快硬丙烯酸鹽水泥基復合漿液配比的試驗研究

馬鵬遠，楊其新，蔣雅君

(1.中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055;2.西南交通大學土木工程學院，成都 610031)

隧道及地下工程穿過溶洞、軟弱地層、斷層破碎帶等不良地質時，需要注漿加固。由于工程施工工藝及工期等條件的限制，要求注漿材料能夠在可控制的較短時間內膠凝并具有較高的凝膠強度。丙烯酸鹽-水泥基復合漿液(簡稱復合漿液)是在丙烯酸鹽灌漿材料的基礎上研制出來的一種復合漿液。為了提高漿液加固地層的承載力，采用水泥替代丙烯酸鹽漿液中的部分成分。復合漿液綜合了丙烯酸鹽漿材和水泥漿材的優點:丙烯酸鹽作為有機化學漿材，具有粘度低、可灌性好的優點，并且丙烯酸鹽增加了復合漿液固結體的彈性，吸水膨脹;水泥漿材大幅提高了復合漿液的抗壓強度和粘結強度，并能夠調整膠凝時間。

本文通過試驗主要研究該復合漿液的膠凝時間和凝膠強度在不同配比條件下的變化規律。優化調整復合漿液各組份配比，使復合漿液能夠基本滿足早凝快硬的工程注漿使用要求，具有良好的注漿性能。

1 復合作用機理

水泥的復合作用機理大致可以歸納為以下幾點［1-3］。

(1)均勻分散，可以防止或減少水分蒸發和防止干燥基體對水分的吸收，從而使水化作用更趨完善。

(2)丙烯酸鹽的加入改善了凝膠材料與巖體界面的狀況，增大了它們之間的粘結力，而粘結力對固結巖體的抗拉強度和抗壓強度同時做出了貢獻。

(3)丙烯酸鹽與超細水泥同時起到膠凝作用，其結果增大了漿液固結結石的強度，使結石只有連續出現微裂紋后才會遭到壓縮破壞。

(4)丙烯酸鹽在水泥水化結構中均勻分布，并與水泥凝膠形成了立體三維網絡，并且這兩種網絡形成相互貫穿，相互依托，組成空間的立體交叉結構。與此同時，由于有機、無機兩相之間，發生一定程度的交聯，增強了材料的復合效應，這是低水灰比聚合物水泥基復合材料中一種獨特的優異結。

(5)水泥在凝結硬化過程中不可避免地會產生大量孔隙或微裂紋而在材料中形成薄弱部位，加入的丙烯酸鹽分散并聚集于孔隙壁上，在孔隙壁上或微裂紋表面形成一層聚合物膜，對于這些薄弱部位產生增強作用。

2 膠凝時間

2.1 正交試驗ZJ1

本文通過多次正交試驗篩選得到影響因子為:丙烯酸鹽溶液、水泥、水、過硫酸鈉，其中丙烯酸鹽溶液濃度36%～40%，復合漿液中過硫酸鈉占丙烯酸鹽溶液的1‰。通過L8(23)正交試驗研究各因子對膠凝時間的作用大小并優選配方，該組試驗編號為ZJ1，優化的正交試驗結果見表1。

表1 復合漿液膠凝時間

2.2 結果分析

(1)試驗結果表明，對復合漿液膠凝時間影響最大的因子是水，漿液的水灰比會對膠凝時間產生很大影響，因此水灰比是控制復合漿液凝結時間的重要指標。

(2)復合漿液膠凝時間在1～3 min范圍波動，時間較短，適用于雙液注漿，能夠滿足注漿快凝的要求。

(3)試驗優選配方為A1B2C2D，即丙烯酸鎂溶液60 mL，水泥 60 g，水 20 mL，過硫酸鈉 0.06 g。

3 結石抗壓強度

3.1 正交試驗ZJ2、ZJ3

結石強度試驗參照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂漿試驗規程》之砂漿抗壓強度試驗方法進行，通過L9(34)正交試驗研究復合漿液各因子對結石抗壓強度的影響作用大小并優化配方。

設計第一組試驗，編號為ZJ2，試驗結果見表2。根據ZJ2組試驗得到優選配方為A2B3C2D2，在該配方的因子水平基礎上，進一步縮小因子水平范圍，設計第二組試驗，編號為ZJ3組，試驗結果見表3。

3.2 結果分析

(1)ZJ2、ZJ3組試驗結果表明，影響復合漿液結石強度的主要因素是復合漿液中水泥的含量，隨著水灰比減小，復合漿液的結石抗壓強度明顯提高。因此水灰比也是控制復合漿液強度的重要指標。

(2)兩組試驗得出最優配方為A1B3C1D3，即丙烯酸鎂溶液 70 mL，水泥 110 g，水 30 mL，過硫酸鈉0.12 g;第二位的是 A2B3C2D2，即丙烯酸鎂溶液80 mL，水泥100 g，水 40 mL，過硫酸鈉 0.08 g;第三位的是A1B2C1D1，即丙烯酸鎂溶液90 mL，水泥100 g，水30 mL過硫酸鈉0.08 g。

表2 ZJ2組復合漿液結石抗壓強度

表3 ZJ3組復合漿液結石抗壓強度

(3)通過試驗發現，雖然過硫酸鈉對復合漿液結石抗壓強度的影響最小，但是它又是復合漿液能夠產生化學反應必不可缺的重要組份。

4 優化配比

通過以上試驗分析可見，水灰比是影響復合漿液性能的重要指標。因此將試驗數據按照水灰比、聚灰比(丙烯酸鹽溶液:水泥)、水聚比(水:丙烯酸鹽溶液)的變化，研究復合漿液膠凝時間和結石抗壓強度的變化規律，并繪制曲線圖。如圖1、圖2所示。

在試驗研究的范圍內，隨著水灰比的增大，膠凝時間有先縮短后延長的趨勢，復合漿液結石抗壓強度明顯提高。隨著聚灰比的減小，復合漿液膠凝時間有縮短的趨勢，結石抗壓強度提高。

綜合考慮復合漿液的膠凝時間和結石抗壓強度兩個指標，并保證復合漿液具有良好的流動性、可灌性及施工可行性，最終確定優化的復合漿液配比是，水 ∶丙烯酸鹽溶液∶水泥=3∶6∶10，過硫酸鈉占丙烯酸鎂溶液的1‰，該復合漿液適用于雙液法注漿，A組份水泥漿，B組份丙烯酸鹽溶液混合過硫酸鈉。漿液的膠凝時間2 min左右，30 min結石抗壓強度能達到5 MPa左右。

圖1 膠凝時間變化趨勢

圖2 結石抗壓強度變化趨勢

5 注漿模擬

為檢驗復合漿液在實際工程注漿中的可行性及效果，在試驗室通過雙組份注漿設備完成模擬注漿試驗。

將粒徑小于10 mm的碎石砂子裝滿塑料桶并壓實，模擬破碎松散圍巖(圖3)。注漿壓力控制在1～2 MPa，漿液從PVC管中注入，當漿液從頂部冒出時停止注漿(圖4)。

圖3 破碎松散圍巖模擬試件

圖4 模擬灌漿試驗過程

完成注漿后3 min，剖開塑料桶后觀察，灌漿漿液在碎石中的混合效果較好，能形成較為均勻的包裹和粘結效果(如圖5、圖6)。完成注漿30 min后，觀察注漿體試樣成型較好，用鐵鍬敲打其表面無變形和水泥塊剝落的情況，強度較高，鑿開試樣上下端部位，可見試樣內部復合漿液凝結均勻填充在碎石縫隙內，并具有較高的粘結強度(圖7、圖8)。

圖5 灌漿結束1 min左右的試樣表面

圖6 桶內灌漿試樣觀察

圖7 試件頂部粘結情況

圖8 試件底部粘結情況

6 結論

(1)通過試驗研究的丙烯酸鹽-水泥基復合漿液的最優配比為，水 ∶丙烯酸鹽溶液 ∶水泥=3∶6∶10，過硫酸鈉占丙烯酸鎂溶液的1‰。

(2)該復合漿液適用于雙液法注漿，A組份水泥漿，B組份丙烯酸鹽溶液混合過硫酸鈉。漿液的膠凝時間2 min左右，30 min結石抗壓強度能達到5 MPa左右。

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