新型綠色OHC注漿材料在水利工程中的應用研究

吐爾洪·肉斯旦

(塔里木河流域干流管理局，新疆 庫車 843200)

巖體裂隙漏水是導致水利工程破壞的常見威脅因素，而長時間的漏水，會導致水利工程內部產生大量破壞，影響其工程性能和長期安全性[1- 3]。此外，現有注漿材料中由于使用了大量的水泥等工業產品，一方面，水泥等工業產品的生產會導致大量的資源耗費以及碳排放問題，不符合當前的“碳中和”政策[4- 5]；另一方面，工業產品會污染地下水和土壤，導致區域生態問題[6- 7]。因此，研究開發有效、綠色環保的新型注漿材料對于解決我國水利工程及環境保護問題具有重要意義。針對此問題，部分學者積極開展了新型綠色環保注漿材料方向的研究。張毅等[8]基于室內試驗指出，利用紅黏土棄渣作為基本材料，通過摻入水泥、粉煤灰等材料植被的新型注漿材料，不僅具有流動性好、填充性好、強度適中、造價低廉等優勢，對土壤和地下水環境的污染程度也較小。王紀偉等[9]依托青島地鐵富水裂隙巖體注漿堵水實際工程案例，開展了新型注漿材料在巖體裂隙注漿加固中的應用可行性，指出新型水泥-水玻璃漿液不僅具有良好的注漿封堵性能，且能夠起到降低污染的作用。

綜上所述，現有關于綠色環保注漿材料的研究多是從降低污染角度出發，而關于利用某種環保材料替代水泥從而降低生產耗費和污染的研究較少。本文通過利用HSBC和CMK材料替代部分水泥，不僅有效降低了水泥的使用量，而且還提升了注漿材料的綜合性能。研究成果為我國水利工程巖體基礎注漿提供了一定的指導作用。

1 試驗設計

1.1 OHC注漿材料制備

室內利用普通硅酸鹽水泥(OPC)和高貝利特硫酸鋁鹽水泥(HBSC)兩種基本材料，外摻煤系偏高領土(CMK)，配合使用減水劑、堿激發劑兩種外加劑，制備了新型綠色OHC注漿材料。其中，HBSC和OPC均產自河北張家口某建材有限公司，其強度等級也均為42.5級。煤系偏高嶺土(CMK)來自山西省某高嶺土有限公司，主要成分為二氧化硅和三氧化二鋁。減水劑為聚羧酸減水劑，產自山東省某建筑外加劑有限公司，其凈漿流動度達到273mm，減水率為28%，減水效率高。堿激發劑能夠激發注漿材料中CMK的活性，本次試驗所用堿激發劑產自山東某化學試劑廠，其主要成分為氫氧化鈣(>95%)。

1.2 試驗設計

注漿材料的配比是影響主材材料工程性能的重要因素，確定新型OHC注漿材料的最佳配比對材料的綜合性能和推廣應用具有重要意義。為研究OPC、HBSC和CMK三種材料組分對新型OHC注漿材料工程性能的影響，室內設計了9中不同配比條件下的新型OHC注漿材料(見表1)。按照表1配比，室內之內不同配比的新型OHC注漿材料，注漿材料的水灰比W/C均為0.6。為對新型OHC注漿材料展開全面的工程性能評價，室內對注漿材料開展了結石率試驗、凝結時間試驗抗折強度試驗以及抗壓強度試驗。結實率試驗和凝結時間試驗參照標準GB/T 1346《水泥標準稠度、凝結時間、安定性檢驗方法》展開，抗折強度試驗和抗壓強度試驗參照GB/T 17671《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO)》進行。

表1 不同OHC新型注漿材料配比 單位：%

2 試驗結果分析與討論

2.1 結石率分析

結石率是決定注漿材料最終封堵效果的重要指標，基于室內試驗，得到不同配比的新型OHC注漿材料的結石率如圖1所示。由圖1可知3種材料的配比對OHC注漿材料的結石率影響較大。其中，OHC- 5和OHC- 9試樣的結石率最低，分別為86.5%和86.4%；OHC- 2和OHC- 8的結實率最高，結石率分別達到97.1%和97%。結合表1分析可以發現，對于OHC- 5和OHC- 9中未摻入CMK材料，而OHC- 2和OHC- 8中CMK的摻量則達到15%。由此可見，CMK材料的含量是影響新型OHC注漿材料結石率的重要因素。基于此，分析各組分對注漿材料結石率的影響，發現當CMK材料的含量為0時，注漿材料的平均結石率僅為86.46%；當CMK材料的含量為5%時，注漿材料的平均結石率90.75%；當CMK材料的含量為10%時，注漿材料的平均結石率91.8%；當CMK材料的含量為15%時，注漿材料的平均結石率96.9%。而相對之下，其他材料對注漿材料結石率的影響則不太明顯。結合現有研究成果可知，CMK之所以能夠大幅度提升OHC注漿材料結石率，是因為CMK材料具有非常優秀的吸水性，這導致OHC注漿材料在結石試驗過程中不會有大量的自由水析出，使得反應更加充分，因此能夠有效結合水化產物形成結石體。

圖1 不同配比下新型注漿材料的結石率

2.2 凝結時間

凝結時間是影響注漿材料封堵效果的重要因素，基于室內試驗，得到不同配比的新型OHC注漿材料的凝結時間如圖2所示。由圖2可知，材料組分的配比對OHC注漿材料的凝結時間有顯著的影響。其中，OHC- 2和OHC- 8試樣的凝結時間最短，凝結時間分別為32.9min和36.8min；OHC- 3和OHC- 5的凝結時間最長，凝結時間分別達到60.3min和56.4min。結合表1分析可以發現，影響新型OHC注漿材料凝結時間的材料成分比較復雜，但深入研究可以發現主要因素仍然是CMK的含量。由此可見，CMK材料的含量是影響新型OHC注漿材料凝結時間的主要因素。在其他成分維持不變情況下，隨著CMK成分的增加，新型OHC注漿材料的凝結時間會逐漸變短。分析認為，這是由于CMK材料在水泥漿材料的反應中，能夠起到加速水化反應作用以及填充作用，而CMK能夠縮短凝結時間則是加速水化反應和填充作用綜合影響下的結果。

圖2 不同配比下新型注漿材料的凝結時間

2.3 抗壓強度

抗壓強度是影響注漿材料抗水壓能力和長期封堵效果的重要指標，對不同養護齡期的新型OHC注漿材料開展室內抗壓強度試驗，得到養護后注漿材料的抗壓強度試驗結果見表2。由表2可知，OHC注漿材料的抗壓強度隨著養護時間的增長而不斷增大，養護時間越長，則注漿材料的抗水壓能力越好，封堵效果也就越好。在養護28d條件下，OHC- 2的抗壓強度最高，達到15.11MPa；其次為OHC- 1和OHC- 9，抗壓強度分別為12.33MPa和11.45MPa；OHC- 4和OHC- 5的抗壓強度最低，僅達到7.44MPa和7.53MPa。結合表2進行分析可見，HBSC和CMK材料的組分是影響新型OHC注漿材料抗壓強度的主要因素，且材料的抗壓強度均隨著HSBC和CMK材料含量的增加而增大，二者之間呈正相關。

表2 不同養護齡期下各OHC注漿材料試樣的抗壓強度 單位：MPa

2.4 材料最優配比分析

由于水泥的工業生產消耗和排放污染較大，因此不具備綠色環保性。利用HSBC替代OPC，是制備綠色環保型注漿材料的重要手段。對HBSC、OPC和CMK材料的成分深入分析，發現制備新型OHC注漿材料的主要原材料為石灰石、鋁礬土、石膏、高嶺土和煤炭等成分。綜合環保性、結石率、凝結時間以及抗壓強度4個指標，得出新型OHC注漿材料的最佳配比組為OHC- 2組，此時，其組合成分為55%HBSC、35%OPC以及10%CMK，此時新型OHC注漿材料的結石率為97.1%，凝結時間為32.9min，抗壓強度為15.11MPa，材料的綜合性能最佳。

3 結語

(1)HSBC、OPC和CMK材料的配比設計是決定新型OHC注漿材料工程性能的重要因素。隨著CMK材料含量的增加，OHC注漿材料的結石率變高，凝結時間變短，抗壓強度增大；隨著HSBC材料含量的增加，OHC注漿材料的抗壓強度逐漸增大。

(2)新型OHC注漿材料的最佳配比組為OHC- 2組，此時，其組合成分為55%HBSC、35%OPC以及10%CMK，此時新型OHC注漿材料的結石率為97.1%，凝結時間為32.9min，抗壓強度為15.11MPa。

(3)受限于試驗條件及研究時間，本次研究未能從微觀角度出發展開研究。下一步研究應當增加微觀電鏡掃描試驗，以從試驗角度解釋材料配比設計與性能變化的微觀機理。