改性超細水泥注漿材料在含微裂隙水利工程中的應用

郇恒花

(山東臨沂費縣水利工程保障中心，山東 臨沂 273400)

隨著我國水利工程的快速發展，許多堆石壩等壩體高度已超過300m，超高壩體在運行過程中的維護比傳統壩體更加艱難[1- 2]。超高壩體中的某些微裂隙在壩體自身重力和高水頭壓力的多重作用下易擴展，在持續性流變作用下含裂縫的超高壩體易失穩[3]。注漿加固是水利工程中較為常見的維護手段，能有效地加固壩體和減小滲流作用[4- 5]。

在壩體自身高應力的作用下，壩體中許多微裂紋會被擠壓縮小甚至閉合，從而產生大量的微裂隙，傳統的硅酸鹽水泥注漿材料很難進入到微裂隙中，從而導致注漿加固效果無法滿足工程要求[6- 7]。目前對于含微裂隙的巖體，注漿加固材料多選擇流動性好和黏度低的化學注漿材料，但是該材料也存在強度低、耐久性差和污染環境等缺陷[8]。

為了彌補現有注漿材料在含微裂隙巖體加固中的不足，通過減小硅酸鹽水泥顆粒粒徑而產生的超細水泥得到了較好的發展。鄭青[9]通過將超細水泥和水玻璃結合的方式加固了含富水條件的暗挖隧道；樊震旺等[10]通過納米碳酸鈣對超細水泥進行改性，并對改性的注漿材料性能進行了研究。超細水泥注漿材料在水利工程中的應用研究相對較少，本文以水利工程中巖體含微裂隙、高壩體和高水頭等實際工程條件為背景，研究了超細水泥粒徑大小及添加劑對材料性能的影響，對其在水利工程中的應用前景進行探討。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本文所用的超細硅酸鹽水泥粒徑大小和礦物成分見表1。為了增強注漿材料的性能，嘗試將超細粉煤灰和超細硅灰作為添加劑對超細水泥注漿材料進行改性，2種添加劑均購自榮昌盛環保材料公司，其礦物成分見表2。減水劑為高性能聚羧酸減水劑。

1.2 試驗方法

利用ZNN-D6型旋轉粘度計對不同粒徑大小的超細硅酸鹽水泥漿液的黏度進行測試，該設備轉速范圍在3～600r/min；采用100ml量筒對漿液的析水率進行測試；測試了不同超細粉煤灰摻量(10%、20%、30%和40%)、超細硅灰摻量(3%、6%、9%和12%)和高效減水劑摻量(0.5%、1.0%、1.5%和2%)下1340目超細水泥漿液的流變特性、表觀黏度和析水率；上述所有試驗中漿液的水灰比控制為1.0。通過掃描電鏡分別對含粉煤灰和硅灰的水泥漿液結石體的微觀結構進行測試，探索其對漿液性能的影響機理。

表1 超細水泥粒徑分布及礦物成分

表2 粉煤灰和硅灰礦物成分

2 試驗結果分析

2.1 粒度大小對漿液特性的影響

超細水泥粒徑大小對漿液剪切力、表觀黏度和析水率的影響如圖1所示。從圖中可以看出，在相同轉速條件下，漿液的剪切力和表觀黏度均隨著超細水泥粒徑的減小而增大，這是因為水泥顆粒的減小會導致漿液中水泥顆粒的比表面積增大，從而導致水泥顆粒與水的接觸面積更廣，更有利于水泥顆粒產生水化反應和產生更多的膠結體，最終導致漿液的剪切力和黏度有所增長。在相同的水泥粒徑條件下，轉速的增加會導致漿液的剪切力增加和黏度下降。從圖中還可以看出，當粒徑大小為400目時，漿液的析水率為16%，為非穩定漿液；其余3種水泥粒徑的漿液均為穩定漿液。漿液的析水率隨著超細水泥粒徑的減小而減小，這是由于水泥顆粒粒徑減小導致比表面積增大，促進水泥顆粒水化反應的同時會生成更多的膠結體和消耗更多的自由水，從而提高漿液的整體穩定性。

圖1 超細水泥粒徑大小對漿液剪切力、表觀黏度和析水率的影響

2.2 粉煤灰對漿液特性的影響

粉煤灰摻量對漿液剪切力和表觀黏度的影響如圖2所示。從圖中可以看出，在相同轉速條件下，漿液的剪切力和表觀黏度均隨著粉煤灰摻量的增大而減小，這是因為粉煤灰的微觀結構主要是球狀顆粒[11]，這有助于降低漿液的黏度，同時粉煤灰球狀顆粒能夠吸附在超細水泥顆粒表面，相當于間接降低了水泥顆粒與水的接觸面積，從而釋放了更多的水分子和減少了膠結體的數量，最終導致漿液的剪切力和黏度降低。當粉煤灰摻量超過30%后，粉煤灰對漿液的黏度和剪切力影響程度顯著降低。從圖中還可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，漿液的析水率逐漸降低，穩定性逐漸增強，與粉煤灰摻量對漿液剪切力和表觀黏度影響規律相似，當粉煤灰摻量超過30%后，粉煤灰對漿液的析水率影響程度顯著降低。

2.3 硅灰對漿液特性的影響

硅灰摻量對漿液剪切力和表觀黏度的影響如圖3所示。從圖中可以看出，在相同轉速條件下，漿液的剪切力和表觀黏度均隨著硅灰摻量的增加而增大，這是因為硅灰顆粒較小，比表面積相對較大，能吸附更多的自由水，從而增強了漿液顆粒之間的阻力，最終導致漿液的剪切力和表觀黏度增大。當硅灰摻量超過9%后，硅灰對漿液的黏度和剪切力影響程度顯著降低。從圖中還可以看出，隨著硅灰摻量的增加，漿液的析水率顯著降低，穩定性逐漸增強，與硅灰摻量對漿液剪切力和表觀黏度影響規律相似，當硅灰摻量超過9%后，硅灰對漿液的析水率影響程度顯著降低。

圖2 粉煤灰摻量對漿液剪切力、表觀黏度和析水率的影響

圖3 硅灰摻量對漿液剪切力、表觀黏度和析水率的影響

2.4 減水劑對漿液特性的影響

減水劑摻量對漿液剪切力和表觀黏度的影響如圖4所示。從圖中可以看出，在相同轉速條件下，漿液的剪切力和表觀黏度均隨著減水劑摻量的增大而減小，且減水劑摻量在0.5%～1.5%時變化最為明顯，這是因為減水劑能降低水泥顆粒與水的接觸面積，相當于釋放出了更多的自由水和減少了膠結體的數量，因此導致漿液的剪切力和黏度降低。當減水劑摻量超過1.5%后，減水劑對漿液的黏度和剪切力影響程度顯著降低。從圖中還可以看出，添加減水劑會顯著地提高漿液的析水率，即添加減水劑會嚴重影響漿液的穩定性。因此，為了提高漿液流動性的同時又不影響漿液的穩定性，添加粉煤灰比添加減水劑具有更加優異的效果。

圖4 減水劑摻量對漿液剪切力、表觀黏度和析水率的影響

2.5 微觀結構分析

含30%粉煤灰和含9%硅灰的水泥漿結石體微觀結構如圖5所示。從圖中可以看出，粉煤灰顆粒為圓球或橢圓球形，比表面積相對較小，水泥漿液結石體結構較粗糙，粉煤灰顆粒與水泥漿體粘結性能較差，因此粉煤灰改性水泥漿液的黏度較低，穩定性較差。而硅灰顆粒則為不規則的棱柱狀，比表面積大，與水泥漿體的接觸面積大，粘結性能好，因此硅灰改性水泥漿液的黏度較高，穩定性較好。微觀結構測試結果與漿液的黏度和析水率測試結果相吻合。

圖5 粉煤灰和硅灰改性水泥漿結石體微觀結構圖

3 結論

本文以水利工程中巖體含微裂隙、高壩體和高水頭等現狀為背景，研究了超細水泥粒徑大小及添加劑對漿液性能的影響規律，得到如下結論：

(1)減小水泥顆粒的粒徑和添加硅灰能以增加顆粒比表面積的方式消耗更多自由水、增加膠結體數量和增強與水泥漿體的粘結性，從而增強漿液的黏度和穩定性。

(2)添加粉煤灰和減水劑均能降低漿液剪切力和黏度，但是粉煤灰能提高漿液的穩定性，而減水劑會降低漿液的穩定性。在保證漿液穩定性的前提下，可通過粉煤灰和硅灰調節漿液的流動性能，兩者的最佳摻量分別為10%～30%和3%～9%。

(3)在研究出適用于微裂隙注漿的材料基礎之上，后續可深入研究微裂隙高壓注漿的實現手段。