復(fù)摻鋼渣和礦渣的雙液注漿材料加固砂土效果研究

徐 行，鄭 鑫，張 兆 強，劉 桂 德

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 土木水利學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

0 引 言

由于城市化建設(shè)飛速發(fā)展，城市用地越來越緊張，這使得城市建設(shè)轉(zhuǎn)向地下空間發(fā)展。從目前的工程實踐來看，大部分地下工程的覆蓋土層為第四系地層，其中的砂性地層一般比較松散，承載力低，穩(wěn)定性差，在施工過程中可能會發(fā)生坍塌等事故。為了保證工程的順利進行，需對地層進行注漿加固或堵水[1]。注漿加固可以改善砂性地層的力學(xué)性能，如強度和剛度，提高其承載力，控制地表沉降[2]。

注漿加固的首要任務(wù)是選擇一種合適的注漿材料。其中砂性地層常用的注漿材料有普通水泥單漿液、超細(xì)水泥單漿液、水泥-水玻璃雙漿液等材料，這些傳統(tǒng)注漿材料對水泥的消耗量極大，不利于社會的可持續(xù)發(fā)展。所以，目前學(xué)者們把研究方向轉(zhuǎn)向綠色注漿材料的研制[3-7]。陳灃等對鋼渣改性硅酸鹽水泥-水玻璃雙液注漿材料進行研究，根據(jù)研究結(jié)果配置的漿液早期強度高、軟化系數(shù)大，適用于堵漏搶險工程中[6]。李召峰等以硫鋁酸鹽水泥熟料和鋼渣微粉為主要原材料，成功制備了一種水泥基復(fù)合注漿材料，解決了注漿加固和堵水同步進行的難題[8]。王健等在水泥-水玻璃漿液中復(fù)摻礦渣和偏高嶺土，解決了傳統(tǒng)注漿材料后期強度倒縮、抗侵蝕性差的問題[9]。

綜上所述，目前已有文獻多研究注漿材料純漿液的各項性能，但是針對注漿材料在砂土中的固化情況研究較少。在砂性地層中，注漿材料的加固效果主要體現(xiàn)在砂土固結(jié)體的強度和耐久性上，不能單純從注漿材料凈漿結(jié)石體的強度來判斷[10]。所以為了研究砂性地層注漿材料的固結(jié)性能，需要對漿液砂固體的強度進行測定。由于現(xiàn)場砂土注漿后砂土固結(jié)體形狀不規(guī)則，一般情況下取樣比較困難，因此本文采用室內(nèi)試驗方式進行砂土固結(jié)體強度測試。室內(nèi)試驗雖會與現(xiàn)場試驗結(jié)果存在偏差，但一定程度上可為現(xiàn)場試驗或模擬現(xiàn)場試驗提供參考。

本文擬通過室內(nèi)試驗，分析注漿材料種類、水玻璃體積摻量、含水率、水灰比、漿液的用量對漿液砂土固結(jié)體強度特性和變形特性的影響規(guī)律，并得到上述因素的最佳范圍，以為注漿材料的選用提供參考。同時采用工業(yè)廢渣作為注漿材料的主要成分，使工業(yè)廢渣能夠得到有效合理利用。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

水泥：采用遼寧山水工源42.5普通硅酸鹽水泥，比表面積為350 m2/kg。鋼渣微粉：采用遼寧鞍山鋼鐵集團礦渣開發(fā)公司生產(chǎn)的鋼渣微粉，比表面積為450 m2/kg。礦渣微粉：采用遼寧鞍山鋼鐵集團礦渣開發(fā)公司生產(chǎn)的S95級高爐礦渣微粉，比表面積446 m2/kg。水泥、鋼渣及礦渣的化學(xué)組分見表1。水玻璃：采用遼寧海沃德化工原料中心銷售的工業(yè)水玻璃，模數(shù)2.7，將水玻璃加水稀釋至濃度為35 °Bé。砂土：采用沈陽隧道工程開挖地層所取砂樣，對砂土進行顆粒級配分析(見表2)，砂樣分別為礫砂、粗砂和中砂。

表1 原材料的化學(xué)組分

表2 不同砂土的顆粒級配及組成

1.2 試驗方法

本次試驗砂土固結(jié)體強度的測定采用無側(cè)限抗壓強度測試方法進行。試驗具體操作如下。

(1) 首先將粉體水泥、礦渣和鋼渣按一定水灰比與水混合在一起，形成A液。再將水玻璃加水稀釋至濃度為35 °Bé形成B液。A液與B液混合形成復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃漿液。

(2) 將砂土烘干，稱量干砂的重量。漿液的用量分別占砂土質(zhì)量的10%，20%，30%，40%，50%。

(3) 通過向砂土中添加不同質(zhì)量的水來改變砂土的含水率，含水率在0～15%范圍內(nèi)逐漸改變。

(4) 將70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的塑料立方體試模刷上脫模劑，然后將砂土和漿液的混合體澆筑到試模中，在試模中自然成型，每組試驗制作3個試件。

(5) 24 h后拆模，將試件放在標(biāo)準(zhǔn)條件下進行養(yǎng)護，養(yǎng)護至1，3，7 d和28 d。

(6) 達(dá)到養(yǎng)護天數(shù)之后，用數(shù)字式壓力試驗機測試其抗壓強度，在測定過程中，加載速率控制在0.2 mm/min。

2 砂土固結(jié)體力學(xué)性能的影響因素分析

2.1 漿液種類影響

材料的種類對砂土固結(jié)體強度影響較大，現(xiàn)場施工中有多種注漿材料可供選擇，本文采用水泥單漿液、水泥-水玻璃雙漿液和復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙漿液3種注漿材料進行試驗。3種注漿材料的水灰比均為0.8，雙液注漿材料的水玻璃體積摻量均為30%，3種漿液的用量占砂土質(zhì)量的30%，砂土為粗砂，含水率為5%。

圖1反映了隨著齡期的增長，不同注漿材料對砂土固結(jié)體強度的影響規(guī)律。由圖1可知：3種注漿材料對砂土固結(jié)體強度的影響表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即砂土固結(jié)體的強度隨著齡期的發(fā)展逐漸升高，最后趨于穩(wěn)定。這是由于隨著養(yǎng)護齡期的不斷增長，水泥和工業(yè)廢渣的水化反應(yīng)不斷進行，產(chǎn)生的水化產(chǎn)物也隨之增多，水化產(chǎn)物的增多不僅填充了砂土顆粒的孔隙，而且對土體顆粒產(chǎn)生膠結(jié)作用，使砂土體的密實度增加。復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙漿液的砂土固結(jié)體在7 d和28 d時強度較大，其原因在于高活性硅鋁質(zhì)物質(zhì)與堿反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物主要為類沸石物質(zhì)，該物質(zhì)耐久性好，后期強度高。通過3種注漿材料對比，在砂土地層的注漿工程中，可以優(yōu)先考慮復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙漿液，因為此材料在獲得相同的注漿加固效果前提下可以減少對水泥的消耗。通過3種材料對比分析，復(fù)摻鋼渣和礦渣的雙液注漿材料強度特性突出。因此下文主要針對復(fù)摻鋼渣和礦渣的雙液注漿材料的各個參數(shù)進行強度特性分析。

圖1 漿液種類對砂土固結(jié)體強度的影響

為研究水泥摻量對注漿材料固結(jié)性能的影響規(guī)律，采用20%，30%，40%，50%，60%的水泥摻量，對砂土固結(jié)體的抗壓強度進行研究。根據(jù)文獻[11]和作者之前大量的室內(nèi)試驗結(jié)果[12]可知，鋼渣和礦渣的比例在3∶7時復(fù)配效果較好，所以本次試驗暫定鋼渣和礦渣的比例為3∶7，漿液的水灰比為0.8，水玻璃體積摻量為30%，漿液的用量占砂土質(zhì)量的30%，砂土為粗砂，含水率為5%。

圖2反映了不同水泥摻量對砂土固結(jié)體強度的影響規(guī)律。由圖2可知：當(dāng)水泥摻量為40%、工業(yè)廢渣摻量為60%時，砂土固結(jié)體后期強度最大，早期強度和水泥摻量為60%時接近。原因在于水泥摻量在40%以下時，工業(yè)廢渣的摻量過多，而工業(yè)廢渣早期反應(yīng)較慢，所以產(chǎn)生的水化產(chǎn)物相對較少。當(dāng)水泥摻量在40%時，礦渣中Si-O-Si、Al-O-Al、Si-O-Al鍵斷裂重組，形成耐久性好的類沸石物質(zhì)，有助于結(jié)石體后期強度的增長。并且水泥和鋼渣水化產(chǎn)生的Ca(OH)2可以促進礦渣結(jié)構(gòu)的解體，解體后的礦渣又吸收了鋼渣水化反應(yīng)產(chǎn)生的Ca2+，使?jié){液中的Ca2+減少。當(dāng)水泥摻量為40%時，三者在水化反應(yīng)中相互促進，使砂土固結(jié)體強度達(dá)到最大，所以復(fù)摻鋼渣和礦渣的注漿材料具有良好的與砂土結(jié)合效果。

圖2 水泥摻量對砂土固結(jié)體強度的影響

2.2 水玻璃體積摻量及含水率影響

本次試驗中漿液的水灰比為0.8，漿液中水泥摻量為40%，工業(yè)廢渣摻量為60%，其中鋼渣與礦渣的質(zhì)量比為3∶7。漿液的用量占砂土質(zhì)量的30%，砂土為粗砂。表3反映了在含水率分別在0，3%和6% 3種情況下，水玻璃的體積摻量對砂土固結(jié)體強度的影響規(guī)律。

由表3可知：當(dāng)砂土的含水率為3%、水玻璃體積摻量為50%時，砂土固結(jié)體的強度最大，3 d和28 d的強度高達(dá)1 758.73 kPa和2 996.50 kPa。從表3還可以看出：水玻璃體積摻量為50%的漿液加固含水率為3%的砂土效果最佳；水玻璃體積摻量為30%的漿液加固含水率為6%的砂土效果最佳以及水玻璃的體積摻量為75%的漿液加固含水率為0的砂土效果最佳。其原因在于當(dāng)砂土含水率較低時，砂土較松散，水玻璃對砂土可起到膠結(jié)作用。但是當(dāng)水玻璃摻量過大時，延長了漿液的水化反應(yīng)時間，使固結(jié)體強度降低。

表3 水玻璃體積摻量對砂土固結(jié)體強度的影響

綜合分析，水玻璃的體積摻量范圍在30%～75%之間時，砂土固結(jié)體的強度較高，實際工程中應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件確定水玻璃的摻量。

圖3反映了在水玻璃體積摻量為30%的情況下，含水率對砂土固結(jié)體強度的影響規(guī)律。由圖3可知，隨著含水率的提高，砂土固結(jié)體的強度先增大后減小。其原因在于當(dāng)砂土含水率低于3%時，砂土較松散，極易壓碎；當(dāng)含水率超過3%時，砂土中的部分水分占據(jù)了砂土顆粒之間的孔隙，造成漿液進入砂土孔隙中的量減少，同時土體中水分的增加延長了漿液的反應(yīng)時間，所以砂土固結(jié)體的強度降低。

圖3 含水率對砂土固結(jié)體強度的影響

2.3 水灰比影響

水灰比是影響漿液固結(jié)性能的重要因素。本次試驗中漿液的水玻璃體積摻量為30%，漿液的用量占砂土質(zhì)量的30%，漿液粉料中水泥摻量為40%，工業(yè)廢渣摻量為60%，其中鋼渣與礦渣的質(zhì)量比為3∶7，砂土為粗砂，含水率為6%。

圖4反映了水灰比對砂土固結(jié)體抗壓強度的影響規(guī)律。由圖4可知，隨著注漿材料水灰比的增大，砂土固結(jié)體的抗壓強度逐漸減小。其原因在于隨著注漿材料水灰比的增大，未參與水化的水分增加。未參與水化的多余水分填充了砂土顆粒的孔隙[12]，使?jié){液在孔隙中的含量降低。當(dāng)水灰比為1.5時，固結(jié)體的1，3，7，28 d的抗壓強度相比于水灰比為0.8時分別下降了51.62%，72.38%，48.09%，42.89%。

圖4 水灰比對砂土固結(jié)體強度的影響

綜合分析，水灰比過小會導(dǎo)致漿液的流動性能降低[13-14]，過大會導(dǎo)致強度急劇降低。所以水灰比的最佳范圍在0.7～1.0時，漿液能夠更好地加固砂土體。

2.4 漿液用量影響

由于注漿材料黏度的提高以及注漿壓力的延程衰減，注漿材料在離注漿管遠(yuǎn)處的注入量比離注漿管近處的注入量少，這就使注漿材料的加固效果產(chǎn)生差異。為了分析漿液的用量對砂土固結(jié)體強度的影響，對10%，20%，30%，40%，50% 5種漿液用量進行試驗研究。試驗中復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃漿液中水玻璃的體積摻量為30%，水灰比為0.8，漿液中水泥摻量為40%，工業(yè)廢渣摻量為60%，其中鋼渣與礦渣的質(zhì)量比為3∶7，砂土為礫砂、粗砂和中砂，砂土的含水率為6%。

圖5反映了不同的漿液用量對礫砂、粗砂、中砂固結(jié)體28 d抗壓強度的影響規(guī)律。隨著漿液用量的增加，砂土固結(jié)體的抗壓強度逐漸升高。其原因在于隨著漿液用量的增加，漿液反應(yīng)產(chǎn)生的C-S-H凝膠和類沸石物質(zhì)增多[15]，形成的水化產(chǎn)物不僅填充了土體顆粒之間的孔隙，還會對土體產(chǎn)生膠結(jié)作用，使土體黏聚力提高。通過對比3種砂土的固結(jié)體強度，發(fā)現(xiàn)在水泥摻量較少的情況下，礫砂的固結(jié)體強度最大，粗砂的固結(jié)體強度次之，中砂的固結(jié)體強度最小，可見復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙漿液對粒徑較大的砂土加固效果更佳。

圖5 漿液用量對砂土固結(jié)體28 d強度的影響

從圖5可以看出，砂土固結(jié)體強度與漿液用量兩者大致呈線性函數(shù)關(guān)系，通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的回歸分析得到二者之間的關(guān)系為y=ax+b，相關(guān)性非常好，砂土固結(jié)體在不同養(yǎng)護齡期下的強度與漿液用量的關(guān)系式如表4所列。

表4 砂土固結(jié)體強度與漿液用量的函數(shù)關(guān)系

通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的回歸分析方法[16]，得出砂土固結(jié)體強度與養(yǎng)護齡期兩者呈冪函數(shù)關(guān)系，其形式大致為y=a(1-x-b)，存在一定的相關(guān)性。由于室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)較少，所以此規(guī)律有待進一步驗證。

3 砂土固結(jié)體的變形特性分析

應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了變形隨著應(yīng)力改變的變化規(guī)律，砂土固結(jié)體的變形特性是重要的力學(xué)特性之一。本文研究了漿液用量、砂土含水率等因素對砂土固結(jié)體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響規(guī)律，如圖6～7所示。

圖6反映了在加入復(fù)摻鋼渣與礦渣的水泥-水玻璃雙漿液的情況下，漿液(水灰比為0.8，水玻璃體積摻量為30%，漿液粉料中水泥摻量為40%，工業(yè)廢渣摻量為60%，其中鋼渣與礦渣的質(zhì)量比為3∶7)用量分別為10%，20%，30%，40%，50%時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中砂土為礫砂，砂土含水率為6%，養(yǎng)護齡期為3 d。

圖6 不同漿液用量的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7反映了在加入復(fù)摻鋼渣與礦渣的水泥-水玻璃雙漿液的情況下，砂土含水率分別為0，3%，6%時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中砂土為粗砂，漿液用量為30%，養(yǎng)護齡期為3 d。

圖7 不同含水率的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖6和圖7中看出，應(yīng)力應(yīng)變曲線在最開始呈上凹狀，應(yīng)變的變化值隨著應(yīng)力的增加逐漸減小，這是由于微裂隙在外界的壓力作用下發(fā)生了閉合。接下來進入到彈性階段，應(yīng)力-應(yīng)變曲線逐漸呈現(xiàn)直線狀上升態(tài)勢，應(yīng)力應(yīng)變增長較快。隨后應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率減小，漸趨平緩，試件并沒有立即破壞，此時出現(xiàn)部分裂縫。最后隨著裂縫數(shù)量和裂縫寬度的增加，會出現(xiàn)多條主斜裂縫，這些裂縫漸漸貫通，導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)下降趨勢，最終試件破壞。因為復(fù)摻鋼渣和礦渣雙液注漿材料中添加水玻璃，導(dǎo)致試件的脆性較大。砂土固結(jié)體的破碎形態(tài)和應(yīng)力應(yīng)變曲線與注漿材料凈漿結(jié)石體的相似，由此可見該注漿材料可以改變砂土的破壞形態(tài)，使砂土具有足夠的強度。

4 結(jié) 論

由于本文試驗均為室內(nèi)試驗，結(jié)果會與現(xiàn)場施工存在一定差異，但是依然可以為現(xiàn)場試驗或施工提供一定的參考。

(1) 當(dāng)水泥摻量為40%、鋼渣和礦渣摻量為60%時，砂土固結(jié)體后期強度最大，這是水泥、鋼渣和礦渣三者復(fù)合疊加作用的結(jié)果。

(2) 水玻璃體積摻量為50%的漿液加固含水率為3%的砂土效果最佳；而水玻璃的體積摻量為30%和75%的漿液分別在加固含水率為6%和0時的砂土效果最佳。

(3) 復(fù)摻鋼渣和礦渣的水泥-水玻璃雙液注漿材料的水灰比在0.7～1.0范圍內(nèi)時，漿液能夠更好地加固砂土體。

(4) 漿液用量是對砂土固結(jié)體強度影響最大的因素，漿液用量和養(yǎng)護齡期分別與固結(jié)體強度呈線性及冪函數(shù)關(guān)系。