珊瑚砂層注漿的固化技術(shù)研究

房靖超，陳 濤，何巖東，汪峻峰

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 海口570228)

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珊瑚砂層注漿的固化技術(shù)研究

房靖超，陳 濤，何巖東，汪峻峰

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?70228)

為了解決珊瑚島礁出現(xiàn)的空縫、凹陷等問題,本研究利用注漿設(shè)備將帶有一定壓力的特種注漿材料注入珊瑚砂層中，并將珊瑚砂作為骨料，制成砂漿膠凝材料，同時根據(jù)固化珊瑚砂層的技術(shù)要求，研制了一種新型的注漿裝置，并在實驗條件下，對該裝置旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿的工藝進行了模擬試驗，試驗表明其最佳操作條件為：在轉(zhuǎn)桿注漿孔尺寸為φ5，固定轉(zhuǎn)桿抬升速度為0.03 m·s-1，轉(zhuǎn)速為60 r·min-1時，注漿后能夠起到更好的固化珊瑚砂的作用.實驗室自主設(shè)計的室內(nèi)模擬注漿設(shè)備具有1.0 MPa的加壓注漿能力，它可以通過漿體擠壓及螺旋鉆頭破碎珊瑚砂層的作用，使珊瑚砂達到較好的固化效果.

珊瑚砂； 注漿工藝； 島礁工程； 珊瑚砂固化

我國南海諸島的地質(zhì)結(jié)構(gòu)主體是珊瑚群體死后由其骨骼或遺骸所構(gòu)成的巖體[1-5]，在遠離大陸的珊瑚礁石上為了能利用珊瑚碎屑物，人們常利用吹砂船將其進行吹砂造島，這樣就逐漸形成以珊瑚碎屑物為主要填充材料的人工島嶼.然而在海洋水動力影響下，人工島的珊瑚砂流失速度較快[6].因此為了延長人造珊瑚砂島礁的使用時間，維持珊瑚砂工程的穩(wěn)定，研究和克服該問題具有重要的實際工程意義.天津港口曾引進CDM[7]技術(shù)對軟弱土體進行加固，這項技術(shù)是通過對土體進行擾動、攪拌和沖切來固化軟弱土體，同時通過鉆孔向土層中加壓注入一定水灰比的漿液，通過滲透、充填、壓密擴展以形成漿脈.這類技術(shù)的共同點在于該技術(shù)使鉆孔周圍的土體被擠壓充填，致使緊靠漿體的土體遭受破壞和剪切[8-9]，待水泥漿體凝結(jié)后而達到固化地基的目的.

鑒此，對我國海南的珊瑚砂技術(shù)參數(shù)進行了分析，研究了用其配制的水泥砂漿的物理力學(xué)性能，在實驗室自主設(shè)計和制作了機械旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿的設(shè)備，并研制出符合相應(yīng)技術(shù)要求的水泥基注漿材料.

1 試驗原材料與方法

1.1 原材料及設(shè)備 珊瑚砂材料來自海南省的某兩個島嶼，對比組選用實驗室普通河砂和海口市西海岸的普通海砂，膠凝材料選用海南大學(xué)海洋工程材料研究中心配制的海工水泥POP 52.5(表1和表2).

試驗砂漿注漿所用的設(shè)備為廣州英利機械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的YL-PJ03砂漿注漿機技術(shù)參數(shù)見表3：

自主研制的機械旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿設(shè)備，如圖1所示：

自主研制的機械旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿設(shè)備通過變速電機及配合的皮帶齒輪來帶動注漿設(shè)備主體旋轉(zhuǎn)螺桿，從而使螺桿帶有一定的鉆速，再配合制作好的小型螺紋鉆頭，可旋轉(zhuǎn)鉆入砂體；此外，它可通過翻轉(zhuǎn)開關(guān)進行反轉(zhuǎn)，并經(jīng)二氣聯(lián)動閥門調(diào)整后，通過空氣加壓進行注漿.

1.2 水泥膠凝材料樣品的制備 本試驗利用珊瑚砂作為骨料來配制40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試件，海工水泥和珊瑚砂的配比按1 ∶1，1 ∶2，1 ∶3，1 ∶4，1 ∶5，1 ∶6和1 ∶7來進行配制.

表1 海工水泥POP52.5水泥的化學(xué)成分表

表2 POP52.5水泥的物理性能指標

表3 設(shè)備基礎(chǔ)性能

1．注漿孔 2.鉆頭 3.鉆桿 4.變速電機 5.砂漿管接頭圖1 設(shè)備2

1.3 性能檢測 材料物理性能、顆粒分析、含泥量測定：按照《GB/T 14684—2011建設(shè)用砂標準》[10]測定；

力學(xué)強度：參照《GB/17671—1990》[11]；

試驗方法進行測定，砂的常水滲透實驗根據(jù)《GB/T50123—1999土工試驗》[12]進行測定.

稠度試驗：參照《GB/T2419—2005水泥膠砂流動度測定方法》[13]對砂漿進行稠度試驗；對比組均用普通砂制作.

兩種不同設(shè)備的注漿效果對比：試驗效果對比主要以設(shè)備在砂中擠出的距離(直徑)、注漿曲線圖與效果進行對比.

表4 珊瑚砂、海砂及河砂的性能對比

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 珊瑚砂的理化性能 按照《GB/T 14684—2011建設(shè)用砂標準》中的規(guī)定對兩個不同地點的珊瑚砂與普通河砂進行對比分析，并進行重復(fù)試驗，重復(fù)次數(shù)為8次，結(jié)果如表4所示.試驗結(jié)果顯示，珊瑚砂相較于河砂、和海砂擁有更高的吸水性能和保水性能，珊瑚砂中的氯離子含量也高于近海岸海砂中的氯離子含量.同時珊瑚砂相對于普通河砂和海砂具有更優(yōu)質(zhì)的透水性能.宏觀來說珊瑚砂作為海砂中的一種，它既具有與普通砂質(zhì)土的特征，同時又具有較高的空隙率.珊瑚砂作為一種特殊的海砂，其骨料強度相對于普通河砂來說會有所降低，其松散堆積密度在1157.4～1284.3 kg·m-3之間，空隙率為：51.9%、57.0%，這也說明珊瑚砂具有很高的透水性能和吸水性能，因此在制作膠凝材料時，需要提前對珊瑚砂進行飽水處理.

由表5中可以看出，普通河砂與海砂在大于或等于9.5 mm孔徑的篩網(wǎng)上沒有篩余，而在珊瑚砂中其組分中擁有大于或等于9.5 mm粒徑的砂石較多，其中大部分是珊瑚或貝殼類，在自然取樣中最大粒徑超過100 mm，其中超過部分與建筑用砂《GB/T 14684—2011》標準不相符，因此，本試驗剔除該部分大粒徑珊瑚顆粒部分，結(jié)果見表5.

表5 珊瑚砂顆粒篩分 %

表6 珊瑚砂含泥量 %

珊瑚砂的含泥量屬于建筑用砂的第三級含泥量(≤5%)，通過圖2與下表6可知，珊瑚砂與實驗室普通砂相比其小于0.15 mm的珊瑚細顆粒較多，通過累積篩余百分比細度模數(shù)計算公式得出，珊瑚砂是細度為0.8～1.0的細砂.由表5可知，珊瑚礁砂偏細，由于篩底部分的細小顆粒多，增加了部分比表面積，從而增加了珊瑚砂混凝土試塊的用水量，另外，成型過程中由于珊瑚砂的孔隙較多，會出現(xiàn)直徑較小和數(shù)量較多的氣泡，上述指標在一定程度上會影響珊瑚砂混凝土的物理性能，因為細顆粒若過多也會影響注漿效果.

參照《GB17671—1999水泥膠砂強度檢驗方法》制作 40 mm×40 mm×160 mm的試塊，由于珊瑚砂材料在南海中普遍存在，故試驗所采用的原材料為珊瑚砂A.測試結(jié)果如表7所示，在海工水泥與珊瑚砂和普通砂的配比為1 ∶1、1 ∶2時，珊瑚砂與普通砂相比，具有相近的物理力學(xué)特性，但隨著配比中珊瑚砂的摻量增加，其抗壓強度則迅速降低，在海工水泥和珊瑚砂與普通砂的配比為1 ∶3時，其抗壓強度下降速度較快，配比為1 ∶6時強度消失，該珊瑚砂與普通砂在1天沒有強度.表7中的結(jié)果顯示，珊瑚砂混凝土可以滿足中等強度等級砂漿設(shè)計強度要求.與普通河砂組分不同，珊瑚砂材料的本身硬度要低于普通砂.

水泥基砂漿強度如表7：

表7 砂漿強度發(fā)展

配制好的改性水泥基注漿材料FJ與普通水泥凈漿PJ相比具有更好的流動性、同時在加水量升高時，不易產(chǎn)生分層，這樣有利于注漿材料在注入過程中不會因為被注漿砂層的含水量過大，而導(dǎo)致注漿材料吸水過多，從而造成成型時強度降低.

水泥基注漿材料的流動性能如表8：

表8 流動性能單位 cm

在制作水泥膠砂試塊時，由于所加入的珊瑚砂A和普通砂的比例在不斷提高，因而加水量會不斷提高.因為珊瑚砂本身具有多孔吸水的特性，從而造成在制作珊瑚砂膠凝材料時需水量會增加(表9).在灰砂比為1 ∶1或1 ∶2時，其基本物理抗壓性能主要由水泥基注漿材料承擔；在介于1 ∶3～1 ∶5時則由骨料與水泥基注漿材料共同承擔；大于1 ∶5時主要借助膠凝材料的粘結(jié)力進行固定(表9).

表9 珊瑚砂砂漿與普通砂配制的砂漿需水量 g

2.2 注漿實驗 通過砂的常水滲透試驗(參照《GB/T50123—1999土工試驗》)進行測定，可以得出砂的滲透系數(shù)，未經(jīng)過人工處理的珊瑚砂、普通河砂和經(jīng)過篩除大于4.75 mm顆粒后的珊瑚砂的透水性能結(jié)果，如圖3所示.

由圖3可知，未經(jīng)過人工處理的珊瑚砂比普通河砂和經(jīng)過細處理后的珊瑚砂具有更高的透水性能，珊瑚砂經(jīng)過洋流作用，在高透水性和疏散的結(jié)構(gòu)特性下，在人造島礁壩體混凝土壓塊的周圍容易產(chǎn)生砂流失.因此在這個過程中對危險點進行加固處理，補充空隙，具有可操作性.

本次試驗對比組所采用的設(shè)備為YL-PJ03型設(shè)備，注漿結(jié)果如圖3所示，這可以在變化趨勢圖中發(fā)現(xiàn)，在灌注過程中容易出現(xiàn)壓力不足和上涌的情況，并且在注漿中期也無法保證良好的壓力過渡和送漿過程；此外，在注漿過程中沒有完全發(fā)揮注漿壓力的作用，而是沿著薄弱砂層向上涌，這樣注漿容易導(dǎo)致注漿不均勻的情況(圖4-a).形成3.5 cm凹陷的原因是初始水泥漿在出漿的過程中管端頭的壓力突然沿管壁上涌所致.

4-a 4-b

對實驗室制作的注漿設(shè)備的試驗 將漿料壓入預(yù)定鋼瓶中，通過空氣加壓閥控制輸送氣壓，給予壓力瓶預(yù)定的壓力，為減小材料壓力損失，所采用的鋼瓶尺寸為φ120，高度為50 cm，氣壓輸送管長1.1 m，為方便漿料輸送，料管長1.4 m.抬升采用小型輪圈φ 50進行手搖操作，平均上升速度以0.03 m·s-1作為固定轉(zhuǎn)桿抬升.旋轉(zhuǎn)控制是采用調(diào)速器來進行調(diào)整，最高轉(zhuǎn)速為120 r·min-1，在試驗中調(diào)整最佳轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，注漿孔尺寸為φ5，水泥漿料是均勻地滲入孔隙內(nèi).它將原有松散的珊瑚砂顆粒固結(jié)起來.操作步驟通過鉆孔到達預(yù)定深度→下噴管加壓→噴注擠壓土體→裝置反轉(zhuǎn)提升均勻注入→設(shè)備沖洗→成型.兩種不同設(shè)備注漿情況如圖5(設(shè)備1：英利設(shè)備，設(shè)備2：實驗室制作裝置)所示:

通過實驗室制作的設(shè)備效果(圖3-b)對比與廣州英利機械制造產(chǎn)生產(chǎn)的YL-PJ03型注漿設(shè)備，試驗室研發(fā)的注漿設(shè)備注漿壓力可達到1.0 MPa，與廣州英利機械制造廠的注漿設(shè)備對比，實驗室制作的設(shè)備具上配有二聯(lián)動氣壓控制閥門可調(diào)整進瓶端處壓力，在注漿過程中可較好保證水泥基改性注漿材料有良好的動力，可以將壓力均勻布置在所需砂體周圍，并摻攪周圍砂層提高周圍砂體強度.在不降低漿料水灰比的同時，配合漿體材料形成珊瑚砂砂漿或混凝土拌合物，達到預(yù)定強度，并固化砂層.通過設(shè)備之間的對比，實驗室制作的注漿設(shè)備，在機械貫入過程中配合改性水泥注漿材料固化砂質(zhì)層的能力來說，產(chǎn)生的壓力更加穩(wěn)定，端頭擠出壓力更加均勻.

3 結(jié) 論

本文將珊瑚砂作為骨料，制備了砂漿，并根據(jù)固化珊瑚砂層的技術(shù)要求，研制一種新型的注漿裝置，對該裝置旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿的工藝進行了模擬試驗研究.在空氣動力加壓下，使用該裝置輸送特種注漿材料于珊瑚砂層中，注漿后能夠起到固化珊瑚砂的作用.實驗室自主設(shè)計的室內(nèi)模擬注漿設(shè)備具有1.0 MPa的加壓注漿能力，并可以通過漿體擠壓及螺旋鉆頭破碎珊瑚砂層，起到固化珊瑚砂的效果.利用該注漿技術(shù)可對珊瑚砂體進行模擬固化，達到對珊瑚砂體缺陷處加固處理的目的.這種通過機械旋轉(zhuǎn)以及加壓注漿的新工藝技術(shù)，在工程中具有一定的應(yīng)用前景，值得進一步研究和推廣.

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[12] 中華人民共和國建設(shè)部.GB/T50123—1999土工試驗[S].北京：中國標準出版社，1999.

[13] GB/T 2419—2005，水泥膠砂流動度測定方法[S].

Solidification Technology of Coral Sand

Fang Jingchao, Chen Tao，He Yandong, Wang Junfeng

(College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

In the report, to solve the gap, depression and some other problems of the loose coral sand, cement slurry and a special inject equipment were used and the special cement slurry was injected into the coral sand layer under specific air pressure, coral sand was used as aggregate and slurry cementing materials were prepared. According to the technology requirements of solidification coral sand layer, the inject equipment was designed and the simulation test was performed. The results indicated that the obtained optimum conditions were as follows: diameter of rotating rod is φ5 mm, the lifting speed of rotating rod is 0.03 m·s-1, the rotating speed is 60 r·min-1. The cement slurry can be injected with this inject equipment to solidify the loose coral sand layer.

coral sand； cement slurry； inject equipment； solidification of coral sand

2016-06-13

中西部計劃

房靖超(1990-)，男，海南?？谌?，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，2013級碩士研究生，752937034@qq.com

汪峻峰(1963-)，男，海南?？谌?，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，教授，E-mail：drjunfengwang2010@163.com

1004-1729(2016)03-0264-06

TQ 638

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0040