水工隧洞早強微膨脹注漿材料試驗配比研究

2022-05-19 12:58:44李華斌

水利科技與經(jīng)濟 2022年5期

李華斌

(吉安市水利水電規(guī)劃設計院，江西吉安 343000)

0 引言

水利工程建設會涉及到許多水工隧洞，這些隧洞在經(jīng)過一段時間的運行之后，會出現(xiàn)滲水、涌水、背后脫空、開裂等一系列問題，其中尤以二襯脫空問題最為嚴重。二襯脫空不僅會改變隧洞襯砌結構的整體受力模式，導致受力不均出現(xiàn)應力集中，從而引起襯砌混凝土開裂，而且在脫空位置還會形成水囊，形成水囊壓力，隨著時間延長，水囊壓力越來越大，最終導致二襯開裂滲水，嚴重影響水工隧洞的正常運營[1-2]。

為解決水工隧洞二次襯砌與初期支護之間的脫空問題，一般采用注漿加固技術[3]。常用的注漿材料包括水玻璃類、高分子類和水泥基材料三大類[4-6]。水玻璃材料黏接性強、強度高、耐酸和耐熱性能好，但耐堿和耐水性差；高分子注漿材料的使用成本太高，一般不適宜大面積采用；水泥基注漿材料的流動度可調、凝結時間可控，且成本較低，在當前注漿施工領域應用最為廣泛。但是，目前大多數(shù)水泥基注漿材料存在體積收縮大等問題，容易導致微裂紋產(chǎn)生，從而影響結構的整體性、穩(wěn)定性和耐久性，因此有必要尋找一種兼具高早強、流動性好、微膨脹性、黏結性好的水泥基注漿材料[7]。

本文以普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、硅灰、外加劑等為基材，研制一種新型水泥基注漿材料，以期能為水工隧洞脫空病害治理提供借鑒。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

水泥：R·SAC硫鋁酸鹽水泥，主要化學成分為CaO和Al2O3，占比分別為44.6%和26.8%，初凝和終凝時間均為170 min，標準稠度用水量為25.2%，密度為3.01 g/cm3，比表面積為365 m2/kg，28 d抗壓和抗折強度分別為63.5和10.6 MPa。

骨料：石英砂材質。其中：粗砂(20～50目)，表觀密度為2.62 g/cm3，緊密空隙率為43%，吸水率為0.4%，細度模數(shù)為2.1；細砂(50～120目)，表觀密度為2.65 g/cm3，緊密空隙率為45%，吸水率為0.4%，細度模數(shù)為1.1，粗細骨料按1∶1摻入。

摻合料：硅灰，粒徑分布為0.5～1 μm，密度為2.14 g/cm3，SiO2成分占比達到91.3%。

外加劑：P29減水劑(減水率19%)，P803型消泡劑，XD型膨脹劑，緩凝劑等。

1.2 試驗方案設計

本次試驗采用3因素3水平正交試驗法，主要考慮水料比A、硫鋁酸鹽水泥摻量B和硅灰摻量C共3個因素的影響，其中水料比分別選擇0.18、0.19和0.2共3個水平，硫鋁酸鹽水泥摻量分別選擇9%、11%和13%共3個水平，硅灰摻量分別選擇6%、7%和8%共3個水平。具體試驗方案設計情況見表1。

表1 試驗方案設計

1.3 試驗內容

流動度測試：分別測試出機時(0 min)和90 min后注漿材料的流動度。抗壓強度測試：分別測試注漿材料在12 h、1 d和28 d時的抗壓強度。豎向自由膨脹率測試：對最佳配合比下注漿材料在3 h和1 d后的早期豎向自由膨脹率進行測試。體積變化率(自收縮)測試：對最佳配合比下注漿材料在28 d內的自由收縮情況進行測試。

2 試驗結果分析

2.1 流動度分析

不同配合比注漿材料的流動度試驗結果見圖1。從圖1中可知，注漿材料的出機(0 min)流動度最大值為397 mm，最小值為373 mm；90 min后，注漿材料的最大流動度為373 mm，最小流動度為327 mm；隨著水料比的增加，漿體流動度有逐漸增大的趨勢，這是因為水作為注漿材料中唯一的漿體，可以吸附在水泥顆粒和礦物摻合料的表面，可以起到潤滑作用，減小骨料顆粒之間的相互摩阻力，因而流動度隨水料比增大而增大；硫鋁酸鹽水泥的水化反應速度明顯高于普通硅酸鹽水泥，當硫鋁酸鹽水泥摻量增加時，大量自由水參與水化反應，從而導致流動度降低；硅灰顆粒的細度比水泥顆粒更小，與漿體中自由水接觸后會產(chǎn)生含硅凝膠體，這些凝膠體與氫氧化鈣反應生成C-S-H凝膠固體物，不僅消耗大量水分，而且生成許多固體物，因而流動度隨硅灰摻量增加而降低。

圖1 流動度試驗結果

對流動度影響因素敏感性進行極差分析，結果見表2。從表2中可知，對于出機流動度，起主要影響的是硫鋁酸鹽水泥摻量和硅灰摻量；對于90 min流動度，影響順序從大到小依次為硫鋁酸鹽水泥摻量>硅灰摻量>水料比。綜合來講，對注漿材料流動度影響最大的是硫鋁酸鹽水泥，其次為硅灰，最小的為水料比。

表2 流動度極差分析結果

2.2 抗壓強度分析

不同配合比注漿材料的抗壓強度試驗結果見圖2。從圖2中可知，隨著齡期增大，注漿材料抗壓強度逐漸增大；隨著水料比的增大，抗壓強度反而有所降低，這是因為當水量超過水化反應所需的水量后，會在硬化過程中形成較多孔隙，導致強度降低；硫鋁酸鹽水泥摻量對早期強度的影響較大，這是因為硫鋁酸鹽水泥水化反應生成鈣礬石會迅速結晶形成堅硬的骨架，同時Al(OH)3凝膠體也可以起到較好的填充作用，使骨架空隙率降低，從而提升強度，但是硫鋁酸鹽水泥的反應在2～3 d后基本停止，因此其產(chǎn)量對28 d的強度影響不大；硅灰的粒徑較小，其物理填充作用可以降低空隙率，同時其具備火山灰效應，可以消耗Ca(OH)2，生成硬度更高的C-S-H凝膠固體物，從而提升抗壓強度。

圖2 抗壓強度試驗結果

對抗壓強度影響因素敏感性進行極差分析，結果見表3。從表3中可以看到，對于0.5 d齡期下的抗壓強度，硫鋁酸鹽水泥摻量起主要影響，其次為水料比；對于1 d齡期下的抗壓強度，影響程度依次為硫鋁酸鹽水泥摻量>水料比>硅灰摻量；對于28 d齡期下的抗壓強度，影響程度依次為水料比>硅灰摻量>硫鋁酸鹽水泥摻量，水料比對注漿材料長期強度起主要影響，而硫鋁酸鹽水泥摻量對注漿材料早期強度起主要影響。

表3 抗壓強度極差分析結果

2.3 最優(yōu)配合比確定

從上文分析可知，為了使注漿材料具備良好的流動性，水料比應取大值，而硫鋁酸鹽水泥和硅灰摻量應取小值，故最佳配合比為：水料比0.2，硫鋁酸鹽水泥摻量9%，硅灰摻量6%。對于早期抗壓強度，最佳配合比為水料比0.18，硫鋁酸鹽水泥摻量13%，硅灰摻量7%；對于長期強度，最佳配合比為水料比0.18，硫鋁酸鹽水泥摻量9%，硅灰摻量8%。在考慮注漿材料配合比時，還應該綜合考慮材料經(jīng)濟性，由于硫鋁酸鹽水泥和硅灰的價格均比普通水泥貴，故從經(jīng)濟成本考慮，兩者應取小值，即分別為9%和6%。

結合注漿材料的技術要求，認為應優(yōu)先考慮材料的早期強度，其次是應具備大流動性。因此，水料比取中值0.19，硫鋁酸鹽水泥摻量取最大值13%，硅灰也取中值7%較為適宜。針對此配合比下注漿材料的流動度和抗壓強度進行測試，結果見表4。從表4中可知，在推薦最佳配合比下，漿體的出機和90 min流動度分別為385和350 mm，0.5 d、1 d和28 d齡期下的抗壓強度分別為4.8、23.2和87 MPa，容重為2 282 kg/m3，均滿足《隧道襯砌拱頂帶模注漿工程技術規(guī)程》中對注漿材料的參數(shù)要求。

表4 最佳配合比下基本性能參數(shù)

3 最優(yōu)配合比下變形試驗

3.1 豎向自由膨脹率

對最佳配合比下的注漿材料進行3組豎向自由膨脹率試驗，結果見圖3。從圖3中可知，注漿材料3 h的豎向自由膨脹率為0.229%～0.274%，平均豎向自由膨脹率為0.257%；注漿材料1 d的豎向自由膨脹率為1.356%～1.777%，平均豎向自由膨脹率為1.564%，均滿足技術規(guī)范中對注漿材料早期豎向自由膨脹率0.3%～2%的相關要求。

圖3 豎向自由膨脹率試驗結果

3.2 體積變化率

最佳配合比下注漿材料的自收縮試驗結果見圖4。從圖4中可知，在0～14 d內，注漿材料的體積變形均為負值，表明其在早期具備良好的膨脹特性，可以起到補償材料自收縮的特點。雖然從第10 d起，材料的收縮值為快速增大，膨脹量逐漸小于自收縮量，但仍能將自收縮性能維持在0.2 mm以下，表明注漿材料具備良好的體積穩(wěn)定性，可以控制早期裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。