超細粉煤灰水泥漿液可注性試驗研究

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

1 研究背景

地下工程在施工中，經(jīng)常會受到不良地層的影響，發(fā)生突泥突水等災(zāi)害，注漿可以很好地解決這一問題[1]。

許多學(xué)者在注漿機理、注漿材料、注漿工藝等領(lǐng)域作了深入的研究，并取得了豐碩的科研成果。鄒金鋒等[2]推導(dǎo)出劈裂注漿壓力沿著裂縫衰減的規(guī)律和裂縫本身在土體中的擴散規(guī)律，并運用數(shù)值分析進行了檢驗，證明了其推導(dǎo)的正確性；俞文生等[3]研發(fā)了變傾角小比例裂隙動水注漿模型進行試驗研究，并使用COMSOL軟件進行數(shù)值模擬，對裂隙動水注漿理論進行了補充；一些學(xué)者通過研發(fā)模型試驗裝置研究注漿過程中裂隙產(chǎn)生及發(fā)展的機理和漿液的分散性等，取得了很好的成果[4-5]；還有一些學(xué)者在水泥基基礎(chǔ)上不斷研究，通過改變水泥細度、加入摻合料等方式利用正交試驗研制一些新型的漿液，并對其進行模型試驗或現(xiàn)場測試，效果良好[6-10]。

粉煤灰作為燃煤電廠的主要廢棄物，具有分布廣、產(chǎn)量大、對環(huán)境存在污染等特點。超細粉煤灰作為粉煤灰的一種，還具有細度模數(shù)較小的特性。本文將超細粉煤灰和水玻璃作為主要摻和料摻入水泥中配置一種新型超細粉煤灰水泥漿液，研究了超細粉煤灰摻量、水玻璃摻量、水灰比對漿液黏度、膠凝時間等物理性能的影響，并通過模型試驗對比了新型超細粉煤灰水泥漿液和普通水泥漿液的可注性差異。

2 試驗材料與設(shè)計

2.1 正交試驗材料

水泥采用淮南永科新型建材有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級復(fù)合硅酸鹽水泥；超細粉煤灰采用淮南永科新型建材有限公司生產(chǎn)的超細粉煤灰，其直徑分布在32 μm以下，化學(xué)成分見表1；水玻璃采用淮南市宏瑞建材科技有限公司生產(chǎn)的水玻璃，化學(xué)成分見表2；試驗用水為普通自來水。

表1 超細粉煤灰化學(xué)成分質(zhì)量百分比Table 1 Chemical composition of ultrafine fly ash %

表2 水玻璃化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of sodium silicate

2.2 正交試驗設(shè)計

根據(jù)各種物理力學(xué)性能對漿液性能的影響，選擇水灰比、水玻璃摻量、超細粉煤灰摻量作為試驗主要因素。為了表示方便,用因素A表示水灰比，因素B表示超細粉煤灰摻量，因素C表示水玻璃摻量。初步選取各因素的影響范圍，水灰比取0.8～1.2，超細粉煤灰摻量取70%～90%，水玻璃摻量取5%～15%。試驗選取的測試因素為3個因素，每個因素一共有3個水平，故采用正交試驗設(shè)計表L9(34)，試驗方案見表3。

研究超細粉煤灰水泥漿液的最佳配合比，其評價指標為漿液的相對密度、黏度、析水率、結(jié)石率、膠凝時間和穩(wěn)定性。根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》(JTG E30—2005)分別測定了超細粉煤灰水泥漿液的相對密度、黏度、析水率、結(jié)石率、膠凝時間、穩(wěn)定性系數(shù)等。

表3 試驗方案Table 3 Test schemes

2.3 正交試驗結(jié)果

通過試驗測量得到各試驗指標的數(shù)值，見表4。

表4 試驗指標值Table 4 Values of test indexes

由表4的數(shù)據(jù)可以得出：注漿漿液相對密度為1.368～1.429，黏度為35～39 s，析水率為1.8%～2.5%，結(jié)石率為89.2%～98.9%，穩(wěn)定性為0.003～0.021，其中1—3號，4—6號，7—9號相對密度逐漸增大；4，6，7號的黏度較大，漿液比較黏稠；1—6號的結(jié)石率均達到90%以上，結(jié)石效果良好；從析水率和穩(wěn)定性來看，漿液析水率增大伴隨著漿液穩(wěn)定性的降低?？傮w來看，各組所測得的相對密度、黏度、結(jié)石率、析水率、穩(wěn)定性數(shù)據(jù)離散性較小，滿足漿液性能基本要求，各組所測得的膠凝時間離散性較大。

3 試驗結(jié)果與分析

由表4所測得的數(shù)據(jù)可以知道，這9組試樣中膠凝時間離散性很大。下面考慮水灰比、超細粉煤灰摻量、水玻璃摻量3個因素對漿液物理性能指標的影響，對結(jié)果進行極差分析、方差分析和回歸分析[11-12]。

3.1 極差分析

對正交試驗結(jié)果進行極差分析，得出各試驗因素對膠凝時間的極差R值，見表5。

表5 極差分析結(jié)果Table 5 Result of range analysis

對表5分析可得：期望注漿漿液的膠凝時間盡可能短，針對膠凝時間，極差R值從大到小依次為水灰比、水玻璃摻量、超細粉煤灰摻量，故水灰比的影響最大，其次是水玻璃摻量，超細粉煤灰摻量的影響最小。所以，以膠凝時間為指標的最佳配比為：水灰比0.8，超細粉煤灰摻量70%，水玻璃摻量15%。

3.2 方差分析

極差分析是直觀分析，不能估計誤差的大小，也不能精確地估計各因素對試驗結(jié)果影響的重要程度。故用方差分析繼續(xù)研究水灰比、超細粉煤灰摻量、水玻璃摻量對膠凝時間的影響，方差分析結(jié)果見表6。

表6 膠凝時間方差分析結(jié)果Table 6 Result of variance analysis of gelation time

注：(*)表示有一定影響。

由表6結(jié)果分析可知：因素A、因素B、因素C的F值分別為14.13,0.37,5.49,根據(jù)顯著性排列出各因素對膠凝時間的影響順序為:水灰比大于水玻璃摻量大于超細粉煤灰摻量，其中水灰比顯著性較大，而超細粉煤灰摻量和水玻璃摻量的顯著性都比較小，這和上面的極差分析結(jié)果具有一致性。

3.3 回歸分析

以水灰比、水泥摻量、水玻璃摻量為自變量X1,X2,X3，膠凝時間作為因變量Y，對其進行線性回歸分析，得到擬合公式為

Y=8.702+4.219X1+0.019X2-0.136X3。(1)

公式適用條件為：水灰比0.8～1.2、超細粉煤灰摻量70%～90%、水玻璃摻量5%～15%。對所擬合的公式進行評價，通過計算得到回歸方差分析結(jié)果，如表7所示，試驗誤差與回歸統(tǒng)計結(jié)果如表8所示。

表7 回歸方差分析結(jié)果Table 7 Result of regression analysis of variance

注：* 表示影響顯著。

表8 試驗誤差與回歸統(tǒng)計Table 8 Test errors and regression statistics

根據(jù)表7的回歸方差分析可知，所得回歸公式(1)的F值為8.50，與查F分布表所得的臨界值相比較，可得F0.01>F>F0.05，說明因變量Y與X1，X2，X3之間有顯著的線性關(guān)系，回歸方程可信。根據(jù)表8的結(jié)果可知，R值為0.914表明因變量Y與自變量X1，X2，X3之間為高度正相關(guān)；R2值為0.836表明自變量X1，X2，X3可以解釋因變量變差的83.6%；P值表示回歸系數(shù)t統(tǒng)計量的P值，P值的大小反映對應(yīng)自變量與因變量之間相關(guān)性的大小，X1和X3對應(yīng)的P值均遠小于顯著性水平0.05，而X2對應(yīng)的P值遠>0.05，表明X1和X3與Y的相關(guān)性大，X2與Y的相關(guān)性小，即相關(guān)性順序為X1>X3>X2，這和上文極差分析以及方差分析的結(jié)果一致。

綜上所述，通過對正交試驗結(jié)果的處理，找出了膠凝時間短、黏度好的超細粉煤灰注漿漿液的配比，即水灰比0.8，超細粉煤灰摻量70%，水玻璃摻量15%。成功回歸出水灰比、超細粉煤灰摻量、水玻璃摻量與膠凝時間之間的公式，可以為日后配取一定膠凝時間的漿液提供摻合料配比的參考。下面采取模型試驗的方法，對具有可控膠凝時間的超細粉煤灰水泥漿液與普通水泥漿液的可注性進行對比。

4 模型試驗

4.1 模型試驗裝置

為了測試超細粉煤灰水泥漿液的可注性，根據(jù)相似理論相關(guān)知識，設(shè)計模型試驗與試驗裝置[13-15]。試驗裝置的實物和模型結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 試驗裝置的實物與結(jié)構(gòu)Fig.1 Photo and schematic diagram of test device

試驗裝置的主要系統(tǒng)如下：

(1)動力供應(yīng)系統(tǒng)。給注漿漿液施加壓力，保證注漿材料在注入巖土體時具有一定的動力。

(2)漿液滲流系統(tǒng)。根據(jù)相似理論的原理，通過選取模型材料、設(shè)定初始條件和邊界條件來模擬工程現(xiàn)場的實際情況，提供滲流模型試驗過程中的滲流通道。

(3)檢測系統(tǒng)。通過檢測系統(tǒng)的布置，可以對漿液的流動狀態(tài)、孔隙水壓、流量、速度等試驗所需數(shù)據(jù)進行采集。

4.2 模型試驗材料

注漿材料所采用的超細粉煤灰和水泥與上文正交試驗相同，水灰比取0.8，受注體采用淮河天然細砂，漿液指標和細砂的相關(guān)參數(shù)見表9、表10和表11。

表9 漿液性能指標Table 9 Indexes of slurry performance

表10 細砂試驗參數(shù)Table 10 Parameters of test fine sand

表11 細砂篩余量Table 11 Sieve allowance of fine sand

4.3 模型試驗步驟

模型試驗的主要步驟分為：

(1)試驗準備。配制漿液、檢查各組件是否完好，管道線路是否堵塞。

(2)受注體裝填。對選取的受注巖土體進行預(yù)壓和振搗后裝填到注漿滲透裝置中，直到裝填滿注漿滲透裝置的塑料管為止，并施加一定的壓力使其趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)組裝與調(diào)試。對模型試驗裝置進行組裝，將水注入到注漿罐的2/3處讓水在裝滿砂的塑料管中自由滲流，直到從另一端閥門口流出，檢查整個裝置的氣密性，調(diào)試各個系統(tǒng)保證其可以正常運行，待水完全流出后進行注漿試驗。

(3)注漿。將配置好的漿液加入到注漿罐中，設(shè)定好注漿壓力，接通空氣壓力機打開閥門進行注漿，保證注漿壓力在設(shè)定值之間浮動，分別進行0.2，0.4，0.6 MPa壓力下的3組試驗；在漿液滲流的同時用量筒量取滲流裝置的泄流量，并用秒表計時，按照設(shè)計的時間間隔記錄泄流量，直到達到一定時間或者滲流裝置無水流出為止。

(4)后續(xù)操作。待注漿漿液完全注入到注漿滲流系統(tǒng)以后關(guān)閉閥門，保持各個系統(tǒng)狀態(tài)不變持續(xù)1～2 min后停止工作，靜放一段時間后排水、拆樣觀察注漿狀況，并對數(shù)據(jù)進行分析處理。

4.4 模型試驗結(jié)果及分析

將普通水泥漿液和超細粉煤灰水泥漿液的泄流量進行分析對比，并將注漿裝置靜置一段時間后拆模觀察漿液的擴散情況。處理泄流量數(shù)據(jù)并拍攝漿液擴散情況照片，得到0.2，0.4，0.6 MPa下超細粉煤灰水泥漿液和普通水泥漿液的泄流量和擴散情況對比分別如圖2、圖3所示。

圖2 超細粉煤灰水泥漿液和普通水泥漿液的泄流量對比Fig.2 Comparison of discharge between ultrafine fly ash cement slurry and ordinary cement slurry

圖3 超細粉煤灰水泥漿液和普通水泥漿液的擴散性對比Fig.3 Comparison of diffusivity between ultrafine fly ash cement slurry and ordinary cement slurry

對圖2、圖3分析可得：超細粉煤灰水泥漿液和普通水泥漿液在相同壓力條件下，隨著時間的增加，相同時間間隔內(nèi)的泄流量減小；相同壓力和對應(yīng)的時間間隔內(nèi)，超細粉煤灰水泥漿液的泄流量比普通水泥漿液大；相同注漿壓力條件下，超細粉煤灰水泥漿液的擴散長度明顯大于普通水泥漿液，注漿壓力為0.4 MPa時，超細粉煤灰水泥漿液近乎注滿了整個土體，0.6 MPa時已注滿整個土體，并已經(jīng)開始固結(jié)，反觀普通水泥漿液注入的最長距離僅約為整個受注體的1/6。

5 結(jié) 論

(1)對試驗結(jié)果進行極差和方差分析，得出水灰比、超細粉煤灰摻量、水玻璃摻量對超細粉煤灰水泥漿液膠凝時間、黏度影響的大小順序，即水灰比>超細粉煤灰摻量>水玻璃摻量，確定以膠凝時間為指標的最佳配合比為：水灰比0.8、超細粉煤灰摻量70%、水玻璃摻量15%。

(2)通過回歸分析，得出在水灰比為0.8～1.2、超細粉煤灰摻量為70%～90%、水玻璃摻量為5%～15%條件下，膠凝時間(Y)與水灰比(X1)、超細粉煤灰摻量(X2)以及水玻璃摻量(X3)的線性擬合公式：Y=8.702+4.219X1+0.019X2-0.136X3。依據(jù)此公式，可以對滿足使用條件的超細粉煤灰漿液的膠凝時間進行預(yù)測；同時還可以調(diào)整摻和料的比重，配制出滿足試驗或工程需要的膠凝時間的漿液。

(3)通過模型試驗，對比相同注漿壓力下，超細粉煤灰水泥漿液與普通水泥漿液在相同時間間隔的泄流量及其最終擴散情況。與普通水泥漿液相比超細粉煤灰水泥漿液的泄流量更大，注入受注體的深度更長且固結(jié)效果更好，表明超細粉煤灰水泥具有良好的可注性。