湖泥-水泥混合漿液配比及其穩(wěn)定性研究

薛曉峰 馬春曉

(1.華北有色工程勘察院有限公司；2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院研究生學(xué)院)

湖泥-水泥混合漿液配比及其穩(wěn)定性研究

薛曉峰1馬春曉2

(1.華北有色工程勘察院有限公司；2.石家莊經(jīng)濟(jì)學(xué)院研究生學(xué)院)

江西城門山銅礦水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，為封堵地下水，保證安全生產(chǎn)，采用了帷幕注漿技術(shù)，在保證施工質(zhì)量的前提下，為達(dá)到節(jié)約成本的目的，在國(guó)內(nèi)首次使用湖泥、水泥、水玻璃作為漿液材料。通過對(duì)其混合漿液穩(wěn)定性試驗(yàn)分析研究，得出湖泥漿比重是影響混合漿液穩(wěn)定性最為關(guān)鍵的因素，當(dāng)其達(dá)到1.2 g/cm3時(shí)，混合漿液穩(wěn)定性較好，能夠滿足注漿要求。

湖泥-水泥混合漿液 析水率 結(jié)石率 穩(wěn)定性

城門山銅礦地處九江，處于烏石街～賽湖向斜儲(chǔ)水構(gòu)造東段的南部邊沿，三面由湖所包圍，礦體大部分富存于湖區(qū)水面以下，是一個(gè)水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件復(fù)雜的礦山。礦山東部存在三疊、二疊、石炭系灰?guī)r含水體，同時(shí)在石灰?guī)r上部為強(qiáng)巖溶發(fā)育段，并且由于F1斷層的存在，更加劇了礦山東部水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性。在二期開采過程中，由于上述條件的存在，對(duì)其東部采用了帷幕注漿封堵地下水的方案。在帷幕注漿工程中，欲使用湖泥、水泥為主要注漿原料，水玻璃作為添加劑。湖泥作為黏土材料的一種，但又與黏土有著一定的差異，其與水泥、水玻璃混合后漿液的穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。

1 研究?jī)?nèi)容及方法

1.1 研究?jī)?nèi)容

穩(wěn)定性是指湖泥-水泥混合漿液攪拌好后靜置，當(dāng)其漿液顆粒下沉速率減慢及完全穩(wěn)定之后混合漿液均勻性變化的快慢，它是針對(duì)懸濁型漿液而言的。湖泥-水泥混合漿液分散度由其固體顆?？刂?，其保持的時(shí)間越長(zhǎng)，則其穩(wěn)定性越好，反之則穩(wěn)定性越差。穩(wěn)定性好，說明其漿液有足夠的黏度、保持水分不易析出的能力，從而使得漿液中固體顆粒材料不至于快速下沉，且能夠在混合溶液中穩(wěn)定分布，不易由于下沉原因?qū)е路謱与x析。一般類型的混合漿液均會(huì)出現(xiàn)或多或少的析水現(xiàn)象，說明漿液在沉積、膠結(jié)過程中，會(huì)有多余的自由水從漿液體中析出?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中常通過測(cè)定混合漿液析水率及結(jié)石率方法來表征漿液的穩(wěn)定性[1-3]。

1.2 研究材料及方法

湖泥作為混合漿液的主要漿材之一，在國(guó)內(nèi)首次使用，其自身固有性質(zhì)直接決定著混合漿液的穩(wěn)定性能，通過分析，該湖泥屬于黏土范疇，認(rèn)為城門山銅礦湖泥可以作為注漿漿材使用。

由于湖泥的形成條件有別與其他黏土，其配制成的湖泥漿液性質(zhì)不均一，穩(wěn)定性差異較大，為研究湖泥-水泥-水玻璃混合漿液配比的穩(wěn)定性，采用了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，并用極差法確定現(xiàn)場(chǎng)施工中所使用的湖泥-水泥混合漿液的最合理配比，同時(shí)分析各主要因素對(duì)湖泥水泥混合漿液穩(wěn)定性的影響程度[4]。在研究過程中，發(fā)現(xiàn)湖泥漿液密度、水泥加量、水玻璃加量為影響漿液配比性質(zhì)的主要因素，所以以湖泥漿液密度、水泥用量、水玻璃用量為考察因素[5](依次為因素A、B、C)，在試驗(yàn)過程當(dāng)中每個(gè)因素取3個(gè)水平值，采用正交表L9(33)安排試驗(yàn)。試驗(yàn)因素水平見表1。

表1 湖泥-水泥混合漿液正交試驗(yàn)因素水平安排

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在測(cè)試混合漿液析水率及結(jié)石率時(shí)，按照正交試驗(yàn)因素水平安排分別取250 mL量筒放置于水平桌面上，然后倒入200 mL攪拌好的混合漿液，靜置2 h后觀測(cè)其析水率、靜置24 h后觀測(cè)其結(jié)石率，湖泥混合漿液穩(wěn)定性正交試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 湖泥混合漿液穩(wěn)定性正交試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表3進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果見表3。

表3 湖泥混合漿液穩(wěn)定性正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果

%

2.1 漿液析水率試驗(yàn)結(jié)果分析

在帷幕注漿工程中，漿液析水率大小對(duì)施工質(zhì)量起著舉足輕重的作用，析水率小說明漿液具有良好的穩(wěn)定性，膠體率高、分散性好、懸浮性好，凝固后的結(jié)石體結(jié)構(gòu)均勻、致密，從而能夠很好地封堵裂隙，結(jié)石體形變小，從而對(duì)施工質(zhì)量影響也越??；但是析水率太低，漿液的塑性黏度就會(huì)很大，流動(dòng)性變慢，在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到初凝狀態(tài)，從而使?jié){液的有效擴(kuò)散距離減小。通過試驗(yàn)分析，湖泥混合漿液的析水率在0%～15.5%，在湖泥比重較大的情況下出現(xiàn)幾乎不析水現(xiàn)象，因此，在湖泥比重較大情況下混合漿液的穩(wěn)定性較好。湖泥混合漿液各因素對(duì)析水率的影響見圖1。

圖1 湖泥混合漿液各因素對(duì)析水率的影響

由圖1可見，各因素對(duì)混合漿液析水率影響程度大小關(guān)系為A>B>C，即湖泥漿密度大小為主要影響因素，水泥和水玻璃用量為次要影響因素；以析水率為指標(biāo)，結(jié)合表3可以得出最優(yōu)配比為A1B3C3，即湖泥漿密度為1.3 g/cm3、水泥加量為200 kg/m3、水玻璃加量為10%時(shí)析水率為0%。

在析水率測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)其對(duì)結(jié)石體有一定影響。在靜置時(shí)間內(nèi)，析水率大的漿液沉降和體積壓縮較為嚴(yán)重，從而使結(jié)石體強(qiáng)度均一性產(chǎn)生很大差異，具體表現(xiàn)為：由于沉降析水原因，使得混合漿液濃度上部較低，導(dǎo)致結(jié)石體結(jié)石強(qiáng)度出現(xiàn)分層現(xiàn)象，從而使得漿液與被注體之間牢固性較差，結(jié)石體強(qiáng)度較低；由于沉降、壓縮原因，使得結(jié)石體下部漿液濃度相對(duì)上部較高，導(dǎo)致結(jié)石體強(qiáng)度也相應(yīng)增加，從而形成了混合漿液結(jié)石體強(qiáng)度的各向異性，這種情況對(duì)封堵導(dǎo)水裂隙是極為不利的，所以在帷幕注漿過程中，選擇穩(wěn)定性好的混合漿液注漿將顯得至關(guān)重要。

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，析水率以6%為界限，小于6%為穩(wěn)定漿液，由于湖泥漿密度為主導(dǎo)因素，所以應(yīng)控制漿液的密度來控制漿液的穩(wěn)定性，湖泥漿液密度應(yīng)在1.2～1.3 g/cm3。

2.2 漿液結(jié)石率試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)石率作為評(píng)價(jià)混合漿液穩(wěn)定性的因素之一，在滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)所需強(qiáng)度要求下，結(jié)石率越高則對(duì)應(yīng)的注漿效果越好，但大多數(shù)漿液在注入目標(biāo)地層后發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，在此期間體積多數(shù)要發(fā)生收縮，從而使得大多數(shù)混合漿液的結(jié)石率都會(huì)小于1。即使在注漿過程中，所注漿液能夠完全充填于目標(biāo)巖層中的導(dǎo)水裂隙，但由于混合漿液中固體顆粒的沉降、收縮、沉淀，使得漿液在凝固后，其結(jié)石體也能夠與裂隙之間產(chǎn)生微小的滲水通道，最終不能夠完全封堵裂隙，不能充分發(fā)揮其抗?jié)B堵漏的能力。所以可以認(rèn)為，決定帷幕體抗?jié)B能力不只取決于漿液結(jié)石體自身的強(qiáng)度，更重要的是漿液結(jié)石體的結(jié)石率大小。只有在提高混合漿液的結(jié)石率的前提下，才能更好地改善其裂隙填充效果，直至完全封堵導(dǎo)水裂隙，沒有滲流通道，才不至于造成由于滲流通道的存在，使得地下水在其內(nèi)產(chǎn)生集中快速流動(dòng)，最終導(dǎo)致注漿加固體的耐久性降低，從而降低帷幕體的抗?jié)B性[6-7]?；旌蠞{液各因素對(duì)結(jié)石率影響見圖2。

由圖2可見，隨著湖泥漿密度增加，結(jié)石率增加；隨著水泥用量增加，結(jié)石率增加；隨著水玻璃用量增加，結(jié)石率增加；但湖泥漿密度對(duì)結(jié)石率的影響曲線較其他的陡，也反映了湖泥漿密度為主要影響因素。

圖2 湖泥混合漿液各因素對(duì)結(jié)石率的影響

由表2可知，混合漿液的結(jié)石率最高為99.70%，最低為74.85%；較低結(jié)石率出現(xiàn)在湖泥漿液密度較小的配比中，究其原因，主要是由于密度較小的湖泥混合漿液中漿液較稀，水分過于飽和，在較短時(shí)間內(nèi)多余的水分會(huì)從其混合漿液中析出，使得漿液結(jié)石率降低，從而使?jié){液穩(wěn)定性降低，對(duì)注漿效果產(chǎn)生不利影響[8]。

由表3可知，影響漿液結(jié)石率的因素大小關(guān)系為A>B>C，即湖泥漿密度為主要因素，水泥加量和水玻璃加量為次要因素，其最優(yōu)配比為A1B3C3，即湖泥漿密度為1.3 g/cm3，水泥加量為200 kg/m3，速凝劑加量為10%，在此配比下結(jié)石率為99.70%。

通過上述試驗(yàn)，認(rèn)為結(jié)石率以90%為界限，大于90%為較優(yōu)選擇，湖泥漿液的密度應(yīng)在1.2～ 1.3 g/cm3。

結(jié)合析水率和結(jié)石率正交試驗(yàn)結(jié)果分析，湖泥漿液密度是影響混合漿液穩(wěn)定性最主要的因素，在選擇開挖湖泥及湖泥漿液制備環(huán)節(jié)應(yīng)謹(jǐn)慎對(duì)待，盡可能制出密度較大的湖泥漿液。

3 結(jié) 語

(1)在不同湖泥-水泥混合漿液配比下，湖泥密度對(duì)其穩(wěn)定性影響較大，在比重較大的情況下，混合漿液析水率小、結(jié)石率高，穩(wěn)定性好。

(2)湖泥漿液密度在1.2～1.3 g/cm3時(shí)，混合漿液的析水率小于6%，結(jié)石率大于90%，為穩(wěn)定漿液，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)需要。

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2014-11-16)

薛曉峰(1988—)，男，工程師，050001 河北省石家莊市匯通路39號(hào)。