái)看，適當(dāng)增加粉煤灰摻量，可提高漿液結(jié)石體后期強(qiáng)度。