鋁粉水泥漿在黃土路基沉陷注漿處治工程中的應(yīng)用

李明

(山西交通控股集團(tuán)有限公司 臨汾南高速公路分公司，山西 臨汾 041000)

黃土地區(qū)高速公路路基水毀病害發(fā)生時，會在路基內(nèi)部形成大面積空腔或濕軟結(jié)構(gòu)層，進(jìn)而造成路面結(jié)構(gòu)開裂和沉陷，并嚴(yán)重影響公路行車安全，治理此類病害，當(dāng)以填充路基內(nèi)部空腔、提高濕軟土層承載力為原則。目前，注漿法由于具有環(huán)保、施工速度快、對交通影響小等特點(diǎn)，在公路路基采空區(qū)治理和沉陷病害處治工程中得到廣泛應(yīng)用。然而在處治黃土路基病害過程中，由于普通水泥漿在固化過程中會發(fā)生收縮和泌水，可能對會黃土路基造成二次破壞。因此，在注漿法設(shè)計(jì)過程中應(yīng)當(dāng)選定適當(dāng)?shù)乃冶纫韵谒?，摻加適量的膨脹劑以抵消收縮，適當(dāng)提高注漿壓力以保證漿液擴(kuò)散范圍。

當(dāng)前，注漿材料是注漿技術(shù)研究的熱點(diǎn)問題之一。如楊秀竹等應(yīng)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法對黏土固化漿液黏土漿、水泥、水玻璃及固化劑的配比進(jìn)行了優(yōu)化，得到了最佳配比，并將其應(yīng)用于洛湛鐵路益婁段巖溶路基的注漿加固；張旭東通過工程實(shí)例詳細(xì)介紹了水泥漿、水泥-水玻璃漿液以及超細(xì)水泥漿液3種漿液的工程適應(yīng)性，并對3種漿液的注漿效果進(jìn)行評價(jià)；周圣在分析鍋爐脫硫灰物理化學(xué)性能的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了脫硫灰對注漿材料的影響并進(jìn)行了回歸分析?？梢钥闯觯褐袊鴮W(xué)者針對傳統(tǒng)注漿材料的不足開展了大量研究工作，并取得了豐富的研究成果，目前在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中常用混凝土微膨脹劑或壓漿劑來抑制水泥漿在預(yù)應(yīng)力筋孔道中的固化收縮，但由于其價(jià)格昂貴，且摻量較大，完全不適用于路基注漿加固工程中的大量使用，而鋁作為活潑的兩性金屬，能夠與酸、堿反應(yīng)放出氫氣，因此常被用作混凝土中的引氣劑，在水泥漿液中摻入一定的鋁粉可以起到補(bǔ)償收縮或微膨脹的作用，且其單價(jià)低，摻量少，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。但水泥漿液的泌水率、膨脹率和試件抗壓強(qiáng)度等工程特性對鋁粉摻量很敏感，設(shè)計(jì)摻量控制需要非常精確，稍過量就會引起膨脹率過大導(dǎo)致的路面隆起、可注性降低和強(qiáng)度不足影響注漿處治效果等諸多問題。

該文依托山西吉(縣)河(津)高速公路路基沉陷注漿處治工程，通過室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)研究水泥漿液中摻入鋁粉作為外加劑對其泌水率、膨脹率和試件抗壓強(qiáng)度等工程性能的影響，并經(jīng)過工程驗(yàn)證一些規(guī)律性認(rèn)識，以便對黃土路基采空區(qū)和沉陷病害處治提供指導(dǎo)。

1 鋁粉膨脹劑的作用機(jī)理

鋁粉在堿性介質(zhì)中能與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并生成氣體氫，水泥漿液具有弱堿性，故鋁粉可在水泥漿中作為引氣劑使用，生成的微小氫氣泡可抵消水泥漿的干縮。

但隨著鋁粉摻量的增加，水泥漿中氣泡增多會使其密實(shí)性下降，以及鋁酸鹽的轉(zhuǎn)晶反應(yīng)都會導(dǎo)致水泥漿強(qiáng)度的降低。因此，準(zhǔn)確控制鋁粉摻量就成為配置微膨脹水泥漿的研究重點(diǎn)。

2 試驗(yàn)材料及方案

2.1 試驗(yàn)材料

此次試驗(yàn)使用32.5級普通硅酸鹽水泥，其產(chǎn)品質(zhì)量符合國家檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。鋁粉中活性金屬含量達(dá)到90%以上，細(xì)度為20～40 μm。試驗(yàn)中所用土樣均為吉河高速公路現(xiàn)場采取的黃土路基填料，并經(jīng)過篩烘處理。

2.2 試驗(yàn)方案

該文主要研究不同水灰比條件下鋁粉摻量對水泥漿泌水率、膨脹率和試件抗壓強(qiáng)度等工程性能的影響，試驗(yàn)按照J(rèn)TG E30-2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中的要求測定放置3、24 h的水泥漿膨脹率和泌水率，以及在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)3、7 d的試件抗壓強(qiáng)度。同時，為驗(yàn)證注漿效果，并探討通過在水泥漿中摻入黃土以節(jié)約注漿材料的可行性，該文增加了一組水泥漿中摻入黃土對其工程性能的影響分析試驗(yàn)。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)方案參數(shù)

2.3 試驗(yàn)測試

用天平稱取定量的鋁粉在自來水中攪拌均勻，將稱取好的水泥倒入攪拌桶中一邊攪拌一邊均勻加水，達(dá)到規(guī)定的水灰比后用電動恒速攪拌機(jī)均勻攪拌3 min，即配成水泥漿液。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 鋁粉摻量對水泥漿泌水率的影響

圖1為不同水灰比及養(yǎng)護(hù)時間條件下，鋁粉摻量對水泥漿泌水率影響的變化曲線。

從圖1可以看出：隨著鋁粉摻量的增加，水泥漿泌水率顯著減小。以水灰比為0.5、養(yǎng)護(hù)時間為3 h的工況為例，當(dāng)鋁粉摻量達(dá)到5‰時，水泥漿泌水率基本為0，其原因在于鋁粉能夠加快水泥漿硬化反應(yīng)，使其在較短時間內(nèi)將水泥漿中多余水分吸收，也就是說，鋁粉的摻入能夠有效改善水泥漿的泌水率，從而避免水分浸入黃土地基造成土質(zhì)進(jìn)一步劣化，這對水敏性較強(qiáng)的黃土地基處治工程具有重要意義。同時，對比水泥漿3 h和24 h的泌水率變化情況可以看出：在水灰比較小的情況下水泥漿中含有較少的水分，且會在硬化反應(yīng)過程中持續(xù)被吸收，故泌水率變化差值較大。

圖1 鋁粉摻量對水泥漿泌水率的影響

3.2 鋁粉摻量對水泥漿膨脹率的影響

圖2為鋁粉摻量對水泥漿膨脹率的影響。

圖2 鋁粉摻量對水泥漿膨脹率的影響

從圖2可以看出：由于試驗(yàn)采用的是水泥凈漿，不加鋁粉時水泥漿凝結(jié)時會發(fā)生明顯收縮，且水灰比越大收縮越明顯；隨著鋁粉摻量的增加水泥漿收縮逐漸減小，當(dāng)摻量達(dá)到3‰時水泥漿凝結(jié)后會達(dá)到3%左右的膨脹率，同時硬化體體積在3 h后不再隨時間變化，說明在水泥漿中摻入鋁粉還可起到縮短凝結(jié)時間的作用。

3.3 鋁粉摻量對水泥漿強(qiáng)度的影響

圖3為鋁粉摻量對水灰比0.5的水泥漿試件抗壓強(qiáng)度的影響。

從圖3可以看出：水泥漿試件抗壓強(qiáng)度隨著鋁粉摻量的增加而減小，特別是在鋁粉摻量較小的情況下降幅最為明顯，試件3、7 d抗壓強(qiáng)度由不摻鋁粉時的20.2、29.1 MPa減小到鋁粉摻量為1‰時的10.9、19.75 MPa，降幅分別達(dá)到46%和30%，但其后再增加鋁粉摻量對水泥漿試件抗壓強(qiáng)度影響則逐漸減小。該試驗(yàn)結(jié)果說明，鋁粉摻量對水泥漿試件抗壓強(qiáng)度的影響極為顯著，在對強(qiáng)度有控制要求的工程中應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

圖3 鋁粉摻量對水泥漿強(qiáng)度的影響(水灰比0.5)

3.4 摻入黃土對水泥漿工程特性的影響

圖4為水灰比為0.5、養(yǎng)護(hù)時間為24 h條件下，黃土摻量對水泥漿泌水率及膨脹率的影響曲線。

圖4 黃土摻量對水泥漿膨脹率和泌水率的影響

由圖4可知：① 在未摻鋁粉的情況下，水泥漿24 h泌水率隨黃土摻量的增加而降低，當(dāng)黃土摻量達(dá)到水泥質(zhì)量的20%時，水泥漿試樣便不再發(fā)生泌水；而在摻入鋁粉的情況下，試樣則始終不發(fā)生泌水；② 摻入黃土對水泥漿凝結(jié)收縮能夠起到一定的抑制作用，而在摻入鋁粉的情況下，水泥漿試件膨脹率則會隨黃土摻量的增加而略微增加。

圖5為水灰比0.5條件下，黃土摻量對水泥漿抗壓強(qiáng)度的影響曲線。

圖5 黃土摻量對水泥漿抗壓強(qiáng)度的影響

從圖5可以看出：隨著黃土摻量的增加，水泥漿固化體試件的抗壓強(qiáng)度顯著降低。分析其原因可能是：摻入黃土?xí)构袒w試件中微裂縫和孔隙等缺陷增多，并對材料的強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生較大影響。

4 工程應(yīng)用及加固效果

山西省吉縣至河津高速公路某路段在路面施工完成后，暴雨導(dǎo)致黃土路基出現(xiàn)沉陷。該段路基為半填半挖段，在填方一側(cè)第二級平臺處發(fā)現(xiàn)直徑約70 cm的水流孔洞。通過地質(zhì)雷達(dá)檢測和鉆探、孔內(nèi)攝影等勘測手段，發(fā)現(xiàn)該路段黃土路基10 m深度范圍內(nèi)土體含水率較大，部分區(qū)域存在大范圍空洞。后經(jīng)現(xiàn)場踏勘論證，決定先全面排查并回填路塹邊坡上的落水洞，阻斷病害水源，然后采用壓力注漿法對路基沉陷進(jìn)行處治，即通過施加較大的注漿壓力，使其克服路基土體的初始應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度，在土體原有裂隙或孔隙張開的基礎(chǔ)上形成新的裂隙或孔隙，增大漿液擴(kuò)散范圍，從而達(dá)到填充空洞、封閉水流侵蝕通道和加固地基的目的。

4.1 漿液配合比

此次注漿的目的主要是填充黃土路基中的空洞，斷絕水流侵蝕通道，使之在運(yùn)營期不發(fā)生過大變形和沉降。由于黃土路基受車輛荷載的影響范圍有限，因此對注漿后固化體的強(qiáng)度要求不高，為了避免水泥漿在凝結(jié)過程中泌出水分對原有黃土路基的破壞，以及凝結(jié)收縮造成的路基空洞填充不密實(shí)問題，通過水泥漿液配合比試驗(yàn)，并根據(jù)工程要求選定水泥漿水灰比為0.5，鋁粉摻量為3‰，其24 h泌水率為0，膨脹率為2.91%，固化體7 d抗壓強(qiáng)度為19.75 MPa，并通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定該配比條件下水泥漿液可注性良好，每小時注漿量可達(dá)3.5 m3，能夠滿足黃土路基注漿施工的技術(shù)要求。

4.2 注漿壓力

注漿壓力一般與地層的物理力學(xué)指標(biāo)有關(guān)，與注漿孔段位置、埋深、材料和工藝也有一定關(guān)系。注漿壓力大小決定漿液的有效擴(kuò)散半徑和充填、壓密效果，在較高壓力作用下，漿液克服地層土體的初始應(yīng)力，引起土體結(jié)構(gòu)的破壞和擾動，使地層出現(xiàn)新的裂縫和孔隙并將其填充、擠密，從而在土層中形成具有一定強(qiáng)度的完整漿脈骨架，并封閉水流侵蝕通道，但注漿壓力過大可能破壞路面基層結(jié)構(gòu)，造成路面拱起。因此，根據(jù)黃土路基病害實(shí)際情況，設(shè)計(jì)孔口壓力應(yīng)控制在5.0～7.0 MPa，當(dāng)封孔深度大于2.0 m時可以適當(dāng)提高注漿壓力。同時，在注漿過程中應(yīng)在路面設(shè)置水準(zhǔn)點(diǎn)，定時觀測路面高程變化，當(dāng)孔口注漿壓力達(dá)7.0 MPa或發(fā)現(xiàn)路面高程有明顯提升時即可結(jié)束注漿施工。

4.3 黃土路基注漿處治過程

此次路基沉陷處治工程對病害區(qū)域采用局部注漿加固的方法，共布設(shè)210個注漿孔，孔徑0.5 m，孔深8～10 m，間距2～3 m。注漿施工為期40 d，總注漿量721 m3，每延米注漿量0.37 m3，除個別注漿孔發(fā)生串孔、邊溝和邊坡冒漿現(xiàn)象外，其余注漿孔全部達(dá)到注漿壓力。但在現(xiàn)場注漿過程中發(fā)現(xiàn)，各個孔的實(shí)際注漿量分布極不均勻，有些孔的單孔注漿量可達(dá)10 m3以上，說明該路段黃土路基內(nèi)部確實(shí)存在較大范圍的暗穴、空洞，與勘測結(jié)果基本相符。

4.4 黃土路基注漿處治效果評價(jià)

由于該段黃土路基屬于形式較為特殊的半填半挖斷面，結(jié)合交通運(yùn)輸部“黃土地區(qū)公路工程長期性能觀測基地”項(xiàng)目建設(shè)，路基施工完成后在其頂部對稱布設(shè)了4只單點(diǎn)位移計(jì)用于監(jiān)測該路基斷面沉降變形情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 路基斷面沉降變化規(guī)律

從圖6可看出：在路面鋪裝完成后一段時間內(nèi)路基沉降基本穩(wěn)定，但在第55 d后該斷面路基沉降逐漸呈增大趨勢，且無穩(wěn)定跡象；230 d后，靠近挖方一側(cè)監(jiān)測點(diǎn)(623280)的最大沉降已達(dá)到50 mm，路面表層產(chǎn)生明顯沉陷。圖中顯示該段路基在注漿施工期間又產(chǎn)生5～7 mm的沉降，但其后逐漸趨于穩(wěn)定，路基沉降得到有效控制。

同時，為檢驗(yàn)注漿加固效果，在施工完成1個月后對該路段進(jìn)行了鉆孔取芯和物探法檢測，鉆孔發(fā)現(xiàn)路基中存在大量水泥固結(jié)體，而地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果對比顯示路基8.0 m深度范圍內(nèi)電磁波反射基本正常，缺陷區(qū)域明顯減小。

5 結(jié)論

針對黃土地區(qū)公路路基病害特征和采用注漿法處治黃土路基病害存在的問題，結(jié)合吉河高速公路黃土路基沉陷處治工程，通過漿液配合比試驗(yàn)和現(xiàn)場施工驗(yàn)證，對黃土路基壓力注漿關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了初步研究，得到以下結(jié)論：

(1)在水泥漿中摻入鋁粉可以顯著增加其膨脹率，而泌水率和抗壓強(qiáng)度則會相應(yīng)減小，并且這些工程性能受鋁粉摻量的影響較為敏感，在工程中應(yīng)通過水泥漿配比試驗(yàn)驗(yàn)證后謹(jǐn)慎使用。

(2)在水泥漿液中摻入一定量的黃土可有效抑制水泥漿的凝結(jié)收縮，而在摻入鋁粉的情況下，水泥漿膨脹率則會隨黃土摻量的增加而略微增大，同時摻入黃土還會使水泥漿固化體試件的抗壓強(qiáng)度顯著降低，有利于降低成本和減小路基處理后的區(qū)域強(qiáng)度差異。

(3)工程實(shí)踐表明：通過控制水泥漿液配合比和注漿壓力，在黃土路基沉陷段采用壓力注漿法可以達(dá)到空洞填充、土體擠密和封閉水流侵蝕通道的目的，在對場地有限制要求、工期緊的情況下，可以充分發(fā)揮采用壓力注漿法施工方便、快速和經(jīng)濟(jì)節(jié)約的特點(diǎn)。