提高巖溶地區(qū)水庫(kù)水泥灌漿材料性能的研究

劉魯強(qiáng)，李維孟，何保煜，陳建國(guó)

（1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530023；2.廣西水利廳，南寧 530023）

0 引 言

巖溶區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的水利資源，在巖溶地區(qū)建設(shè)的水庫(kù)，大都存在不同程度的滲漏，滲漏能夠誘發(fā)嚴(yán)重工程事故，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)241座大型水庫(kù)發(fā)生的1000宗工程事故中，滲漏事故（包括管涌）有317宗，占事故總數(shù)的31.7%[1]。水庫(kù)滲漏嚴(yán)重影響工程效益的正常發(fā)揮，對(duì)工程安全造成極大危害。巖溶地區(qū)防滲處理技術(shù)中，水泥灌漿技術(shù)應(yīng)用較為普遍，取得了有效的防滲效果。由于工程地質(zhì)條件差異巨大，不同的灌漿工程具有不同的技術(shù)要求，在巖溶區(qū)水庫(kù)灌漿的施工工藝方面，廣西通過(guò)大量工程實(shí)踐已總結(jié)出一些有效的經(jīng)驗(yàn)，如引濾反堵灌漿法、平壓過(guò)濾反堵灌漿法和通道追源灌漿法的施工方法，以及“反堵減壓，摻料沖填濃漿成幕、高壓補(bǔ)強(qiáng)”的工藝流程[2]，但在新型灌漿材料方面的研究與應(yīng)用還比較欠缺[3]。

巖溶水庫(kù)堵漏一般都采用純水泥灌漿，雖然這種材料具有結(jié)石強(qiáng)度高、造價(jià)低、灌漿工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是水泥漿液也具有可灌性差、穩(wěn)定性差、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、硬化過(guò)程體積收縮、抵御水庫(kù)環(huán)境水侵蝕能力差等缺點(diǎn)。巖溶水庫(kù)水泥灌漿存在的主要問(wèn)題有：漿液結(jié)石體凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，集中滲漏流速較大，導(dǎo)致結(jié)石體凝固前被水稀釋沖走；結(jié)石體干縮性大，滲流通道封堵效果不佳；有的水庫(kù)水硬度小，水質(zhì)軟，對(duì)水泥結(jié)石具有腐蝕性。這些問(wèn)題僅僅使用純水泥灌漿材料是難以解決的。

本文針對(duì)廣西巖溶水庫(kù)滲漏水泥灌漿存在的問(wèn)題，選擇一些適當(dāng)?shù)耐饧觿┖蛽胶狭希捎脝螕交蚨鄵郊夹g(shù)，來(lái)改善水泥灌漿的可灌性和穩(wěn)定性，提高漿體結(jié)石強(qiáng)度、抗?jié)B性能及抗侵蝕性能，減小漿體結(jié)石干縮，進(jìn)而提高水泥漿液結(jié)石體耐久性。

1 試驗(yàn)方案

根據(jù)巖溶地區(qū)水庫(kù)水泥灌漿材料存在的問(wèn)題，首先，研究能改善水泥漿液流動(dòng)性和穩(wěn)定性，提高水泥漿體結(jié)石強(qiáng)度、抗?jié)B性能及抗巖溶水庫(kù)環(huán)境水侵蝕能力、減小水泥漿液結(jié)石干縮率的新型帷幕灌漿材料；其次，對(duì)巖溶水庫(kù)滲漏通道比較集中、流速較大而通常采用水泥＋水玻璃快速堵漏灌漿材料存在的漿液結(jié)石體后期強(qiáng)度低、耐久性差等問(wèn)題，研究能提高其后期強(qiáng)度和耐久性，漿液凝結(jié)時(shí)間可調(diào)范圍大、流動(dòng)性好、適應(yīng)廣的新型快速堵漏灌漿材料。

新型帷幕灌漿材料試驗(yàn)研究分兩步進(jìn)行。第一步，優(yōu)選摻合料及外加劑的最佳摻量。新型帷幕灌漿材料選用的摻合料及外加劑為：粉煤灰、膨潤(rùn)土、HEA膨脹劑、硅粉、FDN-3000高效減水劑，對(duì)用量較大的粉煤灰、膨潤(rùn)土和HEA 膨脹劑進(jìn)行摻合料及外加劑最佳摻量的優(yōu)選，對(duì)用量較少的FDN-3000高效減水劑和硅粉，其摻量采用生產(chǎn)廠家推薦的摻量。第二步，保持摻合料及外加劑摻量不變，按單摻和多摻的不向組合進(jìn)行摻合料及外加劑品種最佳組合優(yōu)選試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，最終優(yōu)選出能顯著提高水泥漿體結(jié)石強(qiáng)度、抗?jié)B性能及抗巖溶水庫(kù)環(huán)境水侵蝕能力，干縮率小，能改善漿液可灌性和穩(wěn)定性的新型帷幕灌漿材料。

新型快速堵漏灌漿材料試驗(yàn)研究同樣分兩步進(jìn)行。第一步，對(duì)選用的外加劑或摻合料（凝結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)劑、快凝劑、速凝劑、超早強(qiáng)劑、水下抗分散劑、水玻璃和S 型瞬凝水泥）進(jìn)行初選，初選試驗(yàn)采用水泥凈漿法，只須檢驗(yàn)?zāi)Y(jié)時(shí)間、安定性和膠砂強(qiáng)度；第二步，根據(jù)初選試驗(yàn)結(jié)果，選擇凝結(jié)時(shí)間較快、膠砂強(qiáng)度較高的外加劑進(jìn)行漿液性能及漿液結(jié)石體物理力學(xué)性能試驗(yàn)，通過(guò)綜合分析比較，最終優(yōu)選出漿液凝結(jié)時(shí)間較快且可調(diào)范圍大、流動(dòng)性大，漿液結(jié)石強(qiáng)度高的新型快速堵漏灌漿材料。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 新型帷幕灌漿材料試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1.1 摻合料及外加劑摻量?jī)?yōu)選試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)粉煤灰、膨潤(rùn)土和HEA膨脹劑摻量的優(yōu)選采用正交設(shè)計(jì)法，每個(gè)因素各選3個(gè)水平（摻量）：粉煤灰（0、15%、30%）、膨潤(rùn)土（0、5%、10%）、HEA膨脹劑（0、5%、10%），進(jìn)行L9（34）正交試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括：①漿液性能（相對(duì)稠度、析水率、凝結(jié)時(shí)間和比重）；②漿液結(jié)石體力學(xué)性能（抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)）。

試驗(yàn)結(jié)果表明：①在保持相對(duì)稠度不變（以水灰比W/C=0.8 純水泥漿液的相對(duì)稠度為準(zhǔn)）即可灌性相同的條件下，與純水泥漿液相比，對(duì)漿液凝結(jié)時(shí)間和水固比影響的主要因素是膨潤(rùn)土的摻量，隨著摻量的增加，漿液水固比顯著增大，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)；②對(duì)于漿液的析水率，膨潤(rùn)土的摻量無(wú)顯著影響，雙摻粉煤灰和HEA 膨脹劑，漿液的析水率有所下降，即漿液的穩(wěn)定性得到改善；③對(duì)于漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度直線下降，滲透系數(shù)顯著增大；膨潤(rùn)土摻5%時(shí)，與5%HEA 膨脹劑在雙摻的情況下，抗壓強(qiáng)度降低37%，滲透系數(shù)增加約10 倍。而摻HEA 膨脹劑，隨著摻量的增加，漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度增加，滲透系數(shù)減小，HEA膨脹劑摻10%時(shí)，與30%粉煤灰雙摻的情況下，漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度提高18%，滲透系數(shù)減小約10倍；摻量達(dá)到80%左右，這種趨勢(shì)變緩。粉煤灰摻至30%與HEA 膨脹劑雙摻，對(duì)漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)無(wú)顯著影響。

可見(jiàn)，膨潤(rùn)土不宜摻用，粉煤灰適宜摻量為30%，HEA適宜摻量為8%。

2.1.2 摻合料及外加劑品種最佳組合優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)摻合料及外加劑摻量?jī)?yōu)選試驗(yàn)結(jié)果，粉煤灰摻量為30%，HEA膨脹劑摻量為8%，硅粉按廠家推薦摻量為8%，F(xiàn)DN-3000高效減水劑按廠家推薦摻量為0.5%，固定摻合料及外加劑摻量，按單摻或多摻共組成10個(gè)不同組合漿液配合比。即純水泥、水泥＋粉煤灰、水泥+粉煤灰+HEA 膨脹劑、水泥＋粉煤灰＋硅粉、水泥＋粉煤灰＋HEA膨脹劑＋硅粉及以上組合均摻FDN-3000高效減水劑。分別進(jìn)行試驗(yàn)：①漿液性能（相對(duì)稠度、析水率、凝結(jié)時(shí)間和比重）；②漿液結(jié)石體性能（抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)、侵蝕深度、抗蝕系數(shù)和干縮率試驗(yàn)）。其中評(píng)價(jià)漿液結(jié)石體抗侵蝕性能指標(biāo)侵蝕深度和抗蝕系數(shù)采用10%NaHCO3溶液模擬巖溶水庫(kù)侵蝕性環(huán)境水浸泡試件進(jìn)行測(cè)試。

試驗(yàn)結(jié)果表明：①在漿液相對(duì)稠度即可灌性相同的條件下，與純水泥漿相比，單摻粉煤灰的組合即水泥＋粉煤灰（摻量30%），其漿液結(jié)石體的抗侵蝕性能顯著提高，其中90 d 齡期侵蝕深度減小16%、抗蝕系數(shù)提高9%，干縮率有所減小，但其漿液析水率較大，析水率增加20%，漿液穩(wěn)定性較差。②雙摻粉煤灰、HEA 膨脹劑的組合即水泥+精煤灰（摻量30%）+HEA膨脹劑（摻量8%），其漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能及抗侵蝕性能均顯著提高，其中90 d齡期抗壓強(qiáng)度提高28%，滲透系數(shù)減小約10 倍，侵蝕深度減小30%，抗蝕系數(shù)增加11.5%。其結(jié)石體早期能產(chǎn)生適度的膨脹，28 d齡期膨脹率為0.46×10-4，后期干縮率明顯降低，90 d齡期干縮率降低51%，漿液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性亦有所改善。③摻用硅粉的雙摻和多摻組合即水泥＋粉煤灰＋硅粉與水泥＋粉煤灰＋HEA 膨脹劑+硅粉，其漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能及抗侵蝕性能均顯著降低，其中90 d 齡期抗壓強(qiáng)度降低30%以上，滲透系數(shù)增加10 倍以上，侵蝕深度增加26%以上，抗蝕系數(shù)減小16.7%以上。在上述單摻或多摻不同組合的基礎(chǔ)上摻用FDN-3000高效減水劑均能改善漿液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，提高漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能和抗侵蝕性能。

綜上所述，能顯著提高水泥漿液結(jié)石體抗侵蝕性能、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性能，改善水泥漿液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，有效減小水泥漿液結(jié)石體收縮，避免漿液結(jié)石后產(chǎn)生殘留縫隙的新型帷幕灌漿材料為：水泥+粉煤灰（摻量30%）+HEA膨脹劑（摻量8%）與水泥＋粉煤灰（摻量30%）＋HEAH 膨脹劑（摻量8%）+FDN-3000高效減水劑（摻量0.5%）。

2.2 新型快速堵漏灌漿材料試驗(yàn)結(jié)果及分析

新型快速堵漏灌漿材料選用的外加劑為凝結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)劑、快凝劑、速凝劑、超早強(qiáng)劑、水下抗分散劑、水玻璃和S 型瞬凝水泥。對(duì)外加劑的初選采用水泥凈漿法，只須檢驗(yàn)?zāi)Y(jié)時(shí)間、安定性和膠砂強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明：摻用速凝劑、快凝劑和水玻璃的水泥漿，其凝結(jié)時(shí)間較快，但其膠砂強(qiáng)度較低。其中摻速凝劑其初凝時(shí)間為9 min，28 d抗壓強(qiáng)度僅為純水泥的54%。摻用超早強(qiáng)劑和水下抗分散劑其膠砂強(qiáng)度較高，但其凝結(jié)時(shí)間較慢，初凝時(shí)間在1 h以上。只有S型瞬凝水泥，其凝結(jié)時(shí)間較快且膠砂強(qiáng)度較高。其初凝與終凝時(shí)間分別為21 min 和26 min，其膠砂抗壓強(qiáng)度比純水泥提高5%，因此，初選S型瞬凝水泥進(jìn)行漿液性能試驗(yàn)。

為了便于比較，采用目前快速堵漏灌漿材料常用的水玻璃與初選的S 型瞬凝水泥，按不同摻量進(jìn)行漿液凝結(jié)時(shí)間、相對(duì)稠度及漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著S 型瞬凝水泥摻量的增加，漿液的凝結(jié)時(shí)間顯著加快，其結(jié)石體抗壓強(qiáng)度有所提高，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較大，90 d齡期抗壓強(qiáng)度比28 d 增長(zhǎng)60%。而隨著水玻璃摻量的增加，其結(jié)石強(qiáng)度顯著降低，漿液的凝結(jié)時(shí)間加快幅度較小，漿液的相對(duì)稠度明顯增大。后期強(qiáng)度降低，90 d 齡期抗壓強(qiáng)度比28 d 降低3%?？梢?jiàn)，與傳統(tǒng)的快速堵漏灌漿材料水泥+水玻璃相比，以水泥＋S型瞬凝水泥組成的新型快速堵漏灌漿材料具有凝結(jié)時(shí)間快、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)范圍大，漿液可灌性好，漿液結(jié)石體強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)大，耐久性好，適應(yīng)性廣等特點(diǎn)。

3 結(jié)論

（1）摻合料及外加劑優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥+粉煤灰（摻量30%）+HEA 膨脹劑（摻量8%）與水泥＋粉煤灰（摻量30%）＋HEAH膨脹劑（摻量8%）+FDN-3000高效減水劑（摻量0.5%）作為新型帷幕灌漿材料，能顯著提高水泥漿液結(jié)石體抗侵蝕性能、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性能，改善水泥漿液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性，有效減小水泥漿液結(jié)石體收縮，避免漿液結(jié)石后產(chǎn)生殘留縫隙。

（2）新型快速堵漏灌漿材料試驗(yàn)結(jié)果表明：水泥+S型瞬凝水泥作為新型快速堵漏灌漿材料，減小了凝結(jié)時(shí)間、擴(kuò)大了凝結(jié)時(shí)間可調(diào)范圍，提高了漿液可灌性、耐久性、適應(yīng)性和漿液結(jié)石體強(qiáng)度，增加了后期強(qiáng)度。