速凝水泥基注漿材料及其耐腐蝕性

馬召林 陽勇福 焦雷 王玉江

1中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)研究院（471009）2洛陽理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院（471023）3河南省特種防護(hù)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（471023）

速凝水泥基注漿材料及其耐腐蝕性

馬召林1陽勇福2,3焦雷1王玉江2,3

1中鐵隧道勘測設(shè)計(jì)研究院（471009）2洛陽理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院（471023）3河南省特種防護(hù)材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（471023）

廈門本島至翔安海底隧道采用普通水泥單液漿加固圍巖。為提高圍巖的抗?jié)B性能，改善耐海水腐蝕性能，采用普通水泥漿液摻加無堿外加劑的形式制備耐腐蝕速凝注漿材料。試驗(yàn)結(jié)果表明，在水灰比0.65～1.0范圍內(nèi)，調(diào)整漿液配合比，漿液流動度可達(dá)到230～270 mm，初凝時(shí)間小于2 h，具有良好施工性能；注漿材料結(jié)石體早期強(qiáng)度發(fā)展快，后期強(qiáng)度高且無倒縮現(xiàn)象。注漿材料具有微膨脹特性，內(nèi)部孔徑細(xì)化，具有良好的抗?jié)B性能，抗?jié)B等級大于P8，滿足工程抗?jié)B需求，具有良好的耐海水腐蝕性能。

水泥基注漿材料；速凝；抗?jié)B性能；耐海水腐蝕性；流動度

福建廈門本島至翔安過海通道是我國大陸地區(qū)第一座海底隧道，也是當(dāng)今世界最大斷面的鉆爆法海底隧道。二襯支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命為100年，為保證支護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土良好的耐久性能，采用水泥基注漿材料加固圍巖，要求混凝土外圍圍巖注漿材料結(jié)石體在具有良好的抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，還要求水泥基注漿材料具有良好的抗?jié)B性能，阻止或延緩地下水向支護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透，起到第一層保護(hù)作用。水泥基注漿材料可分為普通水泥單液漿和普通水泥-水玻璃雙液漿[1]。普通水泥單液漿材料來源豐富，價(jià)格低廉，但其膠凝時(shí)間不易調(diào)節(jié)，存在強(qiáng)度低、收縮大等現(xiàn)象，易出現(xiàn)裂縫而成為滲漏通道；普通水泥-水玻璃雙液漿具有膠凝時(shí)間可控等優(yōu)點(diǎn)，但膠結(jié)體后期強(qiáng)度低，耐久性差，受水長期浸泡容易分解，不適合長期堵水和加固圍巖[2-3]。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），水泥比表面積為360 m2/kg。采用無堿速凝劑（Setting Accelerator，SA）調(diào)節(jié)漿液凝結(jié)時(shí)間，速凝劑為液體，固含量23%，pH值約為2。采用聚丙烯酰胺（PAM）改善漿液結(jié)石體孔結(jié)構(gòu)，其分子量約為500萬，配制成1%的水溶液備用。采用聚羧酸減水劑（PCE）改善漿液流動性，其固含量約為40%。

1.2 試驗(yàn)方法

以P·O42.5水泥為基材,研制高抗?jié)B注漿材料，進(jìn)行相關(guān)物理性能的檢測。

1.2.1 凝結(jié)時(shí)間與流動度

稱取500 g水泥,按設(shè)定水灰比量取拌合水，并將無堿速凝劑、減水劑及聚丙烯酰胺均溶于拌合水中，用水泥凈漿攪拌機(jī)快速攪拌漿體60 s，然后分別測定注漿液的凝結(jié)時(shí)間和流動度。注漿材料的凝結(jié)時(shí)間參照GB/T 1346《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測定，流動度參照GB/T 8077《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗(yàn)方法》中的“水泥凈漿流動度”進(jìn)行檢測。

1.2.2 強(qiáng)度

強(qiáng)度測試試件分為兩類：一類為空白樣，即水泥、水及保水劑配制的漿液結(jié)石體。為防止空白樣水泥漿體泌水，攪拌凈漿時(shí)摻入適量保水劑，以保證試塊體積完整性。另一類為注漿材料，即水泥、水及外加劑（無堿速凝劑、聚羧酸減水劑和聚丙烯酰胺）配制的漿液結(jié)石體。將漿液成型為40 mm×40 mm× 160 mm的試塊，硬化后拆模，并測算漿液的結(jié)石率（結(jié)石體體積與漿液體積之比）。拆模后的試塊首先放在20±2℃的淡水中養(yǎng)護(hù)，28 d后取出一組（3個試塊）置于廈門海域海水（人工海水）中養(yǎng)護(hù)。參照GB/T 17671《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》分別測定試塊不同齡期的強(qiáng)度,每個齡期一組3個試塊，取其平均值。

1.2.3 抗?jié)B性

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的“抗水滲透試驗(yàn)”方法成型漿體試塊，每組6個試塊。脫模后試塊在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)（溫度20±1℃，相對濕度RH≥90%）養(yǎng)護(hù)28 d，然后進(jìn)行抗水滲透試驗(yàn)。采用逐級加壓法加壓至0.9 MPa（設(shè)計(jì)抗?jié)B等級≥P8）來測試試塊的抗?jié)B性能,并將端面未出現(xiàn)滲水情況的試塊劈裂，進(jìn)行滲水高度測量。

1.2.4 膨脹特性

將漿液成型為40 mm×40 mm×160 mm的試塊，試塊兩端固定有釘頭。試件在（20±1）℃、相對濕度RH≥90%的環(huán)境養(yǎng)護(hù)，空白樣2 d后拆模，注漿材料1 d后拆模，分別測定基準(zhǔn)長度，然后試塊置于人工海水中養(yǎng)護(hù)，在規(guī)定齡期測定棱柱體的變形量。試塊變形量測定時(shí)環(huán)境溫度保持穩(wěn)定（20±1℃），每組共3個試塊，計(jì)算結(jié)果取平均值。試件各齡期的線膨脹率計(jì)算公式如下。

式中：εt為試件在t天齡期的膨脹率，%；Lt為試件在t天齡期的長度，mm；L0為試件的基準(zhǔn)長度，mm；L為試件的有效長度，棱柱體試件的有效長度為150 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 外加劑的優(yōu)化選擇

為了加快凝結(jié)速度，在注漿材料中加入無堿速凝劑，同時(shí)，為保證漿液的可注性，加入減水劑以提高漿液流動度。試驗(yàn)以凝結(jié)時(shí)間和漿液流動度為考察指標(biāo)，根據(jù)表1所示試驗(yàn)方案開展了大量試驗(yàn)工作，對外加劑進(jìn)行優(yōu)化選擇。

表1 外加劑優(yōu)化選擇試驗(yàn)方案

在水灰比0.5～1.0范圍內(nèi),速凝劑的摻入對漿液流動度的影響非常大。隨著速凝劑摻量的增加，漿液流動度大幅降低，凝結(jié)時(shí)間縮短。減水劑的摻入可有效增大漿液的流動度，但凝結(jié)時(shí)間延長。根據(jù)不同配比下漿液的流動度和凝結(jié)時(shí)間，得到最終優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表2 優(yōu)化選擇的注漿材料的工作性能

試驗(yàn)選擇3個注漿常用水灰比，漿液流動性良好，可保證漿液的可注性。同時(shí)，漿液的初凝時(shí)間小于2 h，終凝時(shí)間小于3 h，可滿足不同部位工程施工需求。

2.2 注漿材料的性能

試驗(yàn)中選用了3個水灰比配制漿液，水灰比分別為0.65、0.8和1.0。空白樣中摻入適量保水劑以保證試塊具有較高的結(jié)石率，注漿液摻入外加劑。

1）結(jié)石率

漿液結(jié)石率將影響注漿填充效果。空白樣分為兩組，一組摻有一定量的保水劑，保證漿液結(jié)石體體積的完整性，用于結(jié)石率及強(qiáng)度檢測；一組不摻保水劑，僅檢測漿液結(jié)石率。

隨著水灰比增大，空白樣漿液越容易出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，漿液結(jié)石率下降。注漿材料具有良好的結(jié)石率，即使水灰比為1.0時(shí)，漿液結(jié)石率也在99%以上。結(jié)石率高，漿液穩(wěn)定性好，則有利于改善填充效果，減少外來有害物質(zhì)的滲透，提高抗?jié)B性能。

2）抗壓強(qiáng)度

水灰比增大，結(jié)石體的強(qiáng)度降低，而隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，空白樣結(jié)石體與注漿材料結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度均不斷增長，且在同水灰比條件下，注漿材料的抗壓強(qiáng)度高于空白樣。外加劑的摻入對注漿材料結(jié)石體早期強(qiáng)度的提高非常明顯：空白樣在1 d時(shí)尚不能拆模，強(qiáng)度非常低；而摻有外加劑的注漿材料Z0.65、Z0.8和Z1.0結(jié)石體的1 d抗壓強(qiáng)度分別為7.8 MPa、4.7 MPa和2.3 MPa。Z0.65、Z0.8和Z1.0結(jié)石體28 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到23.5 MPa、15.9 MPa和9.7 MPa，相比于同水灰比的空白樣結(jié)石體，28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度分別增長24.3%、8.9%和61.7%。后期（28～90 d）結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的增長緩慢，基本保持穩(wěn)定。區(qū)別于淡水養(yǎng)護(hù)條件下結(jié)石體的強(qiáng)度發(fā)展趨勢，后期（28～90 d）海水養(yǎng)護(hù)條件下結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度均有較大增長。90 d時(shí)，海水養(yǎng)護(hù)注漿材料Z0.65、Z0.8和Z1.0結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度分別為29.9 MPa、21.0 MPa和12.3 MPa，相比于淡水養(yǎng)護(hù)90 d時(shí)同水灰比結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度分別增大6.0 MPa、5.0 MPa和2.0 MPa。

3）抗?jié)B性

參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的“抗水滲透試驗(yàn)”方法成型頂面直徑175 mm、底面直徑185 mm、高度150 mm的漿體試塊，每組6個試塊，進(jìn)行抗水滲透試驗(yàn)。

水灰比對試件的抗水滲透性能影響較大。隨著水灰比增大，試塊平均滲水高度增大，端面滲水試塊個數(shù)變多。注漿材料的抗?jié)B性能優(yōu)于同水灰比的空白樣。空白樣C0.8在水壓0.9 MPa下已有2個試塊端面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，4個端面未滲水試塊的平均滲水高度達(dá)到了143.9 mm，抗?jié)B等級為P8；空白樣C1.0的6個試塊端面均已滲水，抗?jié)B等級低于P8。而對于注漿材料試塊而言，即使是水灰比達(dá)到1的Z1.0試塊，其抗?jié)B等級也高于P8。

注漿材料抗?jié)B性能的提高與其氣孔結(jié)構(gòu)的改善有關(guān)。對淡水養(yǎng)護(hù)28 d的試塊根據(jù)阿基米德原理采用靜力稱重法測定，計(jì)算其體積、密度、氣孔率及吸水率[5]。

4）體積穩(wěn)定性

體積穩(wěn)定性是評價(jià)注漿材料耐久性的一個重要指標(biāo)。通過測定海水養(yǎng)護(hù)條件下不同齡期的漿液結(jié)石體的體積變形，來評價(jià)注漿材料的耐久性。如果漿液結(jié)石體在海水長期浸泡下，體積產(chǎn)生較大收縮,很可能會在巖體裂隙中產(chǎn)生新的滲水通道，堵水效果下降；如果漿液結(jié)石體在海水長期浸泡下體積產(chǎn)生過大膨脹,則漿液結(jié)石體內(nèi)部形成膨脹性產(chǎn)物，也可能導(dǎo)致開裂產(chǎn)生滲水通道。海水養(yǎng)護(hù)下空白樣結(jié)石體及注漿材料結(jié)石體的膨脹率如圖1所示。

圖1 海水養(yǎng)護(hù)下結(jié)石體的膨脹率

結(jié)石體在早期快速膨脹，且注漿材料的膨脹率大于同水灰比的空白樣。空白樣的早期膨脹可能是由于結(jié)石體的濕脹所致，而注漿材料的膨脹除了濕脹外，還有結(jié)石體內(nèi)形成鈣礬石引起的膨脹。在后期，空白樣體積不斷收縮，而注漿材料體積基本保持穩(wěn)定，具有微膨脹特性。注漿材料結(jié)石體的微膨脹有利于地層孔洞空間的密實(shí)填充,提高其抗?jié)B性。

在沿海地表區(qū)域，受到海水浸漬和溯河倒灌作用，在蒸發(fā)作用下，土壤表層含鹽量超過鹽漬淤泥，地下水礦化度也因蒸發(fā)濃縮而增高。注漿漿液結(jié)石體在海水中受到侵蝕的主要離子為Mg2+，為了加速結(jié)石體的破壞過程，將在淡水中養(yǎng)護(hù)28 d的結(jié)石體試塊浸泡在MgSO4飽和溶液中，觀察其體積變形，結(jié)果如圖2所示。

圖2 飽和MgSO4溶液養(yǎng)護(hù)下結(jié)石體的變形

從圖2可以看出，MgSO4飽和溶液養(yǎng)護(hù)時(shí),注漿材料結(jié)石體與空白樣結(jié)石體在早期均有一定程度的收縮，但注漿材料的收縮程度更大。在后期，試塊均表現(xiàn)出快速膨脹：高水灰比結(jié)石體的膨脹速率大，而同水灰比條件下空白樣結(jié)石體的膨脹速率較大。MgSO4飽和溶液與海水相比，Mg2+的濃度大大提高，加速了試塊的侵蝕，前面孔隙率檢測結(jié)果顯示雖然注漿材料結(jié)石體的孔隙率較大，但其連通孔較空白樣結(jié)石體少，內(nèi)部孔徑細(xì)化，抗?jié)B性良好，Mg2+不容易滲透進(jìn)入結(jié)石體內(nèi)部發(fā)生侵蝕反應(yīng)，因而其耐久性得到改善。

3 結(jié)論

1）注漿液的流動性與凝結(jié)速度呈矛盾關(guān)系。工程注漿時(shí),在水灰比0.65～1.0范圍內(nèi)，根據(jù)施工面層情況調(diào)整漿液配合比，注漿液流動性良好，初凝時(shí)間小于2 h，終凝時(shí)間小于3 h，可滿足不同部位工程施工需求。2）無堿速凝劑與水泥漿液快速反應(yīng)生成鈣礬石，降低體系自由水量，促進(jìn)水泥水化硬化。因此，注漿材料漿液結(jié)石率高，早期強(qiáng)度快速增長，后期強(qiáng)度穩(wěn)定。3）注漿材料氣孔孔徑減小、封閉孔的形成及結(jié)石體的微膨脹特性有利于注漿材料抗?jié)B性能的提高,從而改善注漿材料耐海水腐蝕性能。

[1]劉文永.注漿材料與施工工藝[M].北京：中國建材工業(yè)出版社,2008.

[2]楊建康,陸海軍,李繼祥,等.水泥-水玻璃雙液注漿材料工程性能及孔隙結(jié)構(gòu)[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2016,56(3)： 252-256.

[3]豆海軍.復(fù)合水泥基-水玻璃雙液注漿材料性能及微觀特性研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)（北京）,2014.

[4]沈威.水泥工藝學(xué)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社,2005.

[5]李方文,吳建鋒,徐曉虹,等.成型壓力對基體體積密度、吸水率和顯氣孔率影響的探討[J].中國陶瓷,2007,(4)：25-27.