水泥-黃土注漿材料工程可行性研究

吳天軍

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 概述

我國是一個礦產資源大國，隨著資源的不斷開采，采空區面積不斷增大，而高速公路的不斷發展將不可避免地要穿越采空區。采空區的存在對公路穩定性、安全性造成了極大的隱患。常采用的處治手段為全填充壓力注漿法，注漿材料為水泥-粉煤灰，但隨著環保力度的不斷加大，粉煤灰的產量也不斷減少，因此造成的施工成本壓力也不斷加大，因此急需一種新材料來代替水泥-粉煤灰漿液來大面積推廣。

黃土作為一種分布較廣的材料已經被多人進行了室內試驗研究，并取得了不錯的研究成果。谷天峰[1]等人通過對不同地區黃土開展水泥-黃土漿液性能的試驗認為黃土的地域分異造成水泥-黃土漿液的性質差異較大，黃土的粒徑越粗結石體的強度越高。張亞民[2]等通過室內試驗研究認為水玻璃對黃土-水泥漿液的比重、結石率、凝膠時間、黏度、強度和滲透性等都有較大影響。上述所有的研究都是對材料性能及變化規律進行研究，但未對材料的工程可行性進行分析，分析水泥-黃土漿液能否滿足現行標準、規范的要求，能否滿足經濟性的要求，如果材料性能能夠滿足規范要求但會造成施工成本過高，那么其應用廣泛性將受到極大的限制，因此，對水泥-黃土漿液的黏度、結石率、強度及經濟性進行評價就顯得極為重要。

2 研究目的和原則

2.1 研究目的

因地制宜利用當地優勢資源，減少對粉煤灰的過度依賴。在強度和質量滿足要求的基礎上用水泥黏性土稠漿替代部分水泥粉煤灰漿，有效降低工程造價。

2.2 研究原則

安全適用、技術先進、經濟合理、質量可靠、節能環保[3]。

3 注漿材料性能研究

3.1 原材料

a）黃土 取自山西柳林，對其進行烘干、搗碎處理，其物理性質指標為：液限26.8，塑限17.4，塑性指數10.2，土質分類為粉土。

b）水泥 試驗所用水泥為山西柳林青龍水泥廠生產的標號為32.5R的普通硅酸鹽水泥。

3.2 試驗方案

漿液性能試驗包括漿液的性能及結石體的性能。

3.2.1 漿液性能試驗

主要包括黏度、凝結時間、結石率。漿液黏度采用泥漿黏度計進行測量。結石率采用量筒測定漿液固結后結石的體積與漿液體積的比率。漿液的凝結時間測定方法是將漿液裝入銅環內，利用維卡儀測定初凝和終凝時間。

結石體的性能試驗按照建筑規范將漿液制成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方體試塊，進行結石體單軸抗壓強度試驗。

3.2.2 試驗分組

水泥-黃土漿液中水與固體的比值(以下簡稱水固比)分別為 1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6、1∶1.8。

水泥占固體的質量（以下簡稱水泥摻量）分別為20%、30%、40%。結石體單軸強度分別采用7 d和28 d齡期。

綜上所述，對柳林地區離石黃土-水泥漿液進行了綜合性能試驗，試驗結果如表1。

表1 黃土-水泥漿液試驗成果表

3.3 漿液及結石體性能分析

根據不同水固比、不同水泥摻量組合情況下漿液的黏度、結石率及結石體抗壓強度等，分析水泥-黃土注漿材料的性能。

3.3.1 黏度

圖1 水泥-黃土漿液黏度

通過圖1可知，不同水泥摻量、相同水固比情況下漿液黏度值變化不大，整體隨著水固比的減小而逐漸增大，因此可以判斷漿液的黏度主要受水固的影響，與水泥摻量關系不大。

3.3.2 結石率

通過圖2可知，在水泥摻量不變的情況下，漿液結石率隨著水固比的減小逐漸增大；在水固比不變的情況下結石率隨著水泥摻量的增加而降低，且隨著水固比的減小結石率受水泥摻量的影響由小變大然后再變小。不同水泥摻量及水固比情況下，漿液結石率變化范圍為73.0%～93.5%。

圖2 水泥-黃土漿液結石率

3.3.3 抗壓強度

圖3 結石體7 d抗壓強度

通過圖3可知，結石體7 d抗壓強度在水泥摻量不變的條件下，隨著水固比的減小而小幅增加，例如水泥摻量為20%時，強度僅從0.47 MPa上升至0.66 MPa；而在水固比不變的條件下水泥摻量的變化對結石體7 d抗壓強度影響較大，例如水固比為1∶1.2時，強度從0.47 MPa上升至2.59 MPa。

圖4 結石體28 d抗壓強度

通過圖4可知，結石體28 d抗壓強度變化規律與結石體7 d抗壓強度變化規律基本一致，但其抗壓強度更大，水泥摻量為20%時，抗壓強度為1.51～1.99 MPa，滿足《采空區公路設計與施工技術細則》對公路路基下伏采空區注漿結石體單軸抗壓強度不小于0.6 MPa的要求；水泥摻量為30%、40%時，抗壓強度為2.82～7.88 MPa，滿足《采空區公路設計與施工技術細則》對公路橋梁、隧道下伏采空區注漿結石體單軸抗壓強度不小于2.0 MPa的要求。

4 經濟評價

經濟性是判斷注漿方法是否合理的一種重要參數，如果新型注漿材料在施工工程中成本過高，即使強度、黏度等參數符合注漿要求，但也很難在工程實踐中大規模應用。因此，經濟評價就變得十分必要。

根據市場行情，32.5R普通硅酸鹽水泥按350元/t考慮，粉煤灰按60元/t考慮，黃土按20元/t考慮，分析不同水泥摻量下，水泥-黃土漿液與水泥-粉煤灰漿液之間的價格差異。具體如表2所示。

表2 水泥-黃土與水泥-粉煤灰漿液經濟指標對比

從表2可以看出，水泥黃土與水泥粉煤灰相比不同配合比單方節約101.1～107.1元不等，總體考慮，水泥-黃土材料成本為水泥-粉煤灰材料成本的60.0%～73.6%。改變注漿材料可節約注漿材料費約為26.4%～40%。采用水泥-黃土作為注漿材料技術可行，經濟節約。

5 結論及建議

通過對水泥-黃土物理力學指標及經濟性分析可知：水泥-黃土注漿材料的物理力學指標能夠滿足現行規范及細則的要求，且其與水泥-粉煤灰漿液相比，經濟性更高，可節約注漿材料費約為26.4%～40%，但注漿材料的改變需要對施工工藝進行一定的調整，因此灌注充填加固前應進行現場灌注試驗，進一步確定設計參數、處治效果、施工工法和施工設備。