松散軟巖巷道錨注支護(hù)注漿材料配比試驗(yàn)研究

袁 越，王曉雷，龐杰文

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；2.河北聯(lián)合大學(xué)，河北 唐山 063009；3.深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

在我國(guó)中生代煤系地層中，部分區(qū)域賦存著松散的砂礫巖層，礫石主要成分為石英、硅質(zhì)巖，砂質(zhì)膠結(jié)，泥質(zhì)含量高，孔隙發(fā)育，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)松散，膠結(jié)力不足，自穩(wěn)能力差，整體強(qiáng)度極低。對(duì)于此類松散軟弱的圍巖穩(wěn)定性控制，采用中空注漿錨桿兼做注漿管向松散圍巖中注漿，實(shí)現(xiàn)錨固與注漿的一體化，是一種較經(jīng)濟(jì)和有效的措施。在應(yīng)用錨桿注漿技術(shù)進(jìn)行支護(hù)時(shí)，注漿材料及適宜的漿液配合比的確定是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)，很大程度上影響了注漿效果的好壞。鑒于此，本文通過(guò)一系列室內(nèi)試驗(yàn)，主要研究幾種注漿材料不同的配比、摻合比對(duì)漿液性能的影響規(guī)律，基于試驗(yàn)研究結(jié)果，針對(duì)松散砂礫巖的特點(diǎn)，提出漿液須滿足的性能要求，并推薦優(yōu)選配比，為此類松散軟巖現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)及錨注支護(hù)工程提供一定的科學(xué)依據(jù)，對(duì)類似條件支護(hù)工程的設(shè)計(jì)和施工也具有很重要的借鑒和參考意義。

1 試驗(yàn)原材料及影響因素

1.1 試驗(yàn)原材料

目前用的注漿材料有化學(xué)漿液和水泥漿液兩大類，化學(xué)漿液因價(jià)格昂貴，僅應(yīng)用于用量較小的特殊局部加固。在了解各種水泥基漿液基本性質(zhì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件，選取P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、超細(xì)水泥、水玻璃三種注漿原材料，其中超細(xì)水泥的物理性質(zhì)和水玻璃的物化指標(biāo)分別見(jiàn)表1、表2。

表1 DMFC-600灌注用超細(xì)水泥的物理性質(zhì)

表2 邁克龍力水玻璃主要物理化學(xué)性能指標(biāo)

1.2 漿液性能影響因素

結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度極低的砂礫巖，采用注漿錨桿進(jìn)行注漿支護(hù)時(shí)，漿液需滿足在較短時(shí)間內(nèi)具有較好的流動(dòng)性，凝結(jié)速度快，并且固結(jié)體具有較高的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，為此，此次試驗(yàn)主要研究漿液的流動(dòng)性、析水率、凝結(jié)時(shí)間、單軸抗壓強(qiáng)度四個(gè)性能指標(biāo)。影響注漿漿液性能的因素很多也比較復(fù)雜，但在注漿材料品種、施工工藝等一定的條件下，主要應(yīng)考慮不同水灰比及摻合比對(duì)其綜合性能的影響。試驗(yàn)分別對(duì)水泥漿液(水灰比為0.6∶1，0.8∶1，1∶1，1.2∶1)、超細(xì)水泥漿液(水灰比為0.6∶1，0.8∶1，1∶1，1.2∶1)、水泥水玻璃漿液(水灰比為0.6∶1，0.8∶1，1∶1，1.2∶1，體積比為1∶0.6，1∶0.8，1∶1，1∶1.2)的性能進(jìn)行了測(cè)試。

2 漿液性能指標(biāo)測(cè)試

2.1 漿液析水率

析水率是指漿液靜置一段時(shí)間后，容器上面析出的水體積占漿液總體積的比例。漿液析水是由漿液顆粒沉降和體積收縮引起的。析水性較小的漿液，其穩(wěn)定性好，注漿時(shí)易控制，而析水性較大的漿液，對(duì)注漿效果影響較大，可能導(dǎo)致漿液流動(dòng)性變差，造成機(jī)具和灌漿通道的堵塞，并使結(jié)石強(qiáng)度均勻性降低；若析水作用發(fā)生在注漿結(jié)束之后，則可能在注漿體的頂部造成空穴，如不進(jìn)行補(bǔ)注，將使得注漿效果大打折扣。

采用100mL的量筒，將拌制好的不同配合比漿液裝入量筒中，測(cè)定靜置2h后讀出量筒上部析出清水的高度(即毫升數(shù))，該高度數(shù)即為析水率。

2.2 漿液流動(dòng)性

漿液的流動(dòng)性是表示漿液在自質(zhì)量或外力作用下流動(dòng)的性能，它直接影響注漿施工工藝，注漿材料流動(dòng)性好，管道輸送容易，可泵性和填充性好，注漿擴(kuò)散半徑大注；漿材料流動(dòng)性差，管道輸送困難，可泵性差，注漿擴(kuò)散半徑小。

參考JC/T985-2005《地面用水泥基自流平砂漿》采用流動(dòng)性試模進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 漿液凝結(jié)時(shí)間

漿液凝結(jié)時(shí)間是指從水泥等膠凝材料加入水?dāng)嚢韬螅綕{體失去流動(dòng)性，具有可塑性，并形成一定強(qiáng)度固結(jié)體所經(jīng)歷的時(shí)間。凝結(jié)時(shí)間是漿液性能的重要參數(shù)之一，必須合理的調(diào)控好注漿漿液的凝結(jié)時(shí)間。凝結(jié)時(shí)間過(guò)短容易導(dǎo)致漿液還未開(kāi)始注入巖土體，就已經(jīng)在注漿管內(nèi)喪失流動(dòng)性，造成堵管現(xiàn)象，也會(huì)影響漿液的擴(kuò)散半徑；凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，漿液泌水量將增大，引起固結(jié)體體積的大幅度收縮，導(dǎo)致加固體開(kāi)裂，影響最終的注漿加固效果；另一方面，凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，開(kāi)挖后圍巖的變形得不到及時(shí)有效的控制，特別是對(duì)于松散、破碎和軟弱的巖層，容易產(chǎn)生嚴(yán)重冒頂現(xiàn)象。

漿液的凝結(jié)時(shí)間包括初凝時(shí)間和終凝時(shí)間，測(cè)定方法可參照J(rèn)GJ70-90《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法》，采用標(biāo)準(zhǔn)維卡儀進(jìn)行測(cè)試。

2.4 漿液固結(jié)體抗壓強(qiáng)度

強(qiáng)度問(wèn)題是漿液性質(zhì)最重要的內(nèi)容之一，對(duì)松散軟巖進(jìn)行注漿加固，漿液不僅需要滿足較短凝結(jié)時(shí)間的要求，而且必須具有較高的早期和后期強(qiáng)度，保證整個(gè)加固體的強(qiáng)度和漿液結(jié)石體與錨桿的粘結(jié)強(qiáng)度，以達(dá)到設(shè)計(jì)的錨固力。一般而言，要求漿液的早期強(qiáng)度達(dá)到軟質(zhì)巖層無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度(0.2MPa)，后期強(qiáng)度略大于強(qiáng)風(fēng)化巖天然抗壓強(qiáng)度(2.5MPa)即可，但是確定漿液的強(qiáng)度還需要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)施工條件和工程地質(zhì)條件。

對(duì)不同配比及摻和比的漿液固結(jié)立方體進(jìn)行3t、7t和28t三個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，同一組應(yīng)進(jìn)行3個(gè)試件的測(cè)試，以3個(gè)試件測(cè)值的算術(shù)平均值作為該組試件的抗壓強(qiáng)度值，平均值計(jì)算精確至0.1MPa。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 普通水泥漿液試驗(yàn)結(jié)果

將不同配比的漿液各性能指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)成果繪制成相關(guān)曲線，如圖1～3所示。

從圖1～3中可以看出，隨著水灰比的增大，水泥漿液的析水率明顯增加，當(dāng)水灰比大于0.8，析水率增加的幅度也顯著增大。隨著水灰比的增大，水泥漿的流動(dòng)性也加大，當(dāng)水灰比在0.6～0.8時(shí)，流動(dòng)性增加的較為顯著，水灰比大于0.8之后，流動(dòng)性增加的幅度減小，約降低了53%。隨著水灰比的增大，水泥漿的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均顯著的上升，水灰比為1.2時(shí)的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別是水灰比為0.6時(shí)的2.75倍和2.38倍，說(shuō)明水對(duì)水泥漿的凝結(jié)時(shí)間影響非常大。水泥漿固結(jié)體三個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增大而降低，其中水灰比為0.6～0.8時(shí)，強(qiáng)度降低的幅度較大，而大于0.8后固結(jié)體強(qiáng)度下降的速度變慢，影響減?。幌啾容^三個(gè)齡期的強(qiáng)度，水灰比對(duì)水泥漿28d強(qiáng)度的影響最大。

3.2 超細(xì)水泥漿液試驗(yàn)結(jié)果

將不同配比的漿液各性能指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)成果繪制成相關(guān)曲線，如圖4～6所示。

圖1 水灰比對(duì)析水率、流動(dòng)性的影響曲線

圖2 水灰比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響曲線

圖3 水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響曲線

圖4 水灰比對(duì)析水率、流動(dòng)性的影響

圖5 水灰比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

圖6 水灰比對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

從圖4～6中可看出，超細(xì)水泥漿液的析水率隨著水灰比的增大而增加，當(dāng)水灰比大于0.8，析水率增加的幅度也明顯增大。隨著水灰比的增大，超細(xì)水泥漿的流動(dòng)性增大，水灰比大于0.8，流動(dòng)性增加趨于緩慢。超細(xì)水泥漿的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均隨著水灰比的增大而增大，終凝時(shí)間曲線較初凝時(shí)間曲線陡，說(shuō)明水灰比對(duì)終凝時(shí)間的影響比初凝時(shí)間大。超細(xì)水泥漿固結(jié)體3d、7d和28d的抗壓強(qiáng)度曲線形狀相似，變化規(guī)律基本相同，強(qiáng)度均隨水灰比的增大而降低，水灰比在0.6～1.0之間時(shí)，強(qiáng)度降低的幅度比較大，其中28d水灰比為1.0的強(qiáng)度降低到水灰比0.6的0.44；水灰比為1.0～1.2時(shí)，三個(gè)齡期強(qiáng)度降低的幅度減小；超細(xì)水泥的早期強(qiáng)度比較高，可達(dá)到21.8MPa。

3.3 水泥水玻璃漿液試驗(yàn)結(jié)果

水泥水玻璃漿液不同配合比及摻合比的各項(xiàng)性能測(cè)試成果見(jiàn)圖7～11。

從圖7～11可以看出，水泥水玻璃漿液的流動(dòng)性隨水灰比的增大而增大，水灰比不變的情況下，隨體積比的增大而降低，即CS漿液中水泥漿的百分含量加大，則漿液的流動(dòng)性減弱。CS漿液的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間比較短，一般在4min內(nèi)，隨著水灰比的增大而延長(zhǎng)，并且增大的幅度在上升，當(dāng)CS體積比為1∶1.2時(shí)，水灰比對(duì)其初凝和終凝時(shí)間的影響最顯著；隨著CS體積比的增長(zhǎng)，初凝和終凝時(shí)間縮短，即水灰比不變的情況下CS漿液中水泥漿的百分含量增加，凝結(jié)時(shí)間變短，當(dāng)體積比為1∶0.8～1∶0.6時(shí)，凝結(jié)時(shí)間降低趨于緩慢，當(dāng)水灰比為1.2時(shí)，體積比對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響最明顯。隨著水灰比的增加，CS漿液的強(qiáng)度降低，早期強(qiáng)度相對(duì)較高，可達(dá)9.08MPa；在水灰比不變的情況下，隨著CS體積比的增加，強(qiáng)度隨之增高，即CS漿液中水泥漿的含量加大，則強(qiáng)度隨之增大；對(duì)比三個(gè)齡期的強(qiáng)度可知，體積比對(duì)3d強(qiáng)度的影響較7d和28d的大。

圖7 水泥水玻璃漿液流動(dòng)性曲線

圖8 水泥水玻璃漿液凝結(jié)時(shí)間曲線

圖9 固結(jié)體3d強(qiáng)度曲線

圖10 固結(jié)體7d強(qiáng)度曲線

圖11 固結(jié)體28d強(qiáng)度曲線

3.4 漿液性能對(duì)比分析

析水率直接影響到漿液的穩(wěn)定性，由圖12可見(jiàn)，水泥漿和超細(xì)水泥漿的析水率隨著水灰比的增加而上升，水灰比大于0.8時(shí)，析水率增大的幅度明顯提高，因?yàn)闈{液中的水分以自由水、強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水存在，析出的水主要是自由水和部分弱結(jié)合水，隨著漿液含水量的增加，自由水的溢出量增加，從而析水率也增大。相同水灰比的時(shí)候，水泥漿的析水率顯著大于超細(xì)水泥漿的析水率；水灰比0.8時(shí)相差最大，水泥漿的析水率為超細(xì)水泥漿的2.28倍。由此可見(jiàn)，從減小和控制析水率的方面考慮，漿液的水灰比在0.8以下較為適宜。

由圖13可知，水灰比在0.6～0.8之間時(shí)，CS 1∶1.2漿液的流動(dòng)性最大，超細(xì)水泥漿的流動(dòng)性最大并且上升的幅度最快；當(dāng)水灰比在0.8～1.2時(shí)，CS 1∶0.6漿液的流動(dòng)性最小，CS 1∶1.2漿液的平均流動(dòng)性最大，而超細(xì)水泥漿在水灰比1.2時(shí)，流動(dòng)性達(dá)到各漿液的最大值，擴(kuò)散直徑為38.8cm，是其最小值的2.5倍，表明超細(xì)水泥漿的流動(dòng)性受水灰比的影響最大。

水泥漿的凝結(jié)時(shí)間與水化反應(yīng)速度有關(guān)，水化反應(yīng)越快，則凝結(jié)時(shí)間越短，從圖14可以看出，水泥漿的初凝和終凝時(shí)間均顯著高于超細(xì)水泥漿，水灰比大于0.8時(shí)，兩者的凝結(jié)時(shí)間相差幅度的趨勢(shì)在明顯增加，當(dāng)水灰比為1.2時(shí)相差最大，水泥漿的初凝時(shí)間(29.75h)為超細(xì)水泥漿的2.9倍。與水泥漿和超細(xì)水泥漿相比，加入適量水玻璃后的CS漿液的凝結(jié)時(shí)間大幅度縮短，一般在4min之內(nèi)。

圖12 析水率對(duì)比曲線

圖13 流動(dòng)性對(duì)比曲線

圖14 凝結(jié)時(shí)間對(duì)比曲線

圖15 3d強(qiáng)度對(duì)比曲線

圖16 7d強(qiáng)度對(duì)比曲線

圖17 28d強(qiáng)度對(duì)比曲線

從圖15～17可以看出，超細(xì)水泥漿的早期強(qiáng)度(21.8MPa)和后期強(qiáng)度(35.5MPa)都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于水泥漿和CS漿，總體的趨勢(shì)而言，水泥漿的強(qiáng)度介于超細(xì)水泥漿和CS漿之間，其水灰比0.6～1.2的早期強(qiáng)度在2.34MPa～11.69MPa的范圍，后期強(qiáng)度在5.33MPa～22.11MPa的范圍。CS漿液各體積比的強(qiáng)度曲線比較接近，強(qiáng)度值相差不是很大，隨水灰比的變化也比水泥漿和超細(xì)水泥漿的要平緩，但是早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度偏低，在0.43MPa～13.56MPa的范圍內(nèi)。

4 結(jié) 論

1)超細(xì)水泥漿固結(jié)體的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度比較高，凝結(jié)時(shí)間也較普通硅酸鹽水泥漿縮短了1/2～1/3，但是其流動(dòng)性在水灰比0.6～0.8時(shí)最小，受水灰比的影響最顯著。

2)普通硅酸鹽水泥漿固結(jié)體的強(qiáng)度適中，水灰比為0.8時(shí)，同時(shí)具有較好的可注性、抗離析性、較短的凝結(jié)時(shí)間和較高的早期后期強(qiáng)度。水灰比0.8∶1體積比1∶1的CS漿液的凝結(jié)時(shí)間在2分鐘左右，早期強(qiáng)度可達(dá)7.3MPa，漿液的綜合性能較好。

3)綜合考慮松散砂礫巖的特點(diǎn)和注漿材料的性能、價(jià)格及來(lái)源，推薦選用水灰比為0.8的普通硅酸鹽水泥漿和體積比1∶1水灰比0.8∶1的水泥水玻璃漿液進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)和錨注支護(hù)。

[1] 巖土注漿理論與工程實(shí)例協(xié)作組. 巖土注漿理論與工程實(shí)例[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001.

[2] 賀雄飛，王光輝. 單液活性同步注漿漿液的配合比試驗(yàn)[J]. 隧道建設(shè)，2010,30(1)：9-15.

[3] 劉全林，楊敏. 軟弱圍巖巷道錨注支護(hù)機(jī)理及其變形分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002,21(8)：1158-1161.

[4] 華心祝，謝廣祥. 極軟巖巷道錨注加固注漿材料研究與應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué)，2004,25(10)：1642-1646.

[5] 林登閣，宋克志. 跨采軟巖巷道錨注支護(hù)試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2002,23(2):238-241.

[6] 閆勇，鄭秀華. 水泥-水玻璃漿液性能試驗(yàn)研究[J].水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，2004，(1)：71-73.

[7] 國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).JC/T985-2005，地面用水泥基自流平砂漿[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.

[8] 張旭芝，符飛躍，王星華. 軟流塑淤泥質(zhì)地層劈裂注漿加固試驗(yàn)研究[J]. 地下空間，2003,23(4)：405-408.