表1(Table 1)
2. 山东省城乡建设勘察设计研究院, 山东 济南 250031
2. Shandong Province Urban and Rural Construction Survey and Resign Institute, Jinan 250031, Shandong, China
目前常用注浆加固的技术解决土石坝渗流问题, 从而保证工程的安全运行。注浆技术是将一定材料配制成浆液, 用压送设备将其灌入地层缝隙内使其扩散、胶凝或固化, 以达到加固地层或防渗堵漏的目的, 从而改善受注地层的水文地质或工程地质条件[1-2]。
19世纪, 欧洲曾使用人工锤击的方法首次将黏土浆液用于注浆施工当中, 之后英国人成功研发出硅酸盐水泥及水泥注浆方法进行注浆施工[3-5]。近年来, 关于浆液的扩散理论模型[6]及其在不同情况下扩散规律[7]的研究逐渐成熟, 注浆技术已成为改善岩土体各项物理力学参数、进行地下工程水害防控的重要技术手段, 并在水利、能源、交通和建筑等诸多行业中得到了广泛的应用[8-10]。
目前注浆材料主要分为颗粒浆液和溶液浆液两大类, 单液水泥浆浆液属于颗粒浆液[11-13]。水泥浆液不仅结石体强度高、抗渗性能强, 且原材料来源广、价格低、无毒无污染, 因而被广泛采用[14-16]。但单纯的水泥浆液析水率高, 流动性差, 结石率低, 与周围环境结合较差[17-20], 因而本研究在水泥浆液的基础上掺加粉煤灰及膨润土等材料, 使得注浆材料具有流动性好、结石率高、物理性能好等特点, 从而改善目前工程中常用的纯水泥材料的弊端, 用于土石坝防渗加固等[20-24]。本研究采用的材料配比试验方法还可以进一步推广以解决特定的工程问题。
1 水泥基注浆材料原材料及试验仪器 1.1 水泥基注浆材料原材料根据工程需求, 本研究意在研发一种浆液流动性好、凝结时间短、析水率低, 且具有良好后期物理性能的新型注浆材料。根据所需要的材料性能, 选择700目PO.425硅酸盐水泥、粉煤灰、钠基膨润土、萘系高效减水剂及CSA高效膨胀剂作为试验材料进行配合比试验。
1.1.1 水泥700目PO.425硅酸盐水泥(以下简称700目水泥)由唐山北极熊建材有限公司生产, 其中CaO质量分数为65.15%, SiO2质量分数为21.36%。
700目水泥粒径约是普通PO.425水泥的一半, 在性能上改善了普通PO.425水泥存在的浆液稳定性差、流动性差、结石率低、凝结时间长、固化后干缩率高等弊端, 并在前、中、后期强度上较普通PO.425水泥都有提升。
1.1.2 掺合料(1) 粉煤灰
本研究选用的粉煤灰为二级粉煤灰, 细度(0.045 mm方孔筛筛余)为18%, 需水量103.0%, 烧失量7.3%, 含水量≤1%, SiO3质量分数为2.3%。
细化的700目水泥成本大约为普通水泥的两倍, 加入粉煤灰可以降低整体材料的成本; 加入粉煤灰后, 虽然前期强度会有所降低, 但后期粉煤灰的水化会对材料强度进行补充, 保证材料结石体后期强度; 粉煤灰颗粒呈球状, 且粒径较小, 可改善浆液的和易性, 增大浆液的流动性。
(2) 钠基膨润土
本研究选用的膨润土由潍坊昱达膨润土有限公司生产, 物理化学性能指标如表 1所示。
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表 1 钠基膨润土性能指标 Table 1 Sodium bentonite performance index |
在材料中加入一定比例的膨润土, 用来抵消水泥基材料的体积干缩, 防止注浆后浆液与原土体间产生缝隙, 从而形成渗流通道; 可以使材料浆液的稳定性更好, 降低析水率; 还可使浆液与周围黏土的亲和性更好, 结合更加紧密。
1.1.3 外加剂(1) 萘系高效减水剂
萘系高效减水剂对水泥粒子有很强的分散作用, 可增加水泥浆液流动性, 改善其和易性, 提高其物理力学性能。
(2) CSA高效膨胀剂
CSA膨胀剂是以无水硫铝酸钙和氧化钙为主要矿物的硫铝酸钙类膨胀剂, 用来抵消水泥基材料的体积干缩。
1.2 试验仪器本研究采用NJ-160型水泥净浆搅拌机、水泥标准凝结时间测定仪(维卡仪)、36 mm×60 mm×60 mm水泥净浆流动度试模、MLN-2型马氏漏斗黏度计、时代试金WDW-100E型压力试验机。
2 水泥基注浆材料配合比试验配合比试验设计首先应满足水泥设计的强度要求、和易性要求及耐久性要求, 并在性能允许的范围内尽可能节约材料用量、降低成本。目前关于注浆材料方面尚未有专门的规范可以参照, 国内注浆材料试验一般参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法(ISO法)》规范进行配合比试验设计。
2.1 配合比选择根据前期研究基础以及对已有注浆材料配合比试验的经验, 将试验中各材料的用量定为700目水泥质量分数为55%~100%, 粉煤灰质量分数为0~45%, 膨润土质量分数为0~5%, 水灰比为1:1。另外将减水剂和膨胀剂作为外加剂, 减水剂质量分数为0%和0.7%, 膨胀剂质量分数为5%。共50组试验配合比, A1~A25为无减水剂配比(如表 2所示), B1~B25为外掺0.7%减水剂配比, 其中A1、B1为普通硅酸盐水泥。
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表 2 水泥基试验材料试验配合比 Table 2 Test mix proportions of grouting materials |
本研究通过测定浆液凝结时间、黏度、流动性和析水率以及结石体抗压强度等来分别研究对注浆材料性能的影响。
2.2 浆液凝结试验在土石坝注浆中, 为防止浆液过分稀释或被冲刷带走, 必须缩短浆液的凝结时间, 使其在注入过程中快速凝结。
本研究选用维卡仪对A3、A5、A7、A9、A11、A13、A15、A17、A19、A21、A22进行凝结时间测定试验, 试验测量结果如表 3所示。
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表 3 浆液凝结时间 Table 3 Setting times of grouting materials |
通过对比分析各组试验数据可以看出, 粉煤灰和膨润土都起到了延缓凝结时间的作用, 粉煤灰对凝结时间的影响比膨润土小。可以看出, 如果粉煤灰及膨润土的掺量过大, 会使注浆材料的凝结时间过长, 不利于浆液的快速凝结。
2.3 浆液黏度及流动性试验通过检测不同配合比浆液的黏度确定粉煤灰和膨润土的最佳掺量。黏度是度量流体粘滞性大小的物理量, 流动性表征在注浆过程中的浆液可注性, 直接影响浆液的扩散半径, 同时也决定着注浆压力、流量等参数的确定。一般情况下要求浆液的初始黏度低、流动性好、渗透能力强, 但是在土石坝注浆中, 低黏度浆液易被坝体内的渗流冲刷和稀释, 从而影响注浆效果。
本研究选用36 mm×60 mm×60 mm水泥净浆流动度试模和API标准马氏漏斗黏度计(1 500 mL)分别对50组配比进行了浆液流动性以及浆液黏度试验, 不同水泥掺量的浆液流动性试验结果如图 1所示, 浆液黏度试验结果如图 2所示。
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图 1 膨润土-浆液流动性关系 Figure 1 Relations between slurry fluidity and bentonite dosage |
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图 2 不同膨润土掺量浆液黏度试验结果 Figure 2 Slurry viscosity test results of different bentonite contents |
从图 2中可以看出, 随着膨润土掺量的增加, 浆液的流动性逐渐降低, 浆液黏度逐渐增大; 在加入减水剂之后, 浆液的流动性明显增大, 浆液的黏度也显著下降。通过分析可知, 粉煤灰粒径小, 在显微镜下呈球状, 也可降低浆液黏度, 增加浆液流动性。
黏度过高将会明显影响浆液的可注性, 甚至导致浆液堵塞注浆管。因此为改善浆液的可注性, 可适当加入减水剂和粉煤灰, 或将膨润土掺量维持在一个适当的范围。
2.4 浆液析水率试验通过检测不同配合比浆液的析水率以确定粉煤灰和膨润土的最佳掺量。析水率是浆液稳定性的一项重要指标, 同时也反映了注浆效果的好坏, 析水率越低, 结石率越高, 注浆效果越好。
本研究选用250 mL量筒对50组配比进行2 h试验观察, 每隔10 min记录一次, 不同水泥掺量下掺加0.7%减水剂浆液的析水率情况如图 3所示。
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图 3 不同膨润土掺量析水率试验结果 Figure 3 Water separating proportion test results of different bentonite contents |
从图 3中可以得出, 随着膨润土掺量的增加, 浆液析水率线性减小。浆液析水率的减小代表着注浆凝结后结石率的增加, 注浆效果会随之得到较大提高。
2.5 结石体无侧限抗压强度本研究使用WDW-100E型压力机对50种配比所形成的结石体进行3、7、28 d抗压强度测试, 测试结果如表 4所示。
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表 4 结石体抗压强度 Table 4 Compressive strengths of stone body |
通过分析可以看出, 掺入粉煤灰和膨润土之后, 会在前期很大程度上降低结石体的抗压强度, 但后期粉煤灰的水化会对结石体的强度进行补充, 保证结石体后期的强度; 减水剂的加入, 虽能使水泥、粉煤灰的水化更加充分, 但相当于增大了浆液水灰比, 因此结石体强度也会因为减水剂的加入而降低。
2.6 结石体扫描电镜(search engine marketing, SEM)试验由于不同配比浆液中原材料的掺量不同, 致使浆液水化反应进程也不一样, 在宏观上表现为浆液结石体的结石率、抗压强度和渗透系数差异较大, 在微观上表现为不同阶段结石体的矿物组成及断面形貌等差异性较大。为了进一步分析材料的微观反应, 本研究对A7、A10、A19三组代表性配合比试件进行了扫描电镜分析, 在放大1 000倍后观察结石体的微观结构(如图 4~6所示)。
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图 4 A7结石体扫描电镜图像 Figure 4 SEM of A7 stone body |
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图 5 A10结石体扫描电镜图像 Figure 5 SEM of A10 stone body |
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图 6 A19结石体扫描电镜图像 Figure 6 SEM of A19 stone body |
由图 4可看出, ω水泥=70%、ω粉煤灰=25%及ω膨润土=5%组成的注浆材料结石体CSH凝胶结构致密且发育良好, 孔隙尺寸较小, 说明此组分注浆材料结石体结构致密, 孔隙率低; 球状粉煤灰与氢氧化钙很少, 说明此组分注浆材料粉煤灰二次反应完全, 火山灰效应明显, 可确保结石体后期强度; 5%膨润土的加入可改善水泥结石体与被加固土体界面的作用。
由图 5可看出, ω水泥=70%、ω粉煤灰=25%及ω膨润土=5%组成的注浆材料结石体CSH凝胶结构几乎看不出来, 大部分甚至完全被膨润土包裹, 且孔隙尺寸较大, 说明此组分注浆材料结石体结构疏松, 孔隙率高, 这也与试验中此组分结石体强度低的结果相一致; 球状粉煤灰、CSH凝胶结构大量被膨润土包裹, 15%的膨润土不利于改善水泥结石体与被加固土体胶结界面, 说明此组分注浆材料膨润土加入过多, 降低了结石体强度与致密度, 实际应用中应避免过量的膨润土, 其质量分数应低于15%。
由图 6可看出, ω水泥=70%、ω粉煤灰=25%及ω膨润土=5%组成的注浆材料结石体CSH凝胶结构不致密, 孔隙率较高, 水泥质量分数降低导致了C3S、C2S等有效水化矿物及水化产物氢氧化钙的降低, 同时由于粉煤灰质量分数较高, 导致较多的未反应完全的粉煤灰, 这些粉煤灰本身不能提供强度, 这些最终都导致了结石体强度的降低, 这也与A19组分注浆材料强度低的试验结果相一致。由于加入的5%膨润土不能提供强度, 所以本研究中粉煤灰的质量分数不易过高, 不宜超过40%, 以保证注浆材料结石体具有足够的强度与耐久性。
结合相关CSH与膨润土形貌文献研究, 基于前期膨润土及28 d纯水泥浆结石体的微观形貌测试分析, 发现28 d结石体中CSH为无定形密实的胶结体, 如图 4~6所示; 当膨润土质量分数较小(5%)时, 结石体中膨润土呈现颗粒状, 且具有分散均匀的特点, 如图 4所示; 当膨润土质量分数较高(15%)时, 结石体中膨润土微观形貌具有片状或板状结构, 这与膨润土质量分数低或为零时的形貌具有明显差异, 而这些差异正是膨润土大量存在造成的, 从而确认膨润土微观形貌, 如图 5所示。
3 材料配比的确定通过对不同配合比材料的试验分析, 可以得出:以水泥作为基本材料, 可以保证浆液结石体的前、中、后期强度, 保证材料具有良好的抗渗性能; 掺加粉煤灰不仅可以提高浆液的流动性, 还可以对后期结石体的强度进行补充, 更可以降低材料的整体成本; 掺加膨润土可以使材料浆液的稳定性更好, 结石率增高, 还可使浆液与周围黏土的亲和性更好, 结合更加紧密。但过高的粉煤灰及膨润土掺量又会影响材料整体的水化反应, 降低其物理性能, 因此应根据工程实际通过配比试验确定其掺量。
通过不同试验结果综合分析, 最终选定最佳配合比为方案A7(70%水泥、25%粉煤灰、5%膨润土)。
某水库最高蓄水位29.05 m, 相应最大库容52.5 Mm3, 年供水量120 Mm3, 而年渗流量＞12 Mm3, 渗流现象严重。2016年初采用本研究所研制的新材料, 对水库土石坝采用劈裂注浆的方式进行防渗加固, 在施工后的检测观察中, 年渗流量降至5 Mm3。可以看出本研究的注浆材料有很好的防渗效果, 对今后土石坝工程的防渗工作有很好的工程指导意义。
4 结论本研究通过对注浆材料的浆液凝结时间、黏度、流动性和析水率以及结石体抗压强度的试验分析来分别研究对注浆材料性能的影响, 得到如下结论:
(1) 单纯的水泥材料析水率高, 加入一定比例的膨润土可以使浆液更加稳定, 同时可以增加浆液材料的亲和性, 更好的与周围土体结合。
(2) 在水泥的基础上掺加膨润土会使浆液黏度增加, 降低其流动性, 掺加适量粉煤灰可以保证浆液流动性, 但粉煤灰和膨润土会增加浆液的凝结时间, 因此通过试验得出粉煤灰及膨润土掺量不宜超过总量的30%, 以防止浆液过分稀释或被冲刷带走, 并保证浆液的可注性。
(3) 膨润土本身不具有强度, 粉煤灰的前中期水化作用也不明显, 随着膨润土、粉煤灰的掺入会使结石体的前、中、后期强度下降明显, 在粉煤灰掺量超过30%, 膨润土掺量超过10%的情况下, 会使结石体抗压强度下降超过30%, 大大影响结石体抗压强度。
(4) 扫描电镜(SEM)试验表明, 粉煤灰及膨润土掺量过高都会使原材料无法正常水化, 为了保证浆液结石体的后期性能, 粉煤灰掺量不宜超过40%, 膨润土的掺量不宜超过15%。
(5) 土石坝工程防渗注浆材料的配比推荐选择70%水泥、25%粉煤灰、5%膨润土。
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