低堿性外摻劑對(duì)帷幕注漿漿液性能的影響

袁勝超

(1.華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術(shù)創(chuàng)新中心， 河北 石家莊 050021)

帷幕注漿技術(shù)在大水礦山水患治理、保證井下作業(yè)安全、減少礦山排水成本等方面具有重要作用，已在國(guó)內(nèi)眾多水患礦山成功實(shí)施并取得了良好效果。由于目前使用的注漿材料多為黏土、水泥以及水玻璃等物質(zhì)，其反應(yīng)后的產(chǎn)物為水化硅酸鈣、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等堿性物質(zhì)[1?3]，使得地下水pH 值升高，人為地破壞了地下水環(huán)境。另外，該地下水作為污染源隨著礦山開(kāi)采排放注入河床，將進(jìn)一步污染地表水資源，同時(shí)破壞周邊生態(tài)環(huán)境。為降低漿液pH 值，前期研制出了低堿性外摻劑，為證明加入外摻劑后漿液性能能夠滿足注漿需求，需對(duì)漿液結(jié)石體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。

1 自然養(yǎng)護(hù)條件下漿液結(jié)石體強(qiáng)度分析

根據(jù)前人的研究成果，黏土水泥混合漿液結(jié)石體強(qiáng)度的增長(zhǎng)與純水泥漿液結(jié)石體強(qiáng)度存在差異。通常認(rèn)為純水泥漿液結(jié)石體28 d 后強(qiáng)度基本穩(wěn)定，為最終強(qiáng)度[4?5]；而黏土水泥混合漿液（尤其高水固比漿液）的結(jié)石體強(qiáng)度在56 d 趨于穩(wěn)定[6?8]，故強(qiáng)度測(cè)定需較長(zhǎng)時(shí)間。耐久性測(cè)試通常是在結(jié)石體強(qiáng)度穩(wěn)定后進(jìn)行，因此本研究計(jì)劃對(duì)其養(yǎng)護(hù)56 d后，進(jìn)行耐久性能的測(cè)試。

黏土水泥漿的配比為黏土基漿（密度為1.20 g/cm3）:水泥為12:1～4:1。為改變漿液堿性而不至于影響其力學(xué)性質(zhì)，本次試驗(yàn)引入SPJ 外加劑（專(zhuān)利保護(hù)），其中的SPJ2#為改酸性硫酸類(lèi)，該材料可以與水泥中的C2S、C3S 反應(yīng)生成C-S-A-H，改變體系中的水化產(chǎn)物組成與結(jié)構(gòu)，此外其酸性可與水泥的堿性發(fā)生中和作用；SPJ3#為改性聚合物，該材料具有鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，可以吸附體系中的水泥顆粒，降低水泥的水化速率，改善漿液堿性的延時(shí)增長(zhǎng)特性；SPJ4#為穩(wěn)定劑，可以提高漿液的分散性，降低析水率，提高結(jié)石率，同時(shí)具有吸附重金屬離子的作用。

根據(jù)工業(yè)化注漿配比，將SPJ 外加劑按2#:3#:4#=6:3:2 的配比制成試樣，脫模后養(yǎng)護(hù)至56 d 測(cè)試其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖1 所示。大部分加入外摻劑的樣品抗壓強(qiáng)度略低于未加外摻劑試樣，強(qiáng)度下降幅度為4～20 kPa，說(shuō)明低堿外摻劑對(duì)漿液56 d 抗壓強(qiáng)度影響較小。

圖1 不同現(xiàn)場(chǎng)配比的低堿漿液56 d 抗壓強(qiáng)度

2 巖芯抗壓強(qiáng)度分析

將現(xiàn)場(chǎng)取出的添加外摻劑后凝固的巖芯切割成10 cm 長(zhǎng)的圓柱樣（見(jiàn)圖2），養(yǎng)護(hù)至56 d 后進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 巖芯抗壓強(qiáng)度結(jié)果

圖2 試驗(yàn)樣品

由表1 可知，現(xiàn)場(chǎng)注漿所取巖芯抗壓強(qiáng)度存在較大差異，最大抗壓強(qiáng)度為28 MPa，最小抗壓強(qiáng)度為18.2 MPa，最大差值為9.8 MPa，平均抗壓強(qiáng)度為23.2 MPa。通過(guò)分析，巖芯抗壓強(qiáng)度存在差異的主要原因可能是試樣不均一性。從巖芯試樣斷面可以看出（見(jiàn)圖2），斷面呈現(xiàn)“年輪狀”的圈層分布，從邊緣向內(nèi)部黏土的含量逐漸降低，最終在巖芯內(nèi)部形成直徑為3～5 cm 的水泥結(jié)石體。不同深度的“年輪”分布存在差異，在進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，黏土含量高的結(jié)石體首先發(fā)生破裂，應(yīng)力逐漸向內(nèi)部擴(kuò)展，最終導(dǎo)致破裂。而黏土含量低的部分，其結(jié)石體結(jié)構(gòu)密實(shí)，膠結(jié)強(qiáng)，起始應(yīng)力高，所以最終抗壓強(qiáng)度大?？傮w而言，結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度在18 MPa 以上，能夠滿足工程需求。

3 巖芯直剪強(qiáng)度分析

將現(xiàn)場(chǎng)取出的巖芯切割成直徑為50 mm、高為50 mm 的圓柱試樣，養(yǎng)護(hù)至56 d 后使用YDS-2 多功能直剪試驗(yàn)儀進(jìn)行結(jié)石體直剪強(qiáng)度測(cè)試。采用快剪法進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程調(diào)節(jié)法向應(yīng)力，分級(jí)施加剪切荷載（每級(jí)0.2 MPa），記錄下每級(jí)荷載下的剪切位移，直至試件破壞，記錄破壞時(shí)的最大值。

試驗(yàn)采用3 種正應(yīng)力，分別為1 MPa、2 MPa、3 MPa，采取豎直放置和水平放置兩種方法進(jìn)行直剪，直剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2 和圖3。

表2 直剪試驗(yàn)結(jié)果

圖3 為低堿性漿液結(jié)石體不同正應(yīng)力下剪應(yīng)力-剪應(yīng)變曲線。在相同正應(yīng)力下，剪應(yīng)變隨著剪應(yīng)力增加而增加，達(dá)到峰值強(qiáng)度后，剪應(yīng)力逐漸降低，試件破壞后峰殘應(yīng)力降值較大。試樣B3 在剪切破壞時(shí)，殘余強(qiáng)度降值達(dá)6.64 MPa；水平放置的A3試樣在3 MPa 正應(yīng)力下抗剪強(qiáng)度達(dá)14.44 MPa，而豎直放置的B3 試樣在3 MPa 正應(yīng)力下強(qiáng)度為11.81 MPa；豎直放置的樣品峰值強(qiáng)度均小于水平放置的樣品，改性漿液結(jié)石體豎直方向抗剪強(qiáng)度均大于相同正應(yīng)力下結(jié)石體水平方向上的抗剪強(qiáng)度，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因?yàn)椋焊邏鹤{后漿液分層凝結(jié)，中間為水泥結(jié)石體，外圍包裹有凝結(jié)后的黏土，材質(zhì)分布不均勻；豎直方向進(jìn)行剪切，摩擦力僅由水泥結(jié)石體提供，水平方向剪切摩擦力由水泥和黏土提供，摩擦系數(shù)小于前者，因此抗剪強(qiáng)度較低。

圖3 低堿性漿液結(jié)石體剪切應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖3 可以看出，兩種放置方式進(jìn)行剪切，低堿性注漿材料均表現(xiàn)出如下剪應(yīng)力-剪切位移規(guī)律：

（1）加載初期，曲線的斜率較小，剪應(yīng)力增加緩慢而剪應(yīng)變?cè)黾虞^快，這一階段試樣內(nèi)開(kāi)始產(chǎn)生張裂紋，但并不一開(kāi)始就沿著剪切面發(fā)生破壞。

（2）峰前階段，隨著剪應(yīng)力的增加，剪切變形以明顯的彈性變形為主，在剪應(yīng)力峰值處有一個(gè)明顯折拐點(diǎn)，即快達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)曲線斜率逐漸由陡變緩達(dá)到峰值強(qiáng)度。

（3）峰值強(qiáng)度之后，剪應(yīng)力急劇下降，曲線斜率急劇變陡，由正變負(fù)，產(chǎn)生了應(yīng)力跌落的現(xiàn)象。

根據(jù)圖4 所示低堿性漿液結(jié)石體的抗剪強(qiáng)度曲線，求得結(jié)石體的強(qiáng)度參數(shù)c，φ值分別為：截面水平于地面時(shí)為4.05 MPa，73.72°；截面豎直于地面時(shí)為5.55 MPa，64.61°。漿液結(jié)石體黏聚力高，且內(nèi)摩擦角大，表明低堿性漿液結(jié)石體能夠承受較大的剪應(yīng)力，且結(jié)石體在地下環(huán)境中較穩(wěn)定，不易被破壞。

圖4 低堿性漿液結(jié)石體的抗剪強(qiáng)度曲線

4 巖芯耐久性研究

將現(xiàn)場(chǎng)取出的巖芯切割成10 cm 長(zhǎng)的圓柱試樣，養(yǎng)護(hù)至56 d 后進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，試樣在90℃的風(fēng)干箱內(nèi)風(fēng)干4 h，待冷卻后真空飽和4 h，每個(gè)循環(huán)觀測(cè)試樣的形態(tài)變化，每5 個(gè)循環(huán)測(cè)定一次強(qiáng)度變化。

第1 個(gè)干濕循環(huán)后，全部樣品產(chǎn)生輕微裂紋，有一個(gè)樣品產(chǎn)生崩裂，后續(xù)循環(huán)中無(wú)其他崩裂現(xiàn)象產(chǎn)生，樣品表面部分松散黏土層脫落，樣品裂紋變得更為明顯，第50 個(gè)循環(huán)后，樣品仍無(wú)明顯崩壞。

通過(guò)耐久性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖芯的耐久性存在一定的差異，對(duì)于巖芯內(nèi)部水泥含量大的巖樣，其抗干濕循環(huán)的能力優(yōu)于黏土含量高的。試樣經(jīng)干濕循環(huán)后，進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度測(cè)試，抗壓強(qiáng)度的變化如圖5所示。

圖5 干濕循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

通過(guò)多組試樣的耐久性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，其耐久存在差異，50 次循環(huán)最大抗壓強(qiáng)度損失48.6%，最小抗壓強(qiáng)度損失17.1%，平均22.85%。強(qiáng)度損失的差異性主要是由于試樣的差異所引起的，試樣中黏土含量越大，其基礎(chǔ)抗壓強(qiáng)度越低，耐久性損失越大；而水泥含量高的起始抗壓強(qiáng)度大，耐久性損失小。

除測(cè)試干濕循環(huán)對(duì)漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的影響外，還需探究對(duì)結(jié)石體抗剪性能的影響，進(jìn)行干濕循環(huán)50 次后對(duì)試塊進(jìn)行直剪試驗(yàn)，直剪結(jié)果見(jiàn)表3，得到抗剪強(qiáng)度曲線如圖6 所示。

表3 干濕循環(huán)后試塊直剪結(jié)果

圖6 干濕循環(huán)50 次后試塊的抗剪強(qiáng)度

由表3 可知，在相同正應(yīng)力下，剪應(yīng)變隨著剪應(yīng)力增加而增加，達(dá)到峰值強(qiáng)度后，剪應(yīng)力逐漸降低，試件破壞后峰殘應(yīng)力降值較大。且經(jīng)歷50 次干濕循環(huán)后，試件應(yīng)力應(yīng)變曲線仍具有未進(jìn)行干濕循環(huán)的規(guī)律，表明漿液結(jié)石體在干濕循環(huán)后結(jié)構(gòu)并未發(fā)生破壞，具有較好的穩(wěn)定性和耐久性。

試樣在3 MPa正應(yīng)力下峰值強(qiáng)度為10.96 MPa，試樣破壞后，殘余強(qiáng)度為6.36 MPa。對(duì)比表2 的直剪試驗(yàn)結(jié)果，相同正應(yīng)力下干濕循環(huán)后的試件峰值強(qiáng)度略有下降。根據(jù)圖6 可求得干濕循環(huán)后試件的黏聚力c=3.76 MPa，內(nèi)摩擦角φ=67.42°，對(duì)比圖4可知，50 次凍融循環(huán)使試樣黏聚力損失7.16%，內(nèi)摩擦角損失8.54%，雖均有降低，但仍具有較強(qiáng)的抗剪強(qiáng)度，能夠滿足工程要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)加入低堿性外摻劑的黏土水泥混合漿液結(jié)石體力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

（1）自然條件下低堿性外摻劑對(duì)漿液56 d 抗壓強(qiáng)度影響較小。

（2）高壓條件下結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度在18 MPa以上，滿足施工需求。

（3）低堿性漿液結(jié)石體能夠承受較大的剪應(yīng)力，且結(jié)石體在地下環(huán)境中較穩(wěn)定，不易被破壞。

（4）低堿性漿液結(jié)石體在50 次干濕循環(huán)后結(jié)構(gòu)并未發(fā)生破壞，抗壓強(qiáng)度值、抗剪強(qiáng)度值雖有所下降，但能滿足施工需求，仍具有較好的穩(wěn)定性和耐久性。