基于粉煤灰摻量的采空區(qū)注漿材料配比試驗(yàn)研究*

胡恒洋，宋大各，胡卸文

(1.西南交通大學(xué) 峨眉校區(qū)土木工程系，四川眉山614202;2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031)

1 概述

隨著我國高速公路、鐵路的大量修建，不可避免地會遇到大型巖溶洞穴或早期形成的大型采空區(qū)。由于巖溶或采空區(qū)頂板塌陷或沉降，對路基穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。以往對此類空洞多采用充填塊碎石+注漿或端承樁跨越等方法予以治理，但這些措施都是在洞穴規(guī)模較小或空間厚度有限的條件下才有效。就大型洞穴而言，采用在粉煤灰中摻入一定比例的水泥進(jìn)行注漿是目前常采用的技術(shù)方法。粉煤灰主要成分為硅鋁酸鹽，其顆粒較粗，粒間粘接薄弱、松散，不能直接用于注漿。常用的方法是摻入一定比例的水泥，以控制漿液凝結(jié)的抗壓強(qiáng)度和流動度。此外，為了控制漿液的凝結(jié)時(shí)間，還會加入少量的速凝劑，如水玻璃等。

不同比例的粉煤灰、水泥、速凝劑和水摻合后所形成的漿液的抗壓強(qiáng)度、流動度、凝結(jié)時(shí)間等影響注漿施工的性能會相應(yīng)不同。筆者對山東某專用鐵路大型采空區(qū)注漿采用的粉煤灰進(jìn)行了室內(nèi)不同配比下漿液的注漿性能試驗(yàn)研究，以求取得最佳配合比，用以指導(dǎo)施工。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用原料主要包括水泥、粉煤灰、水和水玻璃。其中水泥為32.5普通硅酸鹽水泥，粉煤灰為施工地生產(chǎn)的國家標(biāo)準(zhǔn)二級粉煤灰，速凝劑采用一般市售水玻璃，其成分見表1。利用上述原材料以不同比例的配比進(jìn)行試驗(yàn)，具體包括混合漿液的流動度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度等，分別考慮7、21、28 d 及部分試樣120 d 齡期的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。

目前，對于粉煤灰的室內(nèi)試驗(yàn)尚無相應(yīng)的專門規(guī)范，故參考其他建筑材料的試驗(yàn)規(guī)范進(jìn)行，試驗(yàn)內(nèi)容見表2。

表1 水玻璃基本參數(shù)表

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容表

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

試樣成型采用70.7 mm×70.7 mm×70.7mm 試模，澆鑄3～4 d 后脫模，試件拆模后放入溫度為(20±2)℃、相對濕度為90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。

以水泥∶粉煤灰=2∶8為例，二級粉煤灰在四種水灰比下不同齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見圖1。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:

(1)不同配合比漿液體的抗壓強(qiáng)度隨齡期增長而增加。

(2)水灰比越大，試樣抗壓強(qiáng)度越小。

(3)水泥的摻入比例越大，試樣的抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增大。

(4)水玻璃的摻入量對抗壓強(qiáng)度的影響與不同材料配比有關(guān)。多數(shù)情況下，水玻璃加入可以提高試樣的抗壓強(qiáng)度，但個(gè)別配比情況下，水玻璃的加入會導(dǎo)致強(qiáng)度的降低。

圖1 二級粉煤灰不同配合比、不同齡期注漿材料抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果示意圖

3.2 流動度試驗(yàn)

漿液體流動度試驗(yàn)是將拌好的漿液迅速注入截錐圓模內(nèi)，用刮刀刮平，將截錐圓模按垂直方向提起，同時(shí)開啟秒表計(jì)時(shí)，至30 s 時(shí)用直尺量取流淌漿液互相垂直的兩個(gè)方向的最大直徑，取平均值作為漿液初始流動度。

以水泥∶粉煤灰=1∶9及2∶8為例(圖2)。從圖2中可見:

(1)隨著水摻入量的增加，漿液的流動度隨之增大。

圖2 不同水灰比及水玻璃摻入量下流動度分布曲線圖(水泥∶粉煤灰左為1∶9，右為2∶8)

(2)水玻璃對不同配比漿液流動度影響效果各異，多數(shù)情況下，水玻璃的加入會降低漿液的流動度。

(3)當(dāng)水泥∶粉煤灰比例為2∶8和3∶7時(shí)，隨著水灰比的提高，流動度不斷增大的變化規(guī)律不變;但是，當(dāng)水灰比相同時(shí)，隨著水玻璃摻入量的增加，漿液流動度逐漸減小。當(dāng)水玻璃使用量為5%時(shí)，漿液的流動度最低。

3.3 凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，凝結(jié)時(shí)間采用標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀測定。從水泥全部加入水中起，至試針沉入標(biāo)準(zhǔn)稠度凈漿中距底板之間的距離為4 mm±1 mm 時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間為初凝時(shí)間;從水泥全部加入水中起，至試針沉入凈漿試體0.5 mm 時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間為終凝時(shí)間。

圖3 水泥∶粉煤灰為2∶8時(shí)漿液的初凝和終凝時(shí)間分布曲線圖(左為初凝時(shí)間;右為終凝時(shí)間)

以水泥∶粉煤灰=2∶8為例(圖3)，可見:

(1)水玻璃的加入可以明顯縮短漿液的凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)水玻璃為5%時(shí)的凝結(jié)時(shí)間最短。

(2)一般情況下，水摻入量的增加會使?jié){液的凝結(jié)時(shí)間變長。

(3)隨著水泥摻入量的增加，漿液的凝結(jié)時(shí)間隨之變短。

4 結(jié)語

(1)大摻量粉煤灰注漿材料多數(shù)配比在21 d齡期以后，抗壓強(qiáng)度均大于1.5 MPa，均能滿足工程要求。

(2)在各種配比方案中，當(dāng)水玻璃使用量為5%時(shí)，各試樣的抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)為最大。在多數(shù)配比方案中，當(dāng)水玻璃使用量為1%或不使用水玻璃時(shí)，試樣的抗壓強(qiáng)度最小。

(3)水灰比對漿液的流動度影響最大。水灰比過大，會使?jié){液的流動度過大，且不易控制。建議使用0.6∶1～0.8∶1的水灰比，配合水玻璃進(jìn)行控制。

(4)采空區(qū)注漿施工的工程經(jīng)驗(yàn)是初凝時(shí)間不小于12 h，終凝時(shí)間不大于36 h［1］。本次試驗(yàn)中，隨著水玻璃量的增加，凝結(jié)時(shí)間顯著降低。在不同水玻璃使用量下，各種固顆比的多數(shù)試樣初凝時(shí)間能滿足不小于12 h 的要求，但終凝時(shí)間普遍較長，不能滿足不大于36 h 的要求。建議使用2∶8和3∶7的固顆比，同時(shí)配合不同水玻璃的使用以控制凝結(jié)時(shí)間。

(5)抗壓強(qiáng)度、流動度和凝結(jié)時(shí)間均能滿足且強(qiáng)度最高的相對最佳配比應(yīng)該為:二級粉煤灰的固顆比為2∶8、水灰比為0.7∶1、水玻璃摻入量為3%。

［1］童立元，劉松玉.大摻量粉煤灰注漿充填材料試驗(yàn)研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2002，32(4):643-647.

［2］王福元，吳正嚴(yán).粉煤灰利用手冊［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［3］楊錫武.粉煤灰水化過程模型的研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，1994，7(1):61-66.