無機注漿材料—黏性土固化體強度特性試驗研究★

臧德記 汪 濱 馬廣軍 金先杰 左國龍

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024；2.水文水資源與水利工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210024； 3.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

1 概述

無機注漿材料是一種高水灰比的新型水泥基膠凝材料[1](也稱無機高水速凝材料)，由硫鋁酸鹽水泥或高鋁水泥熟料為基材,加入外加劑、石膏、石灰等材料制成，具有快速凝固、流動性好、固體具有一定的強度、綠色環保等優點，常用于礦山巷道填充、礦山封堵、堵漏等。20世紀70年代末，英國最先研發生產了第一代用于巷道填充的注漿材料[2,3]。我國于20世紀80年代末由中國礦業大學等單位開始研究礦山巷旁填充材料[4]。孫恒虎等[5]研究了礦山填充高水材料及填充技術；馮光明等研發了超高水材料[6]，固化體水的體積含量達97%，水灰比例可達10∶1以上。劉丹丹[7]對高水材料的水化硬化機理進行了研究。顏志平等[8]對高水速凝材料在加固軟土地基方面開展了試驗研究，發現該材料的加入形成了特殊的土骨架結構，根本上改變了土體的結構。侯林濤等[9]研究了添加碎石的無機注漿材料的抗壓強度特性，并用于港口護坡的修復。

在水利工程中，堤壩在汛期等時段易在薄弱部位發生滲漏、塌陷等險情。如能利用該注漿材料可與水、土快速凝結、固化，形成具有一定強度和防滲性能的固化體，將能在堤壩搶險中發揮其優勢。在淤泥質土中加入該無機注漿材料，可以增加土體強度、減小變形等特點，起到地基加固的作用。目前，罕有用于水利工程中的研究報道。為此，需要一系列試驗研究。

2 試樣制備

為研究無機注漿材料(以下簡稱“灰”)與黏性土、水攪拌形成的固化體的強度特性，開展了3種水灰土比例混合物的抗剪強度試驗和抗壓強度試驗。水∶灰∶干黏土(以下簡稱“土”)的質量比例分別為1∶1∶1(試樣P111)，3∶1∶1(試樣P311)，4∶1∶1(試樣P411)，每種比例的混合料分別進行了1 d，3 d，7 d，14 d和28 d的直剪試驗和無側限抗壓強度試驗。直剪試驗試樣尺寸為直徑61.8 mm，高20 mm；無側限抗壓強度試樣尺寸為直徑40 mm，高80 mm。拌制試樣時，先將無機注漿材料與干土粉末混合均勻，再加入水攪拌均勻后，倒入相應的試樣盒內，磨平表面。放入濕度不小于90%的養護室內。在試驗時拿出來稱重，計算試樣的密度，試驗結束后測試其含水率，試樣含水率、密度等如表1所示。

表1 試樣制備

3 試驗結果

3.1 直剪試驗結果

如圖1為3∶1∶1比例試樣的制樣各時刻的照片，發現水灰土混合攪拌后約30 min由液體懸濁液的狀態變為淤泥狀，45 min后變為可塑性固體狀(表面已無水)，60 min后變為硬塑狀態。

試驗結果見表2。

表2 直剪試驗結果

圖2為垂直應力100 kPa下各比例試樣的峰值剪應力與時間關系的圖，試驗結果表明，固化體初期強度增長很快，從最初的液體狀態到1 d達到較高抗剪強度，3 d以后強度趨于穩定；1 d的抗剪強度可達到穩定抗剪強度的70%～80%，平均約75%；3 d抗剪強度達到穩定抗剪強度的85%～95%，平均約90%。說明早期強度上升快。

相同齡期，水灰土之間比例不同，抗剪強度差異很大，水分占比高，強度低，反之，則強度高。抗剪強度參數(凝聚力與內摩擦角)均隨含水降低而顯著增加。圖2顯示了不同水灰土比例的峰值剪應力差異。圖3為凝聚力和內摩擦角與水灰比例的關系。在相同齡期下，P111試樣的凝聚力和內摩擦角顯著高于P311和P411試樣，其中凝聚力是P311的約4.3倍、P411的約6.1倍；內摩擦角是P311的約5.6倍、P411的約8.7倍。而P311試樣的凝聚力和內摩擦角分別是P411試樣的1.4倍和1.5倍。說明水灰比例對抗剪強度影響很大。

水灰土混合后，水和無機注漿材料發生物理和化學反應，產生灰—土的凝結固化體。由表1可知試樣的含水量很高，P111的為61%，P311的為133%，P411的為187%。固化體因水量比例不同，密度相差很大，比例為1∶1∶1的試樣濕密度比4∶1∶1的試樣高35%，其干密度比4∶1∶1的試樣高138%，說明試樣的水分占比低的試樣，孔隙率相對較小，有發揮強度作用更多凝聚體物質，凝聚體物質多，顆粒更多，粘結性更強，在抗剪強度參數上表現為粘聚力更高，摩擦角更大。

圖4為編號P111試樣1 d和28 d的剪應力與剪切位移的曲線，各試樣剪切過程均呈現剪脹性態，且在剪切力達到峰值后，試樣剪斷，剪切力陡然降低。圖5為編號P311試樣1 d和28 d的直剪試驗，剪切過程均呈現剪縮性態，且在剪切力達到峰值后，剪應力緩慢降低；P411剪縮性狀更加顯著。這是因為P111水分占比小，試樣較為密實，剪切時，固化體由于顆粒擠壓、摩擦等作用聚集在相對較小的剪切帶內，流動過程中發生豎向剪脹性狀；在剪斷后，剪切面上凝聚力已被破壞，只有摩擦力作用，固剪應力會陡然下降。而P311，P411試樣水分占比高，試樣中灰與土的占比小，試樣中的孔隙較大，在一定豎向壓力下，剪切時呈壓縮性狀；在達到峰值剪應力后，由于試樣體積壓縮壓密，顆粒之間摩擦作用變大，故表現出的剪應力降低得較為緩慢。

3.2 無側限抗壓強度試驗結果

無側限抗壓強度試驗結果見表3，抗壓強度與時間關系見圖6。對于水灰土1∶1∶1的混合料，進行了1 h，2 h，18 h，24 h，3 d，7 d，14 d和28 d的齡期試驗，結果表明，從最初的流動狀態，經1 h強度為3.8 kPa、達到最終強度的3%，2 h強度達到19.9 kPa、達到最終強度的17%，18 h上升到29.2 kPa、達到最終強度的25%，24 h為31.4 kPa、達到最終強度的27%，3 d達到108 kPa、達到最終強度的91%，7 d強度幾乎達到最終強度的100%，以后增長較少。P311，P411早期強度來得更快，其中P311的1 d強度達到了最終強度的62%，3 d強度達到最終強度的97%；P411的1 d強度達到最終強度的69%，3 d強度達到最終強度的88%，前3天強度基本達到幾乎最高的數值，后期增長較少。

表3 直剪試驗結果

不同水灰土比例，無側限抗壓強度隨水的比例增加而降低。水灰比為1的試樣的最終抗壓強度是水灰比3的試樣的6.8倍、是水灰比4的試樣的10.9倍，水灰比3的試樣最終抗壓強度是水灰比4的試樣的1.6倍。

4 結論

通過對無機注漿材料與水、黏性土固化體的強度特性試驗，得到以下結論：

1)水灰土比例相同的情況下，固化體齡期不同，強度有差異，表現為初期強度增長很快，抗剪強度1 d強度能達到最終強度的約75%，3 d約達到90%。抗壓強度3 d達到最終強度的90%以上。

2)相同齡期，水灰土之間比例不同，固化體強度差異很大，水分占比低，試樣中的凝聚體顆粒越多，孔隙少，粘結作用和摩擦作用大，強度高，反之，則強度低。

3)變形方面，在水分占比高時，因試樣孔隙較多，在豎向壓力作用下，直剪試驗呈現剪縮性態；當水分占比低時，試樣相對較為密實，剪切面上顆粒擠壓流動，試驗呈現剪脹性態，且在剪切力達到峰值后，試樣剪斷，剪切力陡然降低。

開展無機注漿材料與黏性土固化體強度特性試驗研究，為該材料用于應急搶險、地基加固等研究提供了基礎數據與參考依據。