水工隧洞早強(qiáng)微膨脹注漿材料試驗(yàn)配比研究

李華斌

(吉安市水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)院，江西 吉安 343000)

0 引 言

水利工程建設(shè)會涉及到許多水工隧洞，這些隧洞在經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行之后，會出現(xiàn)滲水、涌水、背后脫空、開裂等一系列問題，其中尤以二襯脫空問題最為嚴(yán)重。二襯脫空不僅會改變隧洞襯砌結(jié)構(gòu)的整體受力模式，導(dǎo)致受力不均出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而引起襯砌混凝土開裂，而且在脫空位置還會形成水囊，形成水囊壓力，隨著時(shí)間延長，水囊壓力越來越大，最終導(dǎo)致二襯開裂滲水，嚴(yán)重影響水工隧洞的正常運(yùn)營[1-2]。

為解決水工隧洞二次襯砌與初期支護(hù)之間的脫空問題，一般采用注漿加固技術(shù)[3]。常用的注漿材料包括水玻璃類、高分子類和水泥基材料三大類[4-6]。水玻璃材料黏接性強(qiáng)、強(qiáng)度高、耐酸和耐熱性能好，但耐堿和耐水性差；高分子注漿材料的使用成本太高，一般不適宜大面積采用；水泥基注漿材料的流動度可調(diào)、凝結(jié)時(shí)間可控，且成本較低，在當(dāng)前注漿施工領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。但是，目前大多數(shù)水泥基注漿材料存在體積收縮大等問題，容易導(dǎo)致微裂紋產(chǎn)生，從而影響結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性和耐久性，因此有必要尋找一種兼具高早強(qiáng)、流動性好、微膨脹性、黏結(jié)性好的水泥基注漿材料[7]。

本文以普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、硅灰、外加劑等為基材，研制一種新型水泥基注漿材料，以期能為水工隧洞脫空病害治理提供借鑒。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥：R·SAC硫鋁酸鹽水泥，主要化學(xué)成分為CaO和Al2O3，占比分別為44.6%和26.8%，初凝和終凝時(shí)間均為170 min，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為25.2%，密度為3.01 g/cm3，比表面積為365 m2/kg，28 d抗壓和抗折強(qiáng)度分別為63.5和10.6 MPa。

骨料：石英砂材質(zhì)。其中：粗砂(20～50目)，表觀密度為2.62 g/cm3，緊密空隙率為43%，吸水率為0.4%，細(xì)度模數(shù)為2.1；細(xì)砂(50～120目)，表觀密度為2.65 g/cm3，緊密空隙率為45%，吸水率為0.4%，細(xì)度模數(shù)為1.1，粗細(xì)骨料按1∶1摻入。

摻合料：硅灰，粒徑分布為0.5～1 μm，密度為2.14 g/cm3，SiO2成分占比達(dá)到91.3%。

外加劑：P29減水劑(減水率19%)，P803型消泡劑，XD型膨脹劑，緩凝劑等。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)采用3因素3水平正交試驗(yàn)法，主要考慮水料比A、硫鋁酸鹽水泥摻量B和硅灰摻量C共3個(gè)因素的影響，其中水料比分別選擇0.18、0.19和0.2共3個(gè)水平，硫鋁酸鹽水泥摻量分別選擇9%、11%和13%共3個(gè)水平，硅灰摻量分別選擇6%、7%和8%共3個(gè)水平。具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)情況見表1。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

流動度測試：分別測試出機(jī)時(shí)(0 min)和90 min后注漿材料的流動度?？箟簭?qiáng)度測試：分別測試注漿材料在12 h、1 d和28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度。豎向自由膨脹率測試：對最佳配合比下注漿材料在3 h和1 d后的早期豎向自由膨脹率進(jìn)行測試。體積變化率(自收縮)測試：對最佳配合比下注漿材料在28 d內(nèi)的自由收縮情況進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 流動度分析

不同配合比注漿材料的流動度試驗(yàn)結(jié)果見圖1。從圖1中可知，注漿材料的出機(jī)(0 min)流動度最大值為397 mm，最小值為373 mm；90 min后，注漿材料的最大流動度為373 mm，最小流動度為327 mm；隨著水料比的增加，漿體流動度有逐漸增大的趨勢，這是因?yàn)樗鳛樽{材料中唯一的漿體，可以吸附在水泥顆粒和礦物摻合料的表面，可以起到潤滑作用，減小骨料顆粒之間的相互摩阻力，因而流動度隨水料比增大而增大；硫鋁酸鹽水泥的水化反應(yīng)速度明顯高于普通硅酸鹽水泥，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥摻量增加時(shí)，大量自由水參與水化反應(yīng)，從而導(dǎo)致流動度降低；硅灰顆粒的細(xì)度比水泥顆粒更小，與漿體中自由水接觸后會產(chǎn)生含硅凝膠體，這些凝膠體與氫氧化鈣反應(yīng)生成C-S-H凝膠固體物，不僅消耗大量水分，而且生成許多固體物，因而流動度隨硅灰摻量增加而降低。

圖1 流動度試驗(yàn)結(jié)果

對流動度影響因素敏感性進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表2。從表2中可知，對于出機(jī)流動度，起主要影響的是硫鋁酸鹽水泥摻量和硅灰摻量；對于90 min流動度，影響順序從大到小依次為硫鋁酸鹽水泥摻量>硅灰摻量>水料比。綜合來講，對注漿材料流動度影響最大的是硫鋁酸鹽水泥，其次為硅灰，最小的為水料比。

表2 流動度極差分析結(jié)果

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

不同配合比注漿材料的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見圖2。從圖2中可知，隨著齡期增大，注漿材料抗壓強(qiáng)度逐漸增大；隨著水料比的增大，抗壓強(qiáng)度反而有所降低，這是因?yàn)楫?dāng)水量超過水化反應(yīng)所需的水量后，會在硬化過程中形成較多孔隙，導(dǎo)致強(qiáng)度降低；硫鋁酸鹽水泥摻量對早期強(qiáng)度的影響較大，這是因?yàn)榱蜾X酸鹽水泥水化反應(yīng)生成鈣礬石會迅速結(jié)晶形成堅(jiān)硬的骨架，同時(shí)Al(OH)3凝膠體也可以起到較好的填充作用，使骨架空隙率降低，從而提升強(qiáng)度，但是硫鋁酸鹽水泥的反應(yīng)在2～3 d后基本停止，因此其產(chǎn)量對28 d的強(qiáng)度影響不大；硅灰的粒徑較小，其物理填充作用可以降低空隙率，同時(shí)其具備火山灰效應(yīng)，可以消耗Ca(OH)2，生成硬度更高的C-S-H凝膠固體物，從而提升抗壓強(qiáng)度。

圖2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對抗壓強(qiáng)度影響因素敏感性進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表3。從表3中可以看到，對于0.5 d齡期下的抗壓強(qiáng)度，硫鋁酸鹽水泥摻量起主要影響，其次為水料比；對于1 d齡期下的抗壓強(qiáng)度，影響程度依次為硫鋁酸鹽水泥摻量>水料比>硅灰摻量；對于28 d齡期下的抗壓強(qiáng)度，影響程度依次為水料比>硅灰摻量>硫鋁酸鹽水泥摻量，水料比對注漿材料長期強(qiáng)度起主要影響，而硫鋁酸鹽水泥摻量對注漿材料早期強(qiáng)度起主要影響。

表3 抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果

2.3 最優(yōu)配合比確定

從上文分析可知，為了使注漿材料具備良好的流動性，水料比應(yīng)取大值，而硫鋁酸鹽水泥和硅灰摻量應(yīng)取小值，故最佳配合比為：水料比0.2，硫鋁酸鹽水泥摻量9%，硅灰摻量6%。對于早期抗壓強(qiáng)度，最佳配合比為水料比0.18，硫鋁酸鹽水泥摻量13%，硅灰摻量7%；對于長期強(qiáng)度，最佳配合比為水料比0.18，硫鋁酸鹽水泥摻量9%，硅灰摻量8%。在考慮注漿材料配合比時(shí)，還應(yīng)該綜合考慮材料經(jīng)濟(jì)性，由于硫鋁酸鹽水泥和硅灰的價(jià)格均比普通水泥貴，故從經(jīng)濟(jì)成本考慮，兩者應(yīng)取小值，即分別為9%和6%。

結(jié)合注漿材料的技術(shù)要求，認(rèn)為應(yīng)優(yōu)先考慮材料的早期強(qiáng)度，其次是應(yīng)具備大流動性。因此，水料比取中值0.19，硫鋁酸鹽水泥摻量取最大值13%，硅灰也取中值7%較為適宜。針對此配合比下注漿材料的流動度和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，結(jié)果見表4。從表4中可知，在推薦最佳配合比下，漿體的出機(jī)和90 min流動度分別為385和350 mm，0.5 d、1 d和28 d齡期下的抗壓強(qiáng)度分別為4.8、23.2和87 MPa，容重為2 282 kg/m3，均滿足《隧道襯砌拱頂帶模注漿工程技術(shù)規(guī)程》中對注漿材料的參數(shù)要求。

表4 最佳配合比下基本性能參數(shù)

3 最優(yōu)配合比下變形試驗(yàn)

3.1 豎向自由膨脹率

對最佳配合比下的注漿材料進(jìn)行3組豎向自由膨脹率試驗(yàn)，結(jié)果見圖3。從圖3中可知，注漿材料3 h的豎向自由膨脹率為0.229%～0.274%，平均豎向自由膨脹率為0.257%；注漿材料1 d的豎向自由膨脹率為1.356%～1.777%，平均豎向自由膨脹率為1.564%，均滿足技術(shù)規(guī)范中對注漿材料早期豎向自由膨脹率0.3%～2%的相關(guān)要求。

圖3 豎向自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

3.2 體積變化率

最佳配合比下注漿材料的自收縮試驗(yàn)結(jié)果見圖4。從圖4中可知，在0～14 d內(nèi)，注漿材料的體積變形均為負(fù)值，表明其在早期具備良好的膨脹特性，可以起到補(bǔ)償材料自收縮的特點(diǎn)。雖然從第10 d起，材料的收縮值為快速增大，膨脹量逐漸小于自收縮量，但仍能將自收縮性能維持在0.2 mm以下，表明注漿材料具備良好的體積穩(wěn)定性，可以控制早期裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

圖4 體積變化率試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

1) 對于注漿材料流動度影響敏感性排序?yàn)椋毫蜾X酸鹽水泥摻量>硅灰摻量>水料比；對于注漿材料早期強(qiáng)度影響敏感性為：硫鋁酸鹽水泥摻量>水料比>硅灰摻量；對于注漿材料長期強(qiáng)度影響敏感性為：水料比>硅灰摻量>硫鋁酸鹽水泥摻量。

2) 綜合考慮各種影響因素，最終確定注漿材料的最佳配合比為水料比0.19，硫鋁酸鹽水泥摻量13%，硅灰摻量7%。

3) 最佳配合比下，注漿材料的流動度、強(qiáng)度和容重均滿足《隧道襯砌拱頂帶模注漿工程技術(shù)規(guī)程》技術(shù)要求，早期豎向自由膨脹率低于2%，28 d收縮量僅為0.161 mm，具備良好的體積穩(wěn)定性，可在實(shí)際工程中予以應(yīng)用。