利用紅黏土棄渣制備巖溶區注漿材料配比及其性能研究

張 毅，鄧邊員，張延杰，桂 躍

(1.昆明理工大學建筑工程學院，昆明 650500；2.云南建投基礎工程有限責任公司，昆明 650500)

0 引 言

我國可溶性碳酸鹽巖分布面積達3.44×106km2，占國土面積的1/3以上[1]。由于地下水和地表水的長期溶蝕作用，灰巖地區常不規則分布大量土洞、溶洞和溶隙等不連續地質體，是工程建設中的不良地質，主要表現為對地基穩定性的影響和巖溶涌水對地下工程的危害等[1-2]。

注漿填充技術具有操作簡便、對周邊環境影響小以及治理效果好等優勢，在巖溶治理中被廣泛應用[3]。注漿材料選擇是決定治理效果及成本的關鍵因素。工程中常用水泥漿、水泥砂漿、黏土-水泥漿及化學材料等傳統注漿材料。例如，宜萬線巖溶、巖溶水極其發育，部分隧道施工中采用了徑向注漿處理、超前預注漿處理等，注漿材料為水泥漿、超細水泥漿單液漿或水泥-水玻璃雙液漿等，取得了較好的治理效果[4]。洛湛鐵路中，采用了黏土固化漿液對長度約2.1 km路基的巖溶洞穴進行水平注漿加固，節約材料成本250多萬元[5]。某些工程中，為應對特殊地質環境，一些新型注漿材料陸續被研發出來。例如，一種新型高分子材料——馬麗散系列注漿材料[6]被證明在巖溶裂隙加固止水治理上，尤其在高壓突水封堵治理方面具有一定的優勢，效果優于超細水泥、水泥-水玻璃、脲醛樹脂等注漿材料。在富水巖溶地區盾構施工，要求注漿加固體不能出現軟硬不均，以免導致盾構偏離軸線、刀盤崩裂，且強度不能太高或太低，避免出現磨損刀盤、刀具或掌子面失穩等問題，一種環保型可控膏狀注漿材料[3,7]被研發并成功應用。總體而言，針對傳統水泥基注漿材料性能的改進及新型材料的研發應用，是目前注漿技術發展中的熱點課題之一。

巖溶地區高層建筑基礎工程中，當巖溶塌陷問題不突出時，通常會直接采用樁基礎而不進行地基注漿處理。但是，在未預先處理的巖溶地層進行灌注樁施工時，混凝土易從溶洞、溶槽、節理裂隙中流失，導致充盈系數大、斷樁、樁身孔洞等。注漿法雖然可以有效改善這些問題，但采用傳統注漿材料不但成本高且性能過剩。因此，有針對性的研發成本低、原料簡單易得、施工簡便的新型注漿材料具有重要工程實際意義。本文以具體工程為依托，提出利用紅黏土棄渣制備巖溶區注漿材料，對其最優配比及材料性能進行了研究。

1 依托工程概況

場地位于云南省昆明市大板橋鎮(E102°51′38″，N25°2′23″)寶象河河谷內，地面標高1 945 m，用地面積約90 933.3 m2，表層為厚0.3～3.0 m的紅黏土，之下為0.3～4.0 m的卵礫石層，下伏基巖為石灰巖偶夾白云巖。巖溶發育強烈，勘察期間見洞率達78%以上，最大揭露洞徑達21.5 m。擬建18棟高層建筑，設計一層地下室，φ800 mm旋挖鉆孔灌注樁基礎。雖然樁位盡量避開了巖溶強烈發育區，但在樁基施工中仍出現較嚴重的問題：一是混凝土灌注施工充盈系數普遍過大，有些甚至達到了幾十；二是斷樁、樁身孔洞等質量問題(見圖1)。

圖1 巖溶區鉆孔灌注樁施工質量問題Fig.1 Construction quality problems of bored pile in karst area

在樁基施工前，預先對樁孔區域一定范圍進行注漿填充能有效解決上述問題。本工程中，注漿處理主要目的是填充巖溶孔洞、溶溝、溶槽及裂隙等，防止樁基混凝土灌注過程中出現流失，不要求漿液有顯著的膠結加固松散圍巖以及防滲堵水效果。因此，水泥漿、水泥砂漿等傳統注漿材料就顯得性能過剩了。比如，巖溶水養護條件下改性水泥-水玻璃漿液7 d強度高達3.1～9.1 MPa，28 d強度達11.3～18.7 MPa[8],大規模使用這些注漿材料成本也不容易接受。另一方面，考慮到現場場平及樁孔開挖產生的大量紅黏土棄渣需要妥善處理。鑒于此，本文提出利用紅黏土棄渣制備新型注漿材料的新思路。

該注漿材料具備何種特性才能滿足本工程的要求尚無具體標準，在參考前人研究成果基礎上，結合工程特點，筆者認為應該滿足以下幾個指標：

(1)流動性方面，流動度200～250 mm，泌水率不高于5%，滿足泵送施工要求。

(2)強度方面，僅需保證樁孔中的結石體不出現垮塌和縮頸，漿液結石體7 d齡期無側限抗壓強度不小于40 kPa，28 d強度不小于80 kPa。

(3)填充性方面，漿液填充效果是比較關鍵的性能，如果結石體收縮過大，勢必留下孔隙，則灌注樁施工時，混凝土仍有跑漏的可能，影響成樁質量。因此，要求結石率不低于95%。

2 實 驗

2.1 試驗材料

紅黏土棄渣取自依托工程，深度1.0～3.0 m，人工粉碎后過0.5 mm篩，其物理指標及礦物成分見表1，測試方法參考《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)相關要求。水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥，性能符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)要求；粉煤灰采用Ⅱ級粉煤灰，細度為16%，水的質量分數為0.3%；試驗所用水玻璃模數為3.1，密度為1.38 g/cm3；試驗用水采用自來水。由于后續試驗中試樣需在巖溶水中養護，從依托工程現場取巖溶水樣進行了成分測定，如表2所示。

表1 紅黏土性能測試結果Table 1 Test results of red clay properties

表2 巖溶水的主要成分Table 2 Main components of karst water

選取因素A：水土比w∶s(水的質量與紅黏土棄渣質量比)、因素B：水泥摻量ac(占紅黏土+水總質量的比例)、因素C：粉煤灰摻量af(占紅黏土+水總質量的比例)、因素D：水玻璃摻量as(占紅黏土+水總質量的比例)為影響因素，設計四因素四水平正交試驗(參照L16(44)表格)，見表3。

表3 正交試驗因素與水平Table 3 Factor and level of orthogonal experiment

注漿材料制備流程(見圖2)：先將紅黏土與水拌和，放置12 h；之后在土漿中加入水泥并充分攪拌5 min，再按比例加入粉煤灰、水玻璃后攪拌大約10 min。

圖2 注漿材料制備流程示意圖Fig.2 Schematic of grouting material fabrication process

圖3 注漿材料性能測試流程Fig.3 Performance testing process of grouting material

2.2 測試方法

為了評估注漿材料各項性能，對其流動性、凝結時間、泌水率、結石率和強度等進行測試，流程如圖3所示。

2.2.1 流動度測試

參照《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB/T 8077—2012)，采用截錐圓模測試制漿3 min后的漿液流動度。

2.2.2 凝結時間測試

依據《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2011)，采用凈漿標準稠度及凝結時間測定儀測定不同配比漿液的初凝時間、終凝時間。

2.2.3 泌水率測試

參照《水泥泌水性試驗方法》(JC/T 2153—2012)，計算靜置3 h后漿液表面的泌水率(見式(1))。

(1)

式中：α為泌水率；V1為析出水體積；V為漿液初始體積。

2.2.4 結石率測試

將高20.0 mm、直徑61.8 mm的環刀水平放置于墊有濾紙的透水石上，倒入配好的漿液并將環刀表面抹平，測定試樣初始體積，分別進行標準養護和巖溶水養護，測定養護3 d后的結石體積，漿液結石體積與漿液初始體積的比值即為結石率(見式(2))。

(2)

式中：β為結石率；V2為漿液養護3 d后的結石體積；V為漿液初始體積。

2.2.5 強度測試

參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)，將試樣制成圓柱形標準試塊(直徑39.1 mm、高度80.0 mm)，分別進行標準養護和巖溶水養護，采用應變控制式無側限壓縮儀測定養護7 d和28 d無側限抗壓強度。

3 結果與討論

3.1 各因素對漿液流動度的影響

流動度體現了漿液的擴散性能，是衡量和易性的重要指標[9]，對漿液的可泵性與可注性也有一定的影響。流動度過大，漿液含水率高，且遇水容易分散，不利于漿體的凝結，凝結后的強度低；流動度過小，漿液流動困難，無法有效填充空洞和裂隙[10]。

對影響漿液流動度的各因素水平求極差，結果見表4。可以看出，A因素(水土比)的極差最大，其次是B因素(水泥摻量)，最后是C因素(粉煤灰摻量)和D因素(水玻璃摻量)，各因素對漿液流動度影響的主次順序為A?B>C>D，說明水土比是影響漿液流動度的主要因素，實際工程中應主要通過控制水土比來控制漿液的流動性。

表4 漿液流動度測試結果Table 4 Results of slurry fluidity tests

3.2 各因素對漿液凝結時間的影響

漿液凝結時間影響注漿材料的可操作性與可泵性，同時在很大程度上影響了漿液擴散范圍以及注漿工藝選擇[9]。漿液凝結時間不僅需要滿足注漿施工的要求，還需盡快硬化達到一定的強度。凝結時間太短，不利于泵送與施工操作；凝結時間太長，不利于控制漿液擴散范圍，無法有效填充巖溶通道。結合采空區注漿施工經驗，漿液初凝時間不小于12 h，終凝時間不大于36 h[10]。

對影響漿液凝結時間的各因素每個水平求極差，結果見表5。可以看出，對漿液的初凝時間，A因素(水土比)的極差最大，其次是B因素(水泥摻量)，再次是D因素(水玻璃摻量)和C因素(粉煤灰摻量)，各因素對初凝時間影響的主次順序為A>B>D>C。對于漿液的終凝時間，與初凝時間不同的是，C因素(粉煤灰摻量)的極差大于D因素(水玻璃摻量)，各因素對漿液終凝時間影響的主次順序為A>B>C>D。綜合來看，水土比是影響漿液初凝、終凝時間的主要因素，其次是水泥摻量，水玻璃摻量和粉煤灰摻量對凝結時間的影響較小。

3.3 各因素對漿液泌水率的影響

漿液泌水性是由漿液中的顆粒沉降和體積收縮引起的，漿液靜置時，在重力作用下，漿液中的粗顆粒先于細顆粒下沉，沉降穩定后在漿液表面析出一層清水，工程上將2 h內泌水率小于5%的漿液稱為穩定漿液[11]。漿液的泌水率是影響漿液性能的重要因素，泌水率過大，不僅影響漿液的黏度和流動規律，降低漿液擴散半徑，而且在停止注漿后，漿液會因沉降和體積收縮使得結石體中產生新的裂隙，從而影響漿液的凝結性能及填充效果[12]。

表5 漿液凝結時間測試結果Table 5 Results of slurry setting time tests

對正交試驗結果中影響漿液泌水性的各因素每個水平求極差，結果見表6。可以看出，A因素(水土比)的極差顯著大于其他各因素，各因素對泌水率影響的主次順序為A?B>C>D，說明對于泌水率的控制因素為水土比，其他因素的影響較小。

表6 漿液泌水率測試結果Table 6 Results of slurry bleeding rate tests

3.4 各因素對漿液結石率的影響

結石率直接影響注漿填充的密實程度及注漿效果，實際工程中漿液結石率應不小于95%[13]。漿液結石率越高，在注漿過程中越不易離析分層，對巖溶孔洞的填充越密實；結石率過低，漿液對溶洞和裂隙的填充率低。

對不同配比的漿液分別進行標準養護和巖溶水養護，測定養護3 d后兩種養護方式下漿液的結石率，結果見表7。可以看出，兩種養護條件下，A因素(水土比)的極差最大，其次是B因素(水泥摻量)，最后是C因素(粉煤灰摻量)和D因素(水玻璃摻量)，各因素對漿液結石率影響的主次順序為A>B>C>D，說明水土比對漿液結石率起主要控制作用，水泥摻量和粉煤灰摻量對漿液結石率也有一定影響，而水玻璃摻量的影響極小。

表7 漿液結石率測試結果Table 7 Results of slurry concretion rate tests

3.5 各因素對漿液結石體強度的影響

結石體強度在本工程中是比較關鍵的指標。考慮到巖溶地區地下水的影響，本文對巖溶水養護和標準養護下漿液結石體的強度及影響因素進行了對比分析。

對影響漿液結石體強度的各因素每個水平求極差。表8為標準條件養護7 d和28 d后漿液結石體的強度，B因素(水泥摻量)極差最大，其次是A因素(水土比)，再次是C因素(粉煤灰摻量)和D因素(水玻璃摻量)。影響抗壓強度因素的主次順序為B>A>C>D，水土比和水泥摻量為影響結石體強度的主要因素。結合后文相關圖片可知，巖溶水養護條件下試樣的強度規律和標準養護接近，此處不贅述。

表8 不同齡期抗壓強度測試結果Table 8 Results of compressive strength tests at different ages

4 漿液最佳配比研究

4.1 最佳水土比

圖4顯示了水土比對漿液性能的影響。如圖所示，隨著水土比的增加，漿液流動度增大，凝結時間延長,這是因為水土比增大會增加漿料中的自由水，而自由水減少了顆粒之間的相互作用，并且水的增加導致固體物質顆粒間距增大，從而更不易形成骨架結構[14-15]。紅黏土中含有一定量的黏土礦物，黏土會吸收大量的自由水，加快水泥凝膠縮聚，使得水化產物增多[3]。隨著水土比的增加，漿液泌水率增大，結石率減小。從試驗結果可以看出，注漿材料結石率普遍大于95%，巖溶水養護條件下結石率均大于標準養護。當水土比不大于0.6時，漿液泌水率均小于5%。當水土比增加時，無側限抗壓強度隨之降低，巖溶水養護條件下的結石體強度略低于標準養護。綜合考慮漿液的性能，推薦水土比為0.6。

圖4 水土比(w ∶s)對漿液性能的影響Fig.4 Effect of water-soil ratio (w ∶s) on properties of slurry

4.2 最佳水泥摻量

圖5顯示了水泥摻量對漿液性能的影響。如圖所示：隨著水泥摻量的增加，漿液流動度降低，初凝、終凝時間減小，泌水率下降，結石率增大，但結石率增大的趨勢在水泥摻量大于8%后則趨于穩定；無側限抗壓強度隨著水泥摻量的增大而線性增大。綜合考慮水泥摻量與漿液性能的關系，特別是以結石體的最小無側限抗壓強度為依據，推薦漿液中水泥摻量為10%。

圖5 水泥摻量(ac)對漿液性能的影響Fig.5 Effect of cement content (ac) on properties of slurry

4.3 最佳粉煤灰摻量

圖6顯示了粉煤灰摻量對漿液性能的影響。如圖所示，漿液流動度隨著粉煤灰摻量的增加而降低，降低趨勢在摻量超過10%后趨緩，這是由于粉煤灰的加入導致漿液水固比降低，流動性下降，是一種物理作用。而凝結時間隨粉煤灰摻量增加有一定程度的增大，這是由于：粉煤灰是一種以活性SiO2和Al2O3為主要成分的玻璃體，但其本身與水作用不能結硬自凝，其活性必須在堿性環境里才能表現出來[16]；在漿液中會消耗水泥水化反應產生的Ca(OH)2，使得整個體系中的水化速率降低，隨著粉煤灰摻量增加，這種消耗作用增強，導致凝結時間延長[17]。從圖中還可以看出：粉煤灰摻量超過10%后，可以抑制漿液泌水性能；結石率隨著粉煤灰摻量增大有所增大，且標準養護條件下結石率增加較巖溶水養護條件下更為明顯。兩種養護條件下漿液結石體的強度均隨著粉煤灰摻量增加有一定幅度的增大。綜合考慮粉煤灰摻量與漿液性能的關系，推薦粉煤灰摻量在10%～12%。

4.4 最佳水玻璃摻量

圖7顯示了水玻璃摻量對漿液性能的影響。如圖所示，水玻璃摻量的增加對漿液的流動性有一定的降低作用，漿液凝結時間有減小趨勢。水玻璃使得漿液泌水率略有增大，對漿液結石率的提高有一定的正向作用，但其影響較小。水玻璃摻量增加可在一定程度上提高漿液結石體強度，這是由于水玻璃與漿液體系中的Ca(OH)2反應，加速了硅酸二鈣和硅酸三鈣的水化，提高了水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠的生成速率，提高了早期強度，試驗結果表明這種增強作用在水玻璃摻量超過0.7%時才比較明顯。推薦水玻璃的摻量在0.9%～1.1%。

圖6 粉煤灰摻量(af)對漿液性能的影響Fig.6 Effect of fly ash content (af) on properties of slurry

圖7 水玻璃摻量(as)對漿液性能的影響Fig.7 Effect of sodium silicate content (as) on properties of slurry

4.5 最優配比及最優配比下結石體微觀結構分析

前文試驗結果表明：水土比是影響漿液性能的主控因素；水泥摻量對漿液結石體強度的影響最大；粉煤灰可以增加漿液結石率，并提高結石體的后期強度；水玻璃主要起到加速凝結和控制流動性的作用。推薦漿液最佳配比為水土比0.6，水泥摻量10%，粉煤灰摻量12%，水玻璃摻量1.1%。

通過電鏡掃描觀察紅黏土以及最優配比下不同養護齡期漿液結石體的微觀結構(見圖8)，以便從微觀上了解結石體的結構特征。

從圖8可以看出:原狀紅黏土的結構較為松散，擁有較大孔隙；而改良后的漿液結構更為緊密，并且表現出明顯的絮團結構，黏土顆粒與水泥顆粒之間相互膠結，水泥水化產物又填充了顆粒之間的孔隙。對比圖8(b)和圖8(c)可知，隨著養護齡期的增加，水泥水化反應不斷進行，針棒狀的鈣礬石(AFt)晶體明顯增多，團簇狀C-S-H凝膠之間連接更加緊密。

圖8 原狀紅黏土及不同齡期下結石體SEM照片Fig.8 SEM images of red clay and stone body at different ages

5 結 論

(1)利用紅黏土棄渣制備了一種綠色環保、成本低廉的注漿材料。試驗結果表明，注漿材料在最優配比下具有流動度高、泌水率低、強度適中等特點，其最優配比為水土比0.6，水泥摻量10%，粉煤灰摻量12%，水玻璃摻量1.1%。

(2)水土比是影響漿液性能的主控因素；水泥摻量對結石體強度的影響最大，其次對降低流動度、縮短凝結時間、提高結石率也有一定影響；水玻璃主要起到降低流動度、縮短凝結時間的作用；粉煤灰可起到代替一部分水泥的作用，提高漿液結石率和結石體后期強度，但會使漿液流動性變差、凝結時間延長。

(3)相同養護齡期下，巖溶水養護條件下漿液的結石率顯著大于標準養護下漿液的結石率，而強度較標準養護下結石體的略小，說明在地下水的環境下，漿液依舊擁有較好的工作性能。