強(qiáng)滲透涌水地層注漿新材料的配制與工程特性研究

康正斌，李小強(qiáng)，鞏越

（1.民航機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程有限公司，天津 300456；2.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590）

0 前言

我國(guó)現(xiàn)今的巖土與地下工程建設(shè)規(guī)模快速擴(kuò)大，施工過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到結(jié)構(gòu)松散、固結(jié)程度低、孔隙大、承載力低、滲透性強(qiáng)、且經(jīng)常伴有動(dòng)水環(huán)境的復(fù)雜強(qiáng)滲透地層，為了保證工程建設(shè)的順利進(jìn)行，往往要對(duì)這類(lèi)地層進(jìn)行注漿加固和防滲處理，使復(fù)雜強(qiáng)滲透地層地基能夠滿(mǎn)足工程建設(shè)的要求。

注漿材料分為無(wú)機(jī)和有機(jī)材料2大類(lèi)。無(wú)機(jī)注漿材料以水泥為主，具有來(lái)源廣泛、價(jià)格低、性能穩(wěn)定、耐久性強(qiáng)、無(wú)毒無(wú)害的優(yōu)點(diǎn)，但其凝結(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，易被動(dòng)水沖散，且漿液收縮性大，不適用于動(dòng)水環(huán)境下強(qiáng)滲透地層的加固與封堵[1-3]。有機(jī)類(lèi)注漿漿液可注性好，凝結(jié)時(shí)間短，但成本高，儲(chǔ)存要求高，結(jié)石體強(qiáng)度低于水泥強(qiáng)度，且存在較大的環(huán)境安全問(wèn)題，在動(dòng)水環(huán)境下強(qiáng)滲透地層封堵工程中受到較大的限制[4-7]。

為解決這一問(wèn)題，研發(fā)了一種新型水泥基注漿材料，輔加高分子添加劑，使其適用于動(dòng)水環(huán)境下的強(qiáng)滲透地層，具有凝固時(shí)間在一定范圍內(nèi)可調(diào)、可注性強(qiáng)、抵抗動(dòng)水沖刷、堵水防滲效果好、成本低、無(wú)毒性等特點(diǎn)。研發(fā)的漿液能夠?yàn)閯?dòng)水環(huán)境下的強(qiáng)滲透地層防滲加固工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供新的思路與材料。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

聚丙烯酰胺：一種線(xiàn)型高分子聚合物，常溫下有膠液、膠乳和白色粉粒、半透明珠粒和薄片等規(guī)格，根據(jù)強(qiáng)滲透地層特點(diǎn)對(duì)注漿材料的需要，最終選取規(guī)格為2500 w陰離子型的聚丙烯酰胺材料，其干燥晶體及溶解后性質(zhì)如圖1所示。由于分散相粒子彼此糾纏形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，聚丙烯酰胺溶液表現(xiàn)為具有較高黏度的聚合體[8]，可用于解決水泥基漿液在動(dòng)水環(huán)境中易被沖散的問(wèn)題，同時(shí)能夠使?jié){液穩(wěn)定附著于卵石表層。

圖1 聚丙烯酰胺晶體及溶解后性質(zhì)對(duì)比

水性聚氨酯：以水代替有機(jī)溶劑作為分散介質(zhì)的新型聚氨酯體系，能與水以任意比互溶，并快速形成膠凝體，具有無(wú)污染、安全可靠、機(jī)械性能優(yōu)良、相容性好、易于改性等優(yōu)點(diǎn)[9]。根據(jù)強(qiáng)滲透地層特點(diǎn)對(duì)注漿材料的需要，最終選取規(guī)格為MF-669Ⅰ型水性聚氨酯材料。

水泥：強(qiáng)度等級(jí)不低于42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。同時(shí)在針對(duì)動(dòng)水環(huán)境下強(qiáng)滲透地層注漿材料中加入混凝土材料中常見(jiàn)的硫酸亞鐵降低漿液析水率，加入氯化鈉作為早強(qiáng)劑，加入檸檬酸作為催化劑，按照室內(nèi)試驗(yàn)要求，硫酸亞鐵、氯化鈉均使用分析純。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)通過(guò)控制變量法，將硫酸亞鐵、聚丙烯酰胺、水性聚氨酯、檸檬酸摻量及水灰比為變量（以水泥500 g為固定單位進(jìn)行配比），對(duì)漿液進(jìn)行析水率試驗(yàn)，通過(guò)漿液的存留量分析漿液在動(dòng)水環(huán)境強(qiáng)滲透地層的抗沖刷效果。如試驗(yàn)說(shuō)明或圖中不進(jìn)行特別標(biāo)注，漿液的水灰比即為0.9，聚丙烯酰胺與水的質(zhì)量比為4∶1，氯化鈉摻量為5 g，硫酸亞鐵摻量為10 g，聚丙烯酰胺摻量為10 g，檸檬酸摻量為聚丙烯酰胺的5%。對(duì)固水率、流動(dòng)度和凝膠時(shí)間進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)研究分析。選取較優(yōu)的配合比方案進(jìn)行抗沖刷模擬試。

2 結(jié)果與分析

2.1 水性聚氨酯固水性能

水性聚氨酯與水的質(zhì)量比（酯水比）對(duì)固水率與凝膠時(shí)間影響如表1所示。催化劑對(duì)聚氨酯固水率與凝膠時(shí)間的影響如表2所示，為確保測(cè)得檸檬酸對(duì)水性聚氨酯固水速率的影響是相對(duì)明顯的，同時(shí)考慮降低試驗(yàn)時(shí)間成本，試驗(yàn)時(shí)將酯水比設(shè)置為1∶4。

表1 酯水比對(duì)水性聚氨酯固水率與凝膠時(shí)間的影響

表2 催化劑對(duì)水性聚氨酯固水率與凝膠時(shí)間的影響

由表1、表2可知：（1）凝膠時(shí)間隨酯水比的減小而不斷延長(zhǎng)，當(dāng)酯水比小于1∶10后，凝膠時(shí)間會(huì)顯著延長(zhǎng)；（2）當(dāng)酯水比為4∶1～1∶17時(shí)，固水率均為100%，當(dāng)酯水比小于1∶17后，固水率出現(xiàn)驟降的現(xiàn)象；（3）檸檬酸摻量對(duì)水性聚氨酯的固水率沒(méi)有影響；（4）隨著檸檬酸摻量的增加，凝膠時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。

2.2 漿液的析水率

漿體析水率是漿液達(dá)到初凝時(shí)，由于水泥顆粒沉淀作用析出水分體積占漿體總體積的百分率，反映了漿液的保水性能，會(huì)影響水泥凝結(jié)硬化效果、漿液與物面的粘結(jié)力[10]。

圖2為漿液析水率試驗(yàn)的過(guò)程。圖3～圖5分別為硫酸亞鐵摻量（固定水灰比為1.0）、水灰比、聚丙烯酰胺摻量（固定水灰比為1.0）對(duì)析水率的影響。

圖2 漿液析水率試驗(yàn)過(guò)程

圖3 硫酸亞鐵摻量對(duì)析水率的影響

圖5 聚丙烯酰胺摻量對(duì)析水率的影響

由圖3可見(jiàn)，硫酸亞鐵摻量對(duì)漿液析水率具有較大影響，隨著硫酸亞鐵摻量增加，漿液的析水率先減小后增大，當(dāng)硫酸亞鐵摻量為水泥質(zhì)量的1%時(shí)，漿液的析水率最低，約為漿液總體積的1.4%。主要是因?yàn)檫^(guò)量硫酸亞鐵使水泥顆粒懸浮于水中而不是附著于聚丙烯酰胺與水反應(yīng)生成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)上，無(wú)法形成具有良好穩(wěn)定性的漿液。

由圖4可見(jiàn)，漿液析水率與水灰比呈正相關(guān)趨勢(shì)，但3種水灰比下析水率均低于5%，屬于穩(wěn)定漿液[11-12]。

圖4 水灰比對(duì)析水率的影響

由圖5可見(jiàn)，漿液析水率與聚丙烯酰胺摻量呈負(fù)相關(guān)，且影響顯著，當(dāng)聚丙烯酰胺摻量小于10 g時(shí)，漿液為不穩(wěn)定漿液。

2.3 漿液流動(dòng)度

試驗(yàn)采用截錐圓模，按照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑均質(zhì)試驗(yàn)方法》的規(guī)定進(jìn)行流動(dòng)度試驗(yàn)，圖6、圖7分別為聚丙烯酰胺摻量和水灰比對(duì)漿液流動(dòng)度的影響。

圖6 聚丙烯酰胺摻量對(duì)漿液流動(dòng)度的影響

圖7 水灰比對(duì)流動(dòng)度的影響

由圖6、圖7可見(jiàn)：

（1）漿液的流動(dòng)度與聚丙烯酰胺摻量呈負(fù)相關(guān)，在聚丙烯酰胺占水泥質(zhì)量1.5%～2.0%時(shí)，對(duì)漿液流動(dòng)度的影響最明顯。但當(dāng)漿液中聚丙烯酰胺摻量超過(guò)水泥質(zhì)量2.5%后，其對(duì)漿液流動(dòng)度的影響效率降低。主要是因?yàn)榫郾０返挠行芙饬恐饾u趨于飽和，新網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增加量減少，對(duì)漿液流動(dòng)度的影響效率逐漸降低。

（2）水灰比與漿液流動(dòng)度呈正相關(guān)。在實(shí)際工程中可以根據(jù)實(shí)際地層情況對(duì)漿液滲透性與流動(dòng)度的要求，通過(guò)對(duì)水灰比的調(diào)整實(shí)現(xiàn)漿液流動(dòng)度的有效改變。

2.4 漿液凝膠時(shí)間

漿液的凝膠時(shí)間是測(cè)試漿液從混合到形成膠凝體所用時(shí)間。動(dòng)水環(huán)境下強(qiáng)滲透地層注漿工程中對(duì)漿液的凝膠時(shí)間有著更加嚴(yán)格的要求[13]，漿液凝膠時(shí)間的測(cè)定方法主要有倒杯法及黏度計(jì)法。倒杯法由于其簡(jiǎn)單易操作和適用對(duì)象廣泛的特點(diǎn)，在施工現(xiàn)場(chǎng)和試驗(yàn)室中經(jīng)常使用，故本試驗(yàn)采用倒杯法進(jìn)行試驗(yàn)[14]。表3、表4分別為酯水比、檸檬酸摻量對(duì)漿液凝膠時(shí)間的影響。

表3 酯水比對(duì)漿液凝膠時(shí)間的影響

表4 催化劑摻量對(duì)漿液凝膠時(shí)間的影響

由表3、表4可知：

（1）水性聚氨酯摻量越多，漿液的凝膠時(shí)間越短，最快可以在200 s左右形成膠凝體；在相同水性聚氨酯摻量下，水灰比越大，漿液凝膠時(shí)間越長(zhǎng)。

（2）漿液的凝膠時(shí)間與檸檬酸摻量呈正比，但不呈線(xiàn)性關(guān)系，隨著檸檬酸摻量的增加，其對(duì)漿液凝膠時(shí)間的延長(zhǎng)效率逐漸降低。因此，檸檬酸摻量為聚氨酯質(zhì)量的2.5%時(shí)為較合理比例，此時(shí)漿液的凝膠時(shí)間為680 s。

3 抗沖刷性能試驗(yàn)及漿液配比分析

3.1 抗沖刷性能試驗(yàn)與效果分析

為探究注漿后漿液抵抗動(dòng)水沖刷的性能，采用如圖8所示的混合粒子流沖擊試驗(yàn)裝置（專(zhuān)利號(hào)CN 201710526013.6）對(duì)漿液的抗沖刷性能進(jìn)行了測(cè)試。受儀器功率限制，水槽中動(dòng)水流速為1.67 m/s。將水灰比、聚丙烯酰胺摻量、水性聚氨酯摻量作為變量，通過(guò)漿液的存留量分析漿液在動(dòng)水環(huán)境強(qiáng)滲透地層的抗沖刷效果。測(cè)試方法如下：

圖8 混合粒子流沖擊試驗(yàn)裝置

（1）卵石在試驗(yàn)前7 d浸入水中，保證試驗(yàn)時(shí)卵石已經(jīng)完全飽水。

（2）將待試驗(yàn)的漿液按要求進(jìn)行配制，置于電子秤稱(chēng)量漿液與攪拌盆總質(zhì)量W1。取部分浸泡后的卵石置于攪拌盆中與漿液充分混合。

（3）將混合后的卵石與漿液置于盛漿籃中，稱(chēng)量其沖刷前的質(zhì)量W3，攪拌盆及其中剩余漿液的質(zhì)量W2。

（4）接通電源打開(kāi)水泵，使水槽中形成一定速度的水流。迅速將稱(chēng)重完成的盛漿籃放置于水槽中進(jìn)行沖刷，讓水流連續(xù)沖刷30 min，漿液此時(shí)已經(jīng)完全膠凝，最后將盛漿籃拿出稱(chēng)量沖刷后的總質(zhì)量W4。

（5）在動(dòng)水條件下比較其留存在槽中漿液占原始漿液的百分含量（漿液留存率），漿液存留率按式（1）計(jì)算。

水灰比、聚丙烯酰胺與水性聚氨酯摻量對(duì)漿液留存率影響如表5所示。

表5 漿液留存率試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：

（1）在動(dòng)水流速為1.67 m/s時(shí)，漿液最高留存率為91.62%。漿液留存率理想，能夠穩(wěn)定填充于地層孔隙間抵抗動(dòng)水沖刷，不被沖散或稀釋。

（2）水灰比與漿液留存率呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。水灰比越大漿液中膠體含量越少，漿液中水與聚丙烯酰胺反應(yīng)生成具有黏性的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)密度較低，同時(shí)更多的水使得漿液的凝膠時(shí)間相應(yīng)延長(zhǎng)，增加了漿液在動(dòng)水中被沖刷走的量。

（3）聚丙烯酰胺摻量與漿液留存率呈正相關(guān)。原因是聚丙烯酰胺越多，漿液中黏性網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越多，漿液穩(wěn)定性與黏度也就越高，在動(dòng)水沖刷中被沖刷走的量越少。

（4）3種不同聚氨酯摻量對(duì)漿液留存率影響不明顯。在增加聚氨酯摻量的過(guò)程中，漿液留存率出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。原因是聚氨酯與水可以任比例互溶，過(guò)量的聚氨酯降低了水灰比，凝膠時(shí)間也因此被延長(zhǎng)，在動(dòng)水沖刷中被沖刷走的量也就越多。與漿液凝膠時(shí)間的測(cè)試中得到的規(guī)律可以相互驗(yàn)證。

3.2 漿液配比分析

綜合考慮漿液的成本與施工難度，確定了動(dòng)水環(huán)境下強(qiáng)滲透地層注漿材料建議配比如表6所示。

表6 動(dòng)水環(huán)境強(qiáng)滲透地層注漿材料建議配比 g

表6的配比區(qū)間能滿(mǎn)足多種強(qiáng)滲透地層防滲加固工程。但在不同的施工環(huán)境中，由于孔隙比、動(dòng)水流速、級(jí)配情況等均具有特殊性，因此漿液的具體配比需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，達(dá)到適應(yīng)具體工程環(huán)境的效果。

4 結(jié)論

（1）硫酸亞鐵與聚丙烯酰胺的摻加顯著提高了水泥基注漿材料的保水性能，當(dāng)硫酸亞鐵摻量為水泥質(zhì)量的1%，聚丙烯酰胺質(zhì)量為水泥質(zhì)量的4%時(shí)，能夠使析水率降低至1.4%左右。

（2）漿液流動(dòng)度隨水灰比增大而增大，隨聚丙烯酰胺摻量的增加而降低，在聚丙烯酰胺摻量為水泥質(zhì)量1.5%～2.0%時(shí)對(duì)漿液流動(dòng)度的影響最明顯。

（3）聚氨酯的摻加使?jié){液最快可以在200 s左右形成膠凝體，實(shí)現(xiàn)堵水防滲；同時(shí)，漿液的凝膠時(shí)間可以根據(jù)施工工況的實(shí)際要求，通過(guò)添加檸檬酸等方法延長(zhǎng)凝膠時(shí)間至680 s左右。

（4）在動(dòng)水流速為1.67 m/s時(shí)，材料最高留存率為91.62%。但根據(jù)實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)記錄，在強(qiáng)滲透涌水地層中動(dòng)水的流速一般在0.5 m/s以下，此時(shí)的漿液留存率將遠(yuǎn)高于90%。因此漿液完全可以滿(mǎn)足抗強(qiáng)滲透地層動(dòng)水沖刷的需求。

（5）漿液能夠有效填充動(dòng)水環(huán)境強(qiáng)滲透地層，形成結(jié)石體后可以解決結(jié)構(gòu)松散、孔隙大、伴有動(dòng)水環(huán)境等工程問(wèn)題，顯著提高地基承載力，實(shí)現(xiàn)堵水防滲，能夠?yàn)閯?dòng)水環(huán)境下的強(qiáng)滲透地層防滲加固工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施提供新的思路與材料。