富水條件下低熱瀝青漿液流動特性試驗研究

黃立維，邢占清，李 娜，符 平

(中國水利水電科學研究院， 北京 100044)

富水條件下低熱瀝青漿液流動特性試驗研究

黃立維，邢占清，李 娜，符 平

(中國水利水電科學研究院， 北京 100044)

低熱瀝青灌漿是在動水條件下封堵大空隙地層滲流通道的一種非常有效的方法。文中開展了富水條件下低熱瀝青漿液擴散性能和抗沖性能試驗研究，揭示了低熱瀝青漿液在富水條件下的性能變化規(guī)律，該漿液具有良好的擴散能力，可基本滿足在中等塊石地層中灌漿孔排距對漿液擴散范圍的要求。通過試驗獲得了不同流速條件下低熱瀝青的抗沖性能指標、并與速凝膏漿、水泥-水玻璃漿液進行了對比研究，采用低熱瀝青漿液進行封堵時，封堵率100%，封堵速度快，并且低熱瀝青-水泥基灌漿材料的復合灌漿彌補低熱瀝青結(jié)石體強度較低的不足。其成果可為類似工程提供有益的參考。

低熱瀝青；擴散性能；抗沖試驗；砂礫石層

滲漏是水電工程、地下洞室工程及地下礦山等工程中經(jīng)常遇見的問題，建設堤壩、圍堰、隧道(洞)、地下廠房、礦山井巷、地鐵、基坑等工程時，經(jīng)常會出現(xiàn)不同類型的滲漏水。滲漏對已建水庫(大壩)不僅會帶來經(jīng)濟損失，而且還可能會威脅到大壩的安全；而對于土(堆)石圍堰滲漏水會導致基坑不能閉氣，影響后續(xù)工作的施工；對于隧道(洞)工程，由于突涌水而迫使施工中斷，拖延工期，甚至有些工程不得不改變施工線路。

常規(guī)的灌漿堵漏(包括水泥漿、水泥砂漿、水泥膏漿及化學漿液等)原理為：漿液通過灌漿泵擴散、充填至砂卵石孔隙(或巖石裂隙)等位置凝固、硬化，形成一定強度的灌漿結(jié)石體(或凝膠體)，從而封堵滲漏通道，其主要是通過水泥水化或漿液主劑和固化劑間的化學反應來實現(xiàn)。而熱瀝青灌漿是利用瀝青“加熱后變?yōu)橐子诹鲃拥囊后w、冷卻后又變?yōu)楣腆w”的物理性能而達到堵漏的目的。瀝青漿液與水不互溶，當瀝青被加熱成流態(tài)時，漿液具有良好的流動性和可灌性，通過灌漿泵進入滲漏部位后，遇水發(fā)生冷凝作用，逐漸粘附在滲透通道表面，堵塞漏水通道。與其它灌漿材料不同，瀝青漿液具有不被水稀釋而流失的特點，因而特別適合于大流量、高流速的大空隙地層的漏水封堵處理[1-5]。

符平[6]利用先乳化后破乳原理開發(fā)出“油包水”狀態(tài)的低熱瀝青，在70℃時仍具有良好的流動性和可泵性，在多個工程中得到應用。李娜等[7]進行了低熱瀝青性能試驗、不同材料配比試驗、強度試驗、流變參數(shù)試驗等，對低熱瀝青的材料選擇、流變性、可灌性、破乳速度、溫感性能等進行了深入研究，完善了低熱瀝青材料的性能指標。然而，這些指標主要是在無水條件下漿液本身的性能指標，對于其在砂礫石地層中的流動特性研究開展較少，尤其是低熱瀝青漿液在富水砂礫石地層下的流動特性研究更沒有見到相關(guān)報道。影響漿液擴散特性的影響因素及其作用機理不夠明確，富水環(huán)境將對漿液性能的變化過程與凝膠特性將產(chǎn)生極為不利的影響，亟待開展相關(guān)研究工作。

大空隙地層的堵漏灌漿受地質(zhì)條件、空隙大小、地下水流速、漿液性能及灌漿施工工藝等因素影響較大，特別是動水堵漏灌漿，灌漿漿液在動水條件下的擴散過程和堵漏灌漿原理研究還很少，往往需要采用室內(nèi)模擬試驗來觀察漿液在大空隙地層中的運動擴散規(guī)律，以及在動水條件下的堵漏灌漿效果。通過堵漏灌漿模擬試驗可以檢查灌漿材料的性能優(yōu)劣，同時可以更好的指導現(xiàn)場堵漏灌漿施工，減少施工的盲目性。因此，本文采用現(xiàn)場一維、二維模型對不同條件下的低熱瀝青漿液的擴散特性進行試驗研究，揭示漿液在富水條件下的性能變化規(guī)律；開展了低熱瀝青的抗沖性能測試試驗，并與常用的堵漏材料水泥-水玻璃和速凝膏漿進行了對比，得到了不同流速條件下漿液的抗沖特性。

1 低熱瀝青的擴散性能

為檢驗低熱瀝青漿液適應不同的應用條件和堵漏效果，在室內(nèi)開展了模擬堵漏灌漿試驗研究。模擬低熱瀝青在不同配比和不同孔隙率砂礫石層中的擴散過程。

1.1 一維灌漿試驗

(1) 試驗模型。采用PVC管設計制作一維試驗模型，模型內(nèi)裝上不同配比、不同孔隙率的砂礫石層。沙石粒徑分別為2 mm～5 mm、5 mm～10 mm、10 mm～20 mm、20 mm～50 mm、2 mm～50 mm，分別在模型內(nèi)無水與飽和情況下進行不同壓力條件下的低熱瀝青灌注試驗，其布置如圖1所示。

圖1一維試驗模型設計和模型示意圖

將砂礫石篩分成不同粒徑，然后向模型內(nèi)裝填。為減少不同密實狀態(tài)對試驗成果的影響，通過控制砂礫石的用量使所裝填的砂礫石層狀態(tài)為中密。對裝滿砂礫石的模型進行了滲透試驗，在同樣用量的砂礫石(中密狀態(tài))情況下，相同粒徑的滲透系數(shù)差異不大。經(jīng)測試，不同粒徑的滲透系數(shù)如表1所示。

表1 砂礫石滲透系數(shù)結(jié)果表

(2) 灌注試驗。低熱瀝青灌漿材料的配比采用質(zhì)量比瀝青∶水∶水泥∶外加劑=1∶1∶0.7∶0.03。將其通過連接好的專用螺桿泵和管路灌入預制好的一維模型內(nèi)。

在低熱瀝青漿液凝結(jié)7 d后，可將PVC管破開，獲得瀝青的擴散距離如表2所示和結(jié)石體情況如圖2所示。

低熱瀝青在不同條件下擴散距離不同，在重力影響下會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。在擴散范圍內(nèi)漿液的結(jié)石體比較飽滿、密實，具有明顯的邊界。

(3) 結(jié)石體力學性能試驗。在已凝固的灌漿結(jié)石體中，通過切削打磨獲得4 cm×4 cm×16 cm的試驗試塊進行了不同齡期的力學性能測試試驗。試驗結(jié)果如表3所示。

1.2 二維灌漿試驗

(1) 二維試驗模型設計(見圖3)。采用1.5 m×1.5 m×1.0 m的鋼制模型，灌漿管預先置入后，在其內(nèi)填設不同的實驗材料，然后在頂部設置鋼蓋板。灌注完成后，拆除鋼蓋板對實驗數(shù)據(jù)進行收集分析。

表2 一維試驗模型灌漿統(tǒng)計

注：飽滿擴散距離是指瀝青漿液擴散后完全充填的區(qū)域；最遠擴散距離是指瀝青漿液擴散能達到的最遠距離。

圖2一維試驗模型低熱瀝青灌注后試樣

(2) 低熱瀝青灌注試驗。通過在模型中裝填不同粒徑的砂礫石模擬實際地層，并使用千斤頂對模型鋼蓋板施加壓力模擬不同深度下的低熱瀝青灌漿。試驗結(jié)果如圖4所示。

表3 一維試驗模型瀝青結(jié)石體力學性能

圖3二維試驗模型設計和試驗模型示意圖

圖4二維試驗中不同粒徑低熱瀝青最小擴散距離

2 低熱瀝青堵漏抗沖試驗

(1) 試驗模型。不同地層灌漿堵漏受地質(zhì)條件、裂(孔)隙大小、地下水流速、漿液性能及灌漿施工工藝等因素影響較大，特別是動水堵漏灌漿。灌漿漿液在動水條件下的擴散過程和堵漏灌漿效果分析原理研究很少，往往需要采用室內(nèi)模擬試驗來觀察漿液在地層中的運動擴散規(guī)律，以及在動水條件下的堵漏灌漿效果。

為檢驗低熱瀝青漿液在塊石架空地層中不同邊界條件、不同流速條件下的防滲堵漏適應性，在滿足相似要求的前提下制作了試驗模型如圖5所示。塊石直徑主要選取200 mm～500 mm的河卵石，隨機無序拋填在模型中，利用端頭的水管制造不同的流速。

圖5抗沖試驗模型示意圖

(2) 材料參數(shù)。常用的水泥-水玻璃、速凝膏漿和低熱瀝青漿液均為典型的賓漢姆流體，其剪切屈服強度都大致與時間呈冪函數(shù)關(guān)系即[9]：

τ=τ0×eat

(1)

式中：τ為漿液某時刻的剪切屈服強度，Pa；τ0為漿液初始剪切屈服強度，Pa；a為時間系數(shù)；t為時間，s。

典型堵漏材料性能指標見表4。

(3) 抗沖試驗?？箾_試驗后漿液留存情況如圖6所示，試驗結(jié)果如表5所示。

表4 典型堵漏材料性能指標

圖6 抗沖試驗漿液留存

3 討 論

低熱瀝青灌漿是在動水條件下封堵大空隙地層滲流通道的一種非常有效的方法。本文根據(jù)低熱瀝青材料特性，在室內(nèi)試驗條件下進行了一維、二維漿液擴散試驗和抗沖試驗。

(1) 低熱瀝青漿液擴散距離主要與砂礫石層的粒徑級配有關(guān)，在砂礫石中密狀態(tài)和灌漿壓力為1.2 MPa時，2 mm～5 mm的砂礫石層中漿液擴散距離為20 cm～40 cm左右，2 mm～50 mm粒徑的砂礫石層中漿液擴散距離可達到80 cm～120 cm左右，若在孔隙更大的20 mm～50 mm粒徑組成的砂礫石層中，漿液擴散距離更可達到150 cm左右，說明低熱瀝青灌漿漿液具有良好的擴散能力，可基本滿足在中等塊石地層中灌漿孔排距對漿液擴散范圍的要求。

(2) 低熱瀝青漿液擴散距離還與灌漿壓力、地層富水條件和地層上覆附加應力有關(guān)。

低熱瀝青的擴散距離隨著灌漿壓力的增大增加，在粒徑較小的地層中可采用較高的灌漿壓力以獲得漿液良好的擴散性能。

低熱瀝青漿液在同等灌漿壓力下，無水條件下的擴散距離較飽和狀態(tài)下的擴散距離要有所增加，表明地層內(nèi)水份的存在影響了漿液的溫度變化，從而改變了漿液的流變參數(shù)，影響了漿液的擴散距離，最大影響幅度可達30%。

不同深度地層條件下低熱瀝青的擴散距離將受到明顯的影響，在30 m深度下(地層壓力為72 t)，漿液的擴散距離將至少減少20%以上，而且表現(xiàn)出粒徑越細受到的影響越大的趨勢。

(3) 低熱瀝青漿液結(jié)石體的抗壓強度、滲透系數(shù)等力學參數(shù)測試結(jié)果表明：低熱瀝青結(jié)石體強度能達到2 MPa～5 MPa左右，滲透系數(shù)小于5×10-5cm/s，是一種防滲性能良好的灌漿材料，可滿足一般工程防滲的要求，但其彈性模量僅有5 MPa～10 MPa，明顯偏軟，加上瀝青固有的蠕變特性，應采用低熱瀝青-水泥基灌漿材料的復合灌漿彌補低熱瀝青結(jié)石體強度較低的不足。

(4) 低熱瀝青灌漿材料在抗沖試驗過程中與常用的速凝膏漿、水泥-水玻璃漿液相比，漿液留存率高，封堵效果顯著。對于孔隙率小于40%、流速低于2 m/s的地層，采用低熱瀝青漿液進行封堵時，封堵率100%，封堵速度快。

(5) 低熱瀝青灌漿在富水條件下的流動和擴散情況較好，并且相對于純?yōu)r青灌漿具有較高的結(jié)石強度，對于大孔隙、動水條件下的堵漏灌漿，材料留存率高，相對于目前常用的堵漏材料具有較大的應用前景。

4 結(jié) 論

本文圍繞實際工程需要，開展了富水條件下低熱瀝青漿液擴散性能和抗沖性能試驗研究，可以初步得出以下結(jié)論：

(1) 低熱瀝青在中等以上粒徑的地層中擴散距離能滿足灌漿孔排距的要求，其結(jié)石體強度可滿足工程防滲的要求。但在微細粒徑為主的地層中其擴散距離受到較大的限制。

(2) 低熱瀝青在大流量、快流速的地層封堵堵漏中具有不分散、遇水凝固的特性，漿液留存率高，封堵率高，效果顯著。

(3) 采用低熱瀝青-水泥基灌漿材料復合灌漿可彌補低熱瀝青結(jié)石體強度較低的不足，并可降低施工造價。

(4) 低熱瀝青在灌注過程中需要全程保溫，需要進一步研究其施工工藝及其相應的設備裝置，以推廣低熱瀝青材料在工程實踐中的應用。

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ExperimentalStudyontheFlowCharacteristicsofLowHeatAsphaltSlurryinRichWaterCondition

HUANG Liwei, XING Zhanqing, LI Na, FU Ping

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,BeiJing100044,China)

Low heat asphalt grouting is a very effective method for pluging large-void formation seepage channels under moving water conditions. In this paper, we analyzed the diffusion performance and impact resistance of low heat asphalt slurry under the condition of rich water, and revealed the performance of low heat asphalt slurry under water-rich conditions. The results show that the slurry has a good diffuse ability, it can meet the medium plug in the formation of grouting hole pitch on the slurry diffusion range requirements. In this test, we obtained the impact resistance index of low heat asphalt under different flow rate conditions. The results were compared with the quick-setting plaster slurry and the cement-water glass slurry with low heat asphalt slurry to plug, the pluging rate is 100% and it is. The composite grouting of low heat asphalt-cement material grouting slurry make up the strength of low heat asphalt. The results can provide useful information to similar projects.

lowheatasphalt;diffusionperformance;impacttest;sandandgravellayer

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.005

2017-05-03

2017-05-29

國家自然科學基金項目(51279217)；國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0401805)；水利部技術(shù)示范項目(SF-201611)；中國水科院專項項目(監(jiān)KY1644)

TV543

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1672—1144(2017)05—0026—06