機場道面水平鉆孔注漿材料的制備與性能研究

方學東,魏 江,劉雨星,馮自立

(1.中國民用航空飛行學院 機場學院, 四川 德陽 618307;2.四川省民航機場智慧運營與運維工程研究中心, 四川 德陽 618307)

0 引言

近年來,我國民航事業飛速發展,《“十四五”民用航空發展規劃》開啟了多領域民航強國建設新征程[1]。2019年發布的《民用機場道面評價管理技術規范》、《民用機場飛行區技術標準》等規范對運輸機場的飛行區運行管理提出了更高的要求,而亟待解決且最為重要的是對機場跑道中線燈的加密改造,以更好地保障夜間航班安全起降的需要。

目前,民用機場助航燈光改造工程普遍采用水泥混凝土道面刻槽、切縫或瀝青道面刨銑,然后埋管鋪設管線的方式,但此類方式會造成道面損壞,存在較大安全隱患[2]。通過采用水平定向鉆技術在跑道下基層進行定向鉆孔鋪設管線安裝燈具,代替傳統表面刻槽等方式,可避免對面層造成破壞。使用水平定向鉆技術在跑道下基層鉆孔勢必會影響基層結構,可能會造成跑道道面板底脫空及一系列其他病害,因此需要對水平鉆孔進行注漿回填以穩定道面結構,防止支撐劣化。

目前,機場工程領域對于注漿材料的選擇沒有統一標準,在其他工程領域,將硅酸鹽水泥(P.C)和硫鋁酸鹽水泥(R·SAC)的優勢結合,制備性能適用于特定工程的注漿材料成為國內外學者的研究方向。張鑫等[3]采用新型試驗方法研究不同復配比例的硅酸鹽-硫鋁酸鹽復合水泥漿液黏度時變特性和凝結變形特性,并結合微觀特性進行分析,為實際工程中的應用提供理論支撐。楊清等[4]針對硅酸鹽-硫鋁酸鹽復合水泥的凝結時間、抗壓強度利用等溫量熱儀、綜合熱分析儀(TG-DSC)、掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)進行綜合分析,發現SAC摻量僅為10%時,凝結時間、早期及后期抗壓強度均得到改善,復合膠凝體系的早期水化速率和放熱量高于單組分水泥。王博等[5]對硅酸鹽-硫鋁酸鹽復合水泥凝膠體系中摻加硅灰和硅渣展開研究,發現可以明顯提高復合膠凝體系后期的抗壓強度、抗折強度和流動度,為實際施工提供最優配比。

本文從實際機場水平注漿材料需求出發,對復合硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥進行復配,并輔以機制砂、水和聚羧酸高效減水劑,制備適用于機場不停航施工、面向機場跑道水平鉆孔回填的硅酸鹽-硫鋁酸鹽復合水泥砂漿,并進行相關室內試驗對注漿材料的各項工作性能進行研究,獲得滿足工程注漿材料的具體配合比。研究成果可用于機場跑道水平鉆孔注漿回填工程的推廣應用。

1 不停航施工特點及材料要求

不停航施工指的是機場在不關閉或某一時間段內關閉但依舊按照航班計劃起降航空器的情況下,在飛行區范圍內進行工程施工[6]。水平定向鉆工藝及注漿工程不能影響機場正常運行,因此只能在夜間進行施工。由于施工時間較短,任務較重,對注漿材料各項性能參數要求嚴格,材料的選擇需要考慮流動性、凝結時間、固結體抗壓強度等多種因素。

1) 項目施工有效作業時間短。

全國各機場航班時刻安排不同,施工作業時間也不盡相同,通常是在0∶00 AM以后開始,客貨吞吐量大,較為繁忙的機場開始施工的時間需要在1∶00 AM以后甚至更晚[7]。在航空器起飛或者著陸前1h,施工單位應當清理恢復現場,填平、夯實溝坑,施工人員、機具、車輛撤離施工現場。因此不停航施工作業時間只有6～7 h,水平定向鉆機從道肩開孔至跑道中線整個流程在4 h左右,開孔完成后立即注漿回填,因此要求注漿材料初凝時間在60～90 min,終凝時間在120 min內,且需要初凝時間與終凝時間的間隔盡可能短,實現“直角稠化”[8],滿足機場在不停航施工結束后馬上有飛機起降的特殊性。

2) 安全性要求高

基層在機場道面的主要作用為提高道面結構承載力,通過改善土基的受力狀態延緩累積塑性變形,改善面層的受力條件,使面層得到均勻、穩定的支撐,保障航空安全運營。經ABAQUS有限元仿真演算后決定于道面下基層鉆孔注漿,水平注漿孔為30 m,需要注漿機提供一定壓力和砂漿保持高流動度才能完成。流動度較低時,漿液容易在下基層堵塞,繼續注漿易造成面層隆起的現象[9]。《民用機場水泥混凝土道面設計規范》要求飛行區指標Ⅱ為E,下基層材料為水泥穩定料粒時,7 d浸水抗壓強度不小于2.5 MPa。注漿后次日機場通航,因此選擇測試砂漿24 h抗壓強度。

根據水泥水化的特點,水泥基注漿材料普遍存在流動性、凝結時間及抗壓強度不協調的矛盾。當注漿材料的水灰比較高時,水泥顆粒可以更好地分散,水泥之間的阻力下降,相應漿液的流動性提高。但是在水灰比較高情況下,水泥顆粒間距會增大,水化反應生成產物形成網狀絮凝結構時間增加,孔隙率增大,導致注漿材料凝結時間延長,抗壓強度降低[10]。在機場不停航施工的前提下,制備面向機場道面水平鉆孔注漿材料、調控各項工作性能之間的平衡來滿足工程要求已成為研究重點,故從機場不停航施工特點及工程需要出發,著重考慮材料存在的矛盾,通過大量試驗制備出普適于機場不停航施工的注漿材料。

2 試驗

2.1 原材料

選用的水泥為復合硅酸鹽水泥(P.C42.5R)和快硬硫鋁酸鹽水泥(R·SAC 42.5),減水劑為聚羧酸高效減水劑,其他常見材料為粒徑0.5 mm以下的機制砂及自來水。SAC礦物組成如表1所示。

表1 硫鋁酸鹽水泥的礦物組成

在復合水泥中摻加機制砂可以改善注漿材料的流動性,但砂的粒徑較大時,反而會在基層30 m長的孔洞內造成漿液堵塞,故在試驗中選擇 0.5 mm以下的中細砂作為骨料。水泥砂漿在建筑施工中水泥和砂的比例通常在1∶3左右,砂的比例增加反而會導致注漿材料的抗壓強度降低[11]。因此,試驗中水泥和砂的比例設置為1∶1,摻加一定量的機制砂會適當減少水泥用量,在工程中具有一定經濟性。

2.2 試驗方案設計

在制備面向機場跑道水平鉆孔注漿材料時,分別考慮硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥2種膠凝材料的比例、水灰比、減水劑摻量的變化對注漿材料工作性能的影響。在研究硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的比例對注漿材料工作性能影響時,從9∶1設置至1∶9,共9種情況;研究水灰比時,水灰比分別設置為0.45、0.5、0.55、0.6;減水劑摻量為膠凝材料的比例分別為0.5%、0.55%、0.6%、0.65%、0.7%。其中,水灰比為0.6,在研究2類水泥比例時,試驗方案如表2所示。研究減水劑摻量方案如表3所示。

表2 水灰比0.6時膠凝材料配比試驗方案

表3 水灰比0.6時減水劑摻量方案

2.3 測試方法

凝結時間:用于機場跑道水平鉆孔的注漿材料凝結時間的測定參考《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2011)水泥凈漿凝結時間測試方法。使用維卡儀及配件測試初凝針、終凝針沉入一定深度所需要的時間即為漿液的初凝、終凝時間。

流動性:漿液流動性測定參考《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GBT8077—2012),計算截錐圓模提起后,計算漿液30 s時在玻璃板上流淌部分相互垂直的2個方向的最大直徑,取平均值作為漿液的流動性。

穩定性:漿液析水率測定參考《水工建筑物水泥灌漿施工技術規范》(SLT 62—2020),取100 mL漿液倒入量筒中,接近100 mL時用移液管準確加至100 mL刻度。靜止2 h后,讀取析出清水和下部漿液分界面對應刻度進行計算。

抗壓強度:抗壓強度測定參考《基礎工程注漿用水泥漿抗壓強度試驗方法》,制作試模為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體24 h后采用壓力試驗機進行測定。

3 試驗結果與分析

3.1 PC和SAC比例對注漿材料性能的影響

根據試驗測試結果,繪制出2類水泥比例對流動性、24 h抗壓強度的影響,如圖1所示。

圖1 PC與SAC比例對流動性及1 d抗壓強度的影響

由圖1可得知,隨著硫鋁酸鹽水泥比例的增加,不同水灰比下的復合水泥砂漿流動性均呈現緩慢降低的趨勢,硫鋁酸鹽水泥用量越多,對復合水泥砂漿的流動性作用越明顯。復合水泥砂漿的流動度主要和水泥顆粒的細度有關,相比于硅酸鹽水泥,硫鋁酸鹽水泥細度越大,比表面積就越大,同一水灰比下流動性越差[13]。因此,在同一水灰比下,隨著硫鋁酸鹽水泥比例增大,復合水泥砂漿的流動性降低。以水灰比0.6為例,流動性保持在166～228 mm,總體研究表明,兩類水泥比例對復合水泥砂漿流動性影響較小。

隨著SAC比例的增加,復合水泥砂漿1 d抗壓強度不斷增高,PC和SAC比例在7∶3～4∶6時,強度上升的趨勢較為明顯,這是由于復合水泥砂漿早期強度主要來源于SAC水化。SAC作為主要的活性摻合料,可以增加混凝土的早期強度和耐久性,同時降低熱量產生和開裂傾向,硫鋁酸鹽水泥中的硫酸根和硅酸鹽水泥中的氫氧根可以反應生成硅酸鹽,產生相應的化學反應熱,從而加速硬化過程,提高混凝土的早期強度[14-15]。

PC與SAC比例對砂漿凝結時間影響較為明顯,以水灰比0.45為例,當SAC比例在90%時,初凝時間最低可達8 min,SAC比例在10%時,初凝時間最高,可達292 min,因此可根據工程條件的不同,通過調節PC和SAC配比來精準控制凝結時間。隨著SAC比例的增加,凝結時間在不斷降低,初凝時間與終凝時間的間隔也在縮短,趨勢如圖2所示。當PC∶SAC=7∶3時,初終凝時間間隔在30 min以內,當SAC比例和PC相同或更高時,初凝時間與終凝時間的間隔在10 min以內。

圖2 水灰比0.45時PC和SAC比例對 凝結時間的影響

出現這種現象主要是由于PC中的緩凝成分與SAC中的硫鋁酸鈣經水化反應生成鈣礬石,使得復合水泥砂漿加速水化凝結過程,生成氫氧化鋁凝膠。氫氧化鋁凝膠會和PC水化產物氫氧化鈣迅速反應生成鈣礬石,加速復合水泥砂漿的凝結[16]。

3.2 水灰比對注漿材料性能的影響

砂漿的流動性是工程建設中十分重要的指標,不同水灰比對于復合水泥砂漿的流動性展現出相應的影響。經試驗比較,并由圖1的數據發現,水灰比在0.45時,砂漿流動性較差,工作性能不佳,但隨著水灰比升高至0.5后,砂漿的流動性得到了明顯提高。這是因為在高水灰比的情況下,水泥顆粒之間的阻力較小,水泥顆粒在溶液中很容易自由分散,顆粒之間的相互作用力減弱,水泥顆粒之間空隙的填充也會變小,進一步降低了復合水泥砂漿的內聚力和內摩擦力,提高了砂漿的流動性[17]。在實際工程項目中,需要根據具體情況和要求來選擇合適的水灰比,以獲得最佳的復合水泥砂漿流動性表現,并通過實驗選擇最佳的水灰比水平,為工程施工提供依據和保障。

水灰比的增加對復合水泥砂漿抗壓強度具有一定的減弱作用,加水量越大,水泥顆粒之間的相互作用力越弱,導致水泥砂漿中的顆粒不易相互固定,水泥顆粒水化后毛細孔數量增多,孔隙率增大,導致砂漿抗壓強度下降。同時,當水灰比增加時,水含量增加將導致水化反應受到限制,可能使水泥砂漿中部分水泥顆粒不能得到充分水化,最終導致水泥砂漿的強度降低[18]。水灰比在0.45及0.5時,砂漿1 d抗壓強度幾乎相同,但隨著水灰比的提高強度有所下降;在水灰比為0.6的情況下,1 d抗壓強度最低在2.93 MPa,但也達到跑道下基層抗壓強度要求。

圖3主要顯示了不同水灰比對復合水泥砂漿凝結時間的影響和初凝時間。可以發現,影響趨勢大致相似,當水灰比過高時,過多的水分稀釋了復合水泥砂漿的漿體,降低了其粘度,進而導致水泥水化反應緩慢。但隨著硫鋁酸鹽水泥的摻加,能夠帶來更快的水化反應速度,從而抵消了水灰比的影響。因此,不同水灰比對復合水泥砂漿凝結時間的影響可通過摻加適量的硫鋁酸鹽水泥而得到平衡。

圖3 不同水灰比凝結時間及初凝時間

3.3 外摻劑比例對注漿材料性能的影響

研究減水劑比例對復合水泥砂漿的影響時,復合硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的比例為7∶3,水灰比為0.6,減水劑比例設置為0.5%、0.55%、0.6%、0.65%、0.7%共5個水平,試驗結果如圖4所示。

圖4 減水劑比例對復合水泥砂漿性能的影響

在PC、SAC比例及水灰比確定時,隨著減水劑比例的增加,流動性逐步增強。其作用原理是通過改變水泥材料的表面電荷,水泥顆粒之間的相互排斥力降低,從而減少水泥顆粒之間的吸引力,使得顆粒更加分散,形成更高的比表面積,影響水泥與水之間的化學反應及水泥顆粒的排列狀態[19]。減水劑比例超過0.6%時,復合水泥砂漿流動性已無變化,在減水劑比例超過0.6%時,作用并不明顯,說明此時減水劑摻量已經超過最佳摻配比例[20]。

適量添加減水劑可以減少材料中水的含量,提高注漿材料的流動性,降低注漿材料的水灰比,從而提高注漿材料的強度。由圖4可知,減水劑比例增加時,復合水泥砂漿24 h抗壓強度也在提高,但減水劑比例超過0.7%時,強度反而下降,這是由于減水劑的摻量過多反而會影響材料的粘結性能。因此在實際應用中,需要根據具體應用環境和材料性能來選擇合適的減水劑類型和添加劑摻量,以最大限度地發揮減水劑的效果,提高注漿材料的強度,滿足工程需求。

4 最佳配合比確定

多項試驗結果表明,硅酸鹽-硫鋁酸鹽復合水泥砂漿的流動性、凝結時間和抗壓強度等工作性能均符合機場不停航施工的要求,且復合水泥砂漿是制備注漿材料的經濟可行性方案之一。綜合考慮各類因素,將機場小孔徑水平注漿最佳硅酸鹽-硫鋁酸鹽復合水泥砂漿材料配合比列舉于表4中,其工作性能參數如表5所示。

表4 最佳注漿材料配合比

表5 最佳注漿材料工作性能參數

在上述注漿材料配合比設計下,復合水泥砂漿呈現極佳的流動性,且在混合后30 min內持續保持穩定的流動性。這確保了在注漿過程中,漿液不會因流動性損失而導致孔洞堵塞。然而,注漿材料的流動性和凝結時間之間存在一定矛盾。若因效率持續縮短凝結時間,材料的流動性也會在較短時間內受到影響。為了確保注漿的順利進行,PC與SAC比例建議設置在7∶3。在此情況下,終凝時間仍將保持在2 h以內,符合現場施工要求。

5 注漿效果評價

5.1 模擬基層水平鉆孔試件

為更好地測試復合水泥砂漿注漿對道面下基層抗壓強度的影響,從下基層配合比設計出發,進行圓柱體抗壓強度試件制作,使用預埋件對其填充模擬鉆孔過程,在強度試件養護第6天時進行注漿,并在第7天測試抗壓強度。此方式不僅可以測試鉆孔對抗壓強度的影響,還可以測試復合水泥砂漿1 d注漿效果。試驗中選取預埋件直徑分別為2、4、6、8 cm。圖5為2 cm孔徑鉆孔及注漿過程。表6顯示了無側限抗壓強度試驗相關參數。

圖5 預埋件直徑2 cm鉆孔及注漿過程示意圖

表6 無側限抗壓強度試驗相關參數

圖6顯示了不同孔徑注漿前后試件強度變化趨勢。《民用機場水泥混凝土道面設計規范》要求飛行區指標Ⅱ為E、F時,下基層水泥穩定料粒7 d浸水抗壓強度不小于2.5 MPa。試驗試件原始強度為2.71 MPa,隨著孔徑的增大,試件抗壓強度不斷降低,但在注漿完成后各孔徑試件抗壓強度均得到恢復改善。當孔徑為8 cm時,強度完全損失,降低至0.7 MPa,然而在復合水泥砂漿注漿完成后,恢復至2.53 MPa,符合規范要求。當孔徑為2 cm 時,在未注漿情況下進行測試,強度在 2.59 MPa,強度損失較小。因此,在現場進行施工時,為保護下基層結構及強度,開孔尺寸應盡可能縮小,這樣不僅可以降低鉆孔對基層的破壞,也可減少復合水泥砂漿材料用量,提高經濟效益。

圖6 不同孔徑下注漿前后強度

5.2 現場試驗檢測

為更好地驗證復合水泥砂漿材料的實用性及注漿效果,在現場試驗段下基層進行模擬直徑10 cm鉆孔、注漿過程。圖7為試驗段現場,箭頭所示為橫向半幅跑道,方向為道肩至跑道中線位置,下基層分為水泥穩定碎石、石灰穩定碎石、石灰-粉煤灰穩定碎石3類。

圖7 試驗段現場

5.2.1 重錘式彎沉儀(HWD)

重錘式彎沉儀是一種用于測量道面變形和沉降的設備。重錘自由落下后會感知到道面的變形程度,傳感器記錄并測量重錘自由落地到達不同測試點時的反彈高度,根據反彈高度的變化推斷出道面沉降和變形情況,獲得當前位置的沖擊勁度模量,從而推算出基層頂面反應模量[21]。試驗中選擇在鉆孔前后以及注漿后進行測試,檢驗復合水泥砂漿注漿效果。

圖8中鉆孔前后及注漿后的沖擊勁度模量變化側面反映了道面結構的穩定性,經回填注漿過后,道面質量得到改善。在距跑道中線2.25 m位置,鉆孔之前沖擊勁度模量為1 137.5 kN/mm,經過鉆孔后下降至1 066.9 kN/mm,使用復合水泥砂漿注漿完成后,沖擊勁度模量為1 175.3 kN/mm,相比鉆孔前后得到了一定恢復。在距跑道中心位置6.75、11.25、15.75 m處,注漿后的沖擊勁度模量相比于鉆孔前分別提高了2.1%、1.6%、0.2%,數據側面反映了注漿后道面承載力的提高。

圖8 鉆孔前后及注漿后沖擊勁度模量

但在距離跑道中心距離20.25 m處,即靠近道肩位置,沖擊勁度模量有所下降,這是由于該位置靠近注漿開始處,注漿過程中需要進行鉆孔和封孔等操作,因此會破壞道面原有材料結構和相互作用,從而導致復合水泥砂漿不完全填充,引起沖擊勁度模量降低。

5.2.2 探地雷達

探地雷達是一種基于電磁波技術探測地下物質結構與特征的無損檢測設備。其工作原理是發射高頻電磁波并接收其反射信號,通過對信號反射參數分析獲得地下物質的空間分布和形態信息[22]。此次試驗中,利用機場道面檢測用探地雷達設備在注漿后進行檢測,目的在于評估注漿后下基層填充情況,以及注漿是否會引起下基層脫空等問題,為機場道面工程提供可靠支撐。

圖9為現場試驗中某一位置鉆孔前后以及注漿后的檢測結果。圖9(a)為試驗前檢測,證明道面狀況良好,在進行小孔徑鉆孔之后,掃描圖像出現波峰凸起,檢測出下基層位置的確存在孔洞,見圖9(b)。然而,經復合水泥砂漿注漿后下基層位置注漿效果良好,充填密實,見圖9(c)。通過復合水泥砂漿注漿后,鉆孔前產生的缺陷得到有效修復,同時強化了下基層的結構支撐和承載能力。檢測結果證實了復合水泥砂漿在道面下基層結構加固中的有效性和可行性。

圖9 探地雷達檢測結果

6 結論

1) 硅酸鹽-硫鋁酸鹽復合水泥砂漿具有凝結時間短、在一定區間內可調、流動性和穩定性好、早期抗壓強度高等優點,是滿足機場不停航施工要求、面向道面下基層水平注漿的普適性材料。

2) 硫鋁酸鹽水泥水化反應速率快,控制硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的配比成為影響復合水泥砂漿凝結時間的關鍵因素。當PC和SAC的比例為7∶3時,復合水泥砂漿終凝時間在2 h內,且初凝距終凝時間間隔不超過30 min。

3) 水灰比和減水劑比例對復合水泥砂漿流動性影響較為顯著。為確保適用于水平注漿,復合水泥砂漿應盡可能高的流動性,然而砂漿流動性的增強也會對凝結時間造成影響。最終,在保證水平注漿效果的前提下,將水灰比控制在0.6,減水劑比例設為0.6%,此時復合水泥砂漿流動性為196 mm,30 min流動性保持在88 mm。

4) 通過圓柱體強度試件模擬的鉆孔注漿和現場試驗段HWD、探地雷達檢測,表明硅酸鹽-硫鋁酸鹽復合水泥砂漿充填密實,對地下基層的強度和結構起到了改善和提高作用,保證了機場次日通航的安全性。