高流動(dòng)性及水下抗分散改性砂漿研究

周建華，趙衛(wèi)全，趙明華，路 威

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院， 北京 100038；2.北京中水科工程集團(tuán)有限公司， 北京 100044；3.中國(guó)水電基礎(chǔ)局有限公司， 天津 301700；4.天津市地基與基礎(chǔ)工程企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 301700)

堰塞體通常由滑坡、崩塌、泥石流和碎屑流等方式形成，可以看作是一種特殊形式存在的土石壩，其具有物質(zhì)成分復(fù)雜、材料不均勻系數(shù)分布范圍廣、結(jié)構(gòu)松散零亂、部分架空、穩(wěn)定性差、抗?jié)B透性能弱等特點(diǎn)，一旦遭遇強(qiáng)降雨、地震等惡劣自然條件，極易發(fā)生滑坡、管涌等模式的破壞[1-4]，嚴(yán)重危及人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全。為開(kāi)發(fā)利用堰塞體，改造堰塞湖為控制性水庫(kù)，達(dá)到減災(zāi)興利的目的，必須進(jìn)行防滲加固改良處理。目前對(duì)于堰塞體的再利用技術(shù)及相應(yīng)加固防滲機(jī)理研究較少。國(guó)內(nèi)僅有小南海水庫(kù)地震堰塞體(帷幕灌漿解決堰塞體滲漏問(wèn)題)和紅石巖堰塞體(混凝土防滲墻解決堰塞體滲漏)等少量改造案例，相應(yīng)防滲加固處理技術(shù)并不完善[5-6]。

分析堰塞體組成特點(diǎn)可知，各區(qū)域材料顆粒級(jí)配和密實(shí)條件不同，孔隙率分布不同，上下游存在水頭差，滲透水流存在一定流速，對(duì)加固材料可灌性(流動(dòng)性能)及水下抗分散性能要求均較高。對(duì)堰塞體改良處理方法主要有[7-10]：(1) 普通水泥漿灌注，漿材耗量大、工效低；(2) 常規(guī)膏漿材料灌注，需采用特制攪拌機(jī)及灌漿泵、施工專(zhuān)業(yè)化要求及成本高；(3) 常規(guī)水泥砂漿灌注，砂漿水下易離析、固結(jié)效果可靠性能較差；(4) 自流可控砂漿自流灌注，雖能改善孔隙發(fā)育條件，但達(dá)不到防滲要求，需結(jié)合帷幕灌漿處理。目前對(duì)于松散堆積體加固處理，通常采用水泥砂漿灌注，但砂漿材料具有水下易離析或流動(dòng)性不足缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響堰塞體水下部分的防滲加固效果。研發(fā)高流動(dòng)性及水下抗分散砂漿材料，對(duì)于堰塞體防滲加固具有十分重要的意義。

通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)改性砂漿流動(dòng)度正交試驗(yàn)，確定合適的體積水粉比、體積砂率、復(fù)合外加劑摻量，并優(yōu)選出不同流動(dòng)性的三組配合比，對(duì)其水下分散性、固結(jié)體力學(xué)及抗?jié)B性能進(jìn)行研究，并通過(guò)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了改性砂漿對(duì)于堰塞體改良處理的適用性和有效性。

1 改性砂漿流動(dòng)度正交試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

(1) 鉆牌普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號(hào)P.O42.5，主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 普通硅酸鹽水泥主要性能指標(biāo)

(2)普通河砂，粒徑級(jí)配見(jiàn)表2。細(xì)度模數(shù)2.20，細(xì)砂，表觀密度2 160 kg/m3。

表2 河砂粒徑分布

(3)復(fù)合外加劑，由減水劑、增黏劑、穩(wěn)定劑、促凝劑及自制水下抗分散劑組成。結(jié)合相應(yīng)研究成果[11-14]，綜合考慮各類(lèi)外加劑改性作用、外加劑間及與水泥漿液間相容性、價(jià)格、材料來(lái)源、環(huán)保性能等，確定復(fù)合外加劑中各組分摻量，具體如表3所示。水下抗分散劑是由聚丙烯酰胺、硅藻土、纖維素醚及高嶺土按照一定比例配制而成。

表3 復(fù)合外加劑基本配比

1.2 流動(dòng)性影響因素及水平

針對(duì)不同級(jí)配和密實(shí)條件下松散堰塞體，研發(fā)具有不同流動(dòng)性的改性砂漿材料，對(duì)于堰塞體防滲加固處理是至關(guān)重要的，不僅能夠保證不同配比材料的擴(kuò)展度和充填效果，而且可以節(jié)省材料用量和提高改良處理工效。

結(jié)合相應(yīng)研究成果[13-15]，選擇體積水粉比(水體積Vw與所有粉體材料體積Vp之比，以w/p表示)、體積砂率(扣除砂含粉與砂含水后純干砂體積VS與砂漿體積VM之比，以S/M表示)、復(fù)合外加劑摻量(復(fù)合外加劑用量與所有粉體材料的質(zhì)量比，以CAD表示)作為流動(dòng)性正交試驗(yàn)研究的影響因素，并確定每個(gè)影響因素具有三個(gè)水平。改性砂漿流動(dòng)性正交試驗(yàn)影響因素與水平見(jiàn)表4。

表4 流動(dòng)度影響因素與水平

1.3 流動(dòng)性正交試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

相應(yīng)配比下改性砂漿不同時(shí)間內(nèi)流動(dòng)性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。分別對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分析，得出三種影響因素主次順序和優(yōu)化方案，見(jiàn)表6。

表5 流動(dòng)度正交試驗(yàn)方案與結(jié)果

表6 流動(dòng)度正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與計(jì)算

對(duì)上述流動(dòng)性正交試驗(yàn)結(jié)果分析可知：

(1) 體積水粉比對(duì)初始、20 min及60 min流動(dòng)性極差最大，分別為53.3、51.7和43.3，是最重要影響因素，在確定優(yōu)先水平時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮，體積水粉比越大，相應(yīng)時(shí)間平均流動(dòng)性越好，坍落擴(kuò)展度越大，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)堰塞體結(jié)構(gòu)孔隙特點(diǎn)，選擇合適體積水粉比。

(2) 外加劑摻量對(duì)初始、20 min及60 min流動(dòng)性極差較大，分別為38.3、34.3和30.0，是第二影響因素。試驗(yàn)用量范圍內(nèi)，復(fù)合外加劑摻量越大，相應(yīng)時(shí)間平均流動(dòng)性最好，應(yīng)用時(shí)還應(yīng)考慮各類(lèi)外加劑的作用機(jī)理，根據(jù)改性砂漿具體應(yīng)用環(huán)境及性能要求，確定綜合外加劑合理?yè)搅俊?/p>

(3) 體積砂率對(duì)初始、20 min及60 min流動(dòng)性極差相對(duì)較小，分別為13.3、11.7和10.0，是次要因素。由于體積砂率變化幅度通常較小，一般取45%～55%，流動(dòng)性處于較為合理水平，且可以節(jié)省水泥用量，因此體積砂率對(duì)與改性砂漿性能影響程度相對(duì)較小。

(4) 過(guò)程中各配比砂漿均無(wú)明顯析水、沉淀現(xiàn)象，證明各配比砂漿具有良好穩(wěn)定性。

1.4 改性砂漿配合比優(yōu)選

結(jié)合流動(dòng)度正交試驗(yàn)結(jié)果，初步優(yōu)選出以下3組改性砂漿配合比，如表7所示。

表7 優(yōu)選改性砂漿配合比

三組改性砂漿配比初始流動(dòng)性為355 mm、385 mm、415 mm，60 min流動(dòng)性為340 mm、360 mm、385 mm，流動(dòng)性良好，經(jīng)時(shí)損失小，且流動(dòng)性分布范圍廣，能夠滿(mǎn)足不同孔隙灌漿充填需求，可充分提高工效，保證防滲加固效果。

2 改性砂漿基本性能試驗(yàn)

2.1 水下抗分散性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證改性砂漿的水下抗分散能力，采用配制好的改性砂漿分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境及水下環(huán)境澆模、養(yǎng)護(hù)，觀察模塊水中形態(tài)，檢測(cè)固結(jié)體質(zhì)量損失，并與標(biāo)準(zhǔn)模塊相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，以此定量評(píng)價(jià)砂漿水下抗分散能力。改性砂漿水下澆模、養(yǎng)護(hù)及固結(jié)體拆模后形態(tài)如圖1、圖2所示。相應(yīng)配比砂漿水下澆模后質(zhì)量損失結(jié)果如表8所示。

圖1 改性砂漿水下澆筑

圖2 水下養(yǎng)護(hù)拆模后固結(jié)體狀態(tài)

表8 不同配比砂漿固結(jié)體質(zhì)量損失率

分析砂漿水下環(huán)境試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)可知：

(1) 各配比改性砂漿水下環(huán)境澆模時(shí)，水體均輕微變混，渾濁程度較低，試模仍可見(jiàn)；固結(jié)后養(yǎng)護(hù)箱中殘留少量固結(jié)體；試模表面比較光滑，無(wú)明顯蜂窩麻面，體積變化不明顯，整體性保持較好。

(2) 3種配合比改性砂漿水下試模質(zhì)量損失率最大為9.2%，最小為6.5%，標(biāo)準(zhǔn)條件下相應(yīng)質(zhì)量損失為2.5%～4.0%，水下質(zhì)量損失率最大為5.2%，質(zhì)量損失較小。

(3) 改性砂漿具有良好的水下抗分散能力，水下環(huán)境對(duì)于改性砂漿穩(wěn)定性能影響不大，能夠滿(mǎn)足水下灌漿應(yīng)用需求。

2.2 固結(jié)體力學(xué)性能試驗(yàn)

測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和水下環(huán)境模塊3 d、7 d及28 d齡期抗折、抗壓強(qiáng)度，定量評(píng)價(jià)改性砂漿固結(jié)體相應(yīng)環(huán)境下力學(xué)性能。固結(jié)體抗折、抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度差值隨齡期變化過(guò)程如圖3—圖5所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)、水下SK1固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度及差值變化曲線

圖4 標(biāo)準(zhǔn)、水下SK2固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度及差值變化曲線

圖5 標(biāo)準(zhǔn)、水下SK3固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度及差值變化曲線

分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可知：

(1) 各配比改性砂漿力學(xué)性能隨齡期增加而增大，養(yǎng)護(hù)初期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)相對(duì)較慢，3 d力學(xué)強(qiáng)度約占28 d指標(biāo)的55%～60%。

(2) 一定范圍內(nèi)，改性砂漿固結(jié)體抗折、抗壓力學(xué)性能隨體積水粉比、綜合外加劑摻量增加而減小，隨體積砂率的增加而增大；體積水粉比對(duì)力學(xué)強(qiáng)度的影響最大，外加劑摻量是次要影響因素，體積砂率變化范圍較小，影響也最小。

(3) 與標(biāo)準(zhǔn)條件相比，相應(yīng)齡期3種配比砂漿水下固結(jié)體力學(xué)強(qiáng)度存在一定損失，28 d抗折強(qiáng)度最大損失率11.7%，抗壓強(qiáng)度最大損失率10.4%，流動(dòng)性越好，水下抗折、抗壓強(qiáng)度損失率越大，施工時(shí)應(yīng)選用流動(dòng)性合適的改性砂漿。

(4) SK1砂漿力學(xué)強(qiáng)度最高，SK3砂漿力學(xué)強(qiáng)度相對(duì)較小，標(biāo)準(zhǔn)試模28 d齡期抗壓強(qiáng)度49 MPa，抗折強(qiáng)度9.6 MPa，水下試?？箟簭?qiáng)度43.5 MPa，抗折強(qiáng)度8.5 MPa，標(biāo)準(zhǔn)及水下環(huán)境，相應(yīng)齡期力學(xué)強(qiáng)度均較高，也可說(shuō)明改性砂漿具有較好的水下抗分散能力。

2.3 固結(jié)體抗?jié)B性能試驗(yàn)

改性砂漿抗?jié)B性能可以通過(guò)固結(jié)體抗?jié)B壓力及滲透系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，抗?jié)B壓力越大，滲透系數(shù)越小，抗?jié)B性能越好。各配比砂漿抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果如表9所示。

表9 改性砂漿固結(jié)體抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果

分析表9可知，各配比砂漿固結(jié)體滲透壓力為0.6 MPa，滲透系數(shù)均在10-9m/s量級(jí)，而對(duì)大孔隙結(jié)構(gòu)或地層，灌漿處理后滲透系數(shù)約為10-6m/s量級(jí)，故改性砂漿抗?jié)B性能滿(mǎn)足堰塞體改良加固工程需求。

3 室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

3.1 室內(nèi)模型試驗(yàn)技術(shù)路線

采用砂礫石制作堰塞體模型，開(kāi)展室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究改性砂漿對(duì)于水下一定級(jí)配砂礫石的灌漿固結(jié)效果，從而驗(yàn)證改性砂漿對(duì)于堰塞體改良加固工程的適用性和有效性。考慮到堰塞體物質(zhì)成分膠結(jié)不良、不均勻系數(shù)分布范圍大、堆積松散等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用全級(jí)配砂礫卵石料作堰塞體模型材料，顆粒粒徑分布范圍為0.075 mm～150.000 mm，一次將模型填滿(mǎn)，不進(jìn)行壓實(shí)，使充填材料孔隙率盡可能接近材料自然堆積時(shí)的孔隙率，以模擬寬級(jí)配堰塞體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。礫卵石、砂顆粒級(jí)配如表10所示。

表10 礫卵石、砂顆粒級(jí)配

模型制作具體步驟：(1) 采用透明有機(jī)玻璃加工1#模型，四周側(cè)壁及底部開(kāi)孔，采用有機(jī)玻璃主要是便于觀察灌漿過(guò)程中模型內(nèi)漿液擴(kuò)散情況，采用混凝土鋼模制作2#模型，模型尺寸均為0.5 m×0.5 m×0.5 m；(2) 將1#模型放入尺寸1.0 m×1.0 m×1.0 m的有機(jī)玻璃水箱中；(3) 在模型正中間位置預(yù)埋灌漿管，直徑25 mm，長(zhǎng)度60 cm，端部距底面5 cm，分別在距離端部5 cm、15 cm、25 cm、35 cm處布設(shè)出漿孔，出漿孔沿圓周均勻分布，灌漿管用常溫PVA水溶膜包裹，即能保證預(yù)埋過(guò)程中不會(huì)被堵塞，也可保證出漿孔順利打開(kāi)；(4) 將全級(jí)配砂礫卵石料按比例混合均勻后，一次性填滿(mǎn)整個(gè)模型，充填材料自然堆積，不進(jìn)行壓實(shí)處理；(5) 充填完畢，向1#模型水箱注水，控制水位為40 cm。

采用灌漿泵對(duì)2個(gè)模型灌注3種配比改性砂漿，先灌注流動(dòng)度較低、力學(xué)強(qiáng)度高的砂漿，再灌注流動(dòng)度較高的砂漿，當(dāng)灌漿管中改性砂漿下漿較慢時(shí)，則變換下一種配比砂漿；當(dāng)流動(dòng)性能最高的砂漿10 min不下漿后，停止灌漿。采用低壓力慢灌的方式進(jìn)行灌注，注漿過(guò)程中控制最大注漿壓力不超過(guò)0.2 MPa。灌漿結(jié)束后，1#模型在水箱中養(yǎng)護(hù)至模型固結(jié)，然后移出水箱，與2#模型一起，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。

3.2 模型試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

模型試驗(yàn)灌漿及效果檢測(cè)過(guò)程見(jiàn)圖6—圖8。

圖6 1#模型灌漿過(guò)程及填充情況

圖7 2#模型灌漿過(guò)程及填充情況

1#模型及2#模型耗漿量及相應(yīng)齡期下芯樣抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表11所示。

圖8 1#、2#模型取芯情況

表11 模型耗漿量及芯樣抗壓強(qiáng)度

分析模型灌漿試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)，可知：

(1) 改性砂漿對(duì)兩模型充填效果均較好，砂漿擴(kuò)散到模型全部區(qū)域，模型基本膠結(jié)為完整結(jié)石體；芯樣完整情況良好，表面光滑，無(wú)明顯蜂窩麻面，抗壓強(qiáng)度均較高，28 d抗壓強(qiáng)度大于24 MPa，滿(mǎn)足加固工程對(duì)于結(jié)石體強(qiáng)度需求。

(2) 取芯過(guò)程順利，無(wú)塌孔、孔底沉渣現(xiàn)象，芯樣孔返水較多，取樣后孔內(nèi)水位無(wú)變化，說(shuō)明模型具有了良好的抗?jié)B性能，松散結(jié)構(gòu)得到了較大程度改善。

(3) 相比于2#模型，1#模型水下灌漿過(guò)程中產(chǎn)生了少量跑漿，模型外部水箱中水體輕微變混，水位升高，底部出現(xiàn)少量沉積物，耗漿量增加12.5%，芯樣抗壓強(qiáng)度平均損失6.5%，說(shuō)明改性砂漿能夠?qū)⒛Ｐ椭兴懦瞿Ｐ屯獠?，具有良好抗分散性能，水下環(huán)境對(duì)于改性砂漿穩(wěn)定性及力學(xué)性能影響不大。

4 結(jié) 論

(1) 通過(guò)砂漿流動(dòng)性正交試驗(yàn)優(yōu)選出三組體積水粉比、復(fù)合外加劑摻量、體積砂率的改性砂漿配合比，該系列改性砂漿初始流動(dòng)度為355 mm、385 mm、415 mm，1 h流動(dòng)度為340 mm、360 mm、385 mm，流動(dòng)性良好、經(jīng)時(shí)損失小，流動(dòng)分布范圍廣；水下質(zhì)量損失率最大為5.2%，28 d固結(jié)體抗折強(qiáng)度最大損失率11.7%，抗壓強(qiáng)度最大損失率10.4%，質(zhì)量及力學(xué)強(qiáng)度損失率小，水下抗分散性能良好；滲透壓力為0.6 MPa，滲透系數(shù)均在10-9m/s量級(jí)，固結(jié)體防滲性能高。

(2) 標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境及水下環(huán)境中改性砂漿對(duì)全級(jí)配砂礫石均具有較好充填效果，灌后模型松散結(jié)構(gòu)、抗?jié)B性能得到了較大程度改善，芯樣完整情況良好，28 d抗壓強(qiáng)度大于24 MPa，相比于標(biāo)準(zhǔn)灌漿，水下灌漿耗漿量增加12.5%，芯樣抗壓強(qiáng)度損失6.5%，水下環(huán)境對(duì)改性砂漿穩(wěn)定性及結(jié)石體力學(xué)性能影響不大。