改性粘土漿結(jié)石體抗壓強度性能測試與分析

容玲聰，唐海燕，高 超，朱承敏

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

改性粘土漿結(jié)石體抗壓強度性能測試與分析

容玲聰，唐海燕，高 超，朱承敏

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南 長沙 410012)

改性粘土漿因流動性好、塑性強度高、抗水沖刷性好并且價廉而廣泛應(yīng)用于礦山堵水工程，尤其是巖溶大水帷幕注漿工程。新橋礦帷幕注漿工程采用改性粘土漿作為注漿材料，因此，鉆取了漿液結(jié)石體芯，進行了動態(tài)數(shù)值化全應(yīng)力應(yīng)變強度破壞試驗，試驗結(jié)果驗證，改性粘土漿在注漿壓力作用下，結(jié)石體強度不亞于水泥漿結(jié)石體強度，具有很高的抗壓強度，可完全代替水泥漿液。

改性粘土漿；塑性強度；抗壓強度；動態(tài)數(shù)值化；全應(yīng)力應(yīng)變；強度破壞試驗

1 應(yīng)用現(xiàn)狀

截止到20世紀末，帷幕注漿采用的主要材料仍然是水泥，在寬大巖溶等大型過水通道處添加石子、砂子、海帶、黃豆、稻草等惰性材料。21世紀初，長沙礦山研究院成功研發(fā)出改性粘土漿，并于2003～2007年在新橋礦東翼露天坑邊坡大規(guī)模應(yīng)用并取得成功，后陸續(xù)在國內(nèi)巖溶大水礦山帷幕上推廣應(yīng)用，都取得了很好的成果。

注漿的歷史始于粘土漿，我國于20世紀50～70年代普遍應(yīng)用粘土注漿法進行防滲，80年代，長沙礦山研究院、兗州礦務(wù)局科研院、東北工學(xué)院開始對粘土水泥漿液進行性能試驗，并在三山島金礦、江西永平銅礦進行了工業(yè)性試驗。但是上述粘土漿的應(yīng)用大部分都用于裂隙注漿和堤壩防滲，采用的粘土漿水固比都較大(一般為1和1.2)，未考慮漿液結(jié)石體的抗壓強度，漿液結(jié)石體的抗壓強度指標也未進行試驗和檢測。為克服粘土漿這一缺點，長沙礦山研究院在上述粘土漿的基礎(chǔ)上進行了配比和工藝改進，經(jīng)過大量室內(nèi)試驗研究，在保持其他優(yōu)異性能的同時，大幅提高了漿液結(jié)石體的抗壓強度，成功研發(fā)出不僅實用于裂隙注漿，而且適用于巖溶大水帷幕截流注漿工程的改性粘土漿，并在數(shù)個大型礦區(qū)帷幕截流注漿工程中推廣應(yīng)用。應(yīng)用證明改性粘土漿液具有成本低、性能好、堵水效率高等特點，可取代傳統(tǒng)的水泥漿液，成為最主要的注漿堵水材料。

2 改性粘土漿的特性

(1) 源豐價廉。主要材料是粘土，大部分地區(qū)可就地取材，材料成本比水泥漿可降低50%～70%。

(2) 流變性能良好。初期粘度低，可變范圍大，可根據(jù)工程需要靈活調(diào)節(jié)、控制，以適應(yīng)不同的注漿對象。數(shù)小時后塑性粘度和屈服應(yīng)力急劇增大，既保證了漿液的可泵性、可注性，又不致擴散過遠。

(3) 塑性強度高。漿液結(jié)石體具有較高的極限抗剪強度即塑性強度(數(shù)百千帕至數(shù)兆帕)，大部分配比一天的塑性強度可達到3.3 MPa,足以抵抗地下水的壓力而不被擠出。

(4) 漿液結(jié)石體抗?jié)B性能好，其滲透系數(shù)只有水泥漿結(jié)石體的30%～50%，堵水效果優(yōu)于水泥漿。

(5) 改性粘土漿在常規(guī)注漿壓力(0.1～5 MPa)條件下，抗壓強度很高，足以抵抗地下水的壓力而不被破壞，而且有殘余抗壓強度，即使被破壞仍能抵抗一定的地下水壓力(見圖1、圖2)。

圖1 注漿壓力為0.91 MPa下漿液結(jié)石體強度

(6) 抗沖刷能力強。粘土中的高嶺土微晶有不穩(wěn)定且可移動的晶格，能在表面吸附大量水份，使自身體積膨脹，所以其抵抗地下水稀釋、沖刷的能力強，在動水注漿時優(yōu)于水泥漿。

(7) 抗侵蝕能力強。粘土礦物具有良好的化學(xué)惰性，故改性粘土漿結(jié)石體具有抗侵蝕能力強。

(8) 結(jié)石率高。改性粘土漿析水少，結(jié)石率98%～100%，可減少重注次數(shù)，縮短注漿工期。

圖2 注漿壓力為0.25 MPa時的漿液結(jié)石體強度

3 改性粘土漿的組份及材料要求

3.1 粘 土

改性粘土漿的主要成分是粘土，它一般占漿液干料的50%～86%,。粘土分布廣，生成條件多樣，因此種類繁多。根據(jù)長沙礦山研究院及水電、煤炭系統(tǒng)注漿界的經(jīng)驗，適用于制成改性粘土漿的粘土應(yīng)達到如下要求：

(1) 成分具有足夠的活性；

(2) 塑性指數(shù)大于 15；

(3) 粘粒(粒徑小于0.005 mm)含量不小于40%～50%；

(4) 粉粒(粒徑0.005～0.05 mm)含量一般不多于45%～50%；

(5) 含砂量(0.05～0.25 mm)不大于5%；

(6) 有機物含量不宜大于3%。

使用時一般堅持就地取材的原則，但使用前應(yīng)選取不同區(qū)段的多個土樣進行物理、化學(xué)成分分析比較，挑選活性成分含量和粘粒含量高、含砂量低的粘土。

一般采用X射線衍射分析粘土的粒度分配，用化學(xué)分析法測試其化學(xué)成分和礦物成分，用液限塑限聯(lián)合測定法測試其塑限、液限、塑性指數(shù)。

3.2 結(jié)構(gòu)劑

改性粘土漿使用的結(jié)構(gòu)劑是一種常見的建材，占干料的16%～50%，其水化生成物在漿液中起結(jié)構(gòu)成型作用。強度等級要求P.O 32.5級以上。

3.3 促進劑

改性粘土漿所用的促進劑是一種常用的無機鹽水溶液，起加速漿液凝固，提高漿液結(jié)石體早期強度作用。一般占漿液體積的1%～3%，一般要求模數(shù)n=3.2及以上，婆美度42°Be′及以上。

3.4 分散介質(zhì)

改性粘土漿的分散介質(zhì)一般為工業(yè)用水，占漿液體積的50%～85%。

4 結(jié) 論

通過理論分析、室內(nèi)外試驗和實際運用驗證，改性粘土漿的漿液性能(可注性、穩(wěn)定性、抗?jié)B性、抗侵蝕性、耐久性)均很好，結(jié)石率100%，塑性強度高、常規(guī)(0.1～5 MPa)注漿壓力下抗壓強度也很高，施工取芯證明粘土摻量75%的漿液結(jié)石體28 d穩(wěn)定抗壓強度接近4 MPa，粘土摻量50%的28 d穩(wěn)定抗壓強度達18.5 MPa，而且可就地取材，漿液成本低。在巖溶大水帷幕截流注漿工程中的應(yīng)用證明，改性粘土漿是很好的注漿材料，大大優(yōu)于其他漿液，可完全替代水泥漿液。

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