提高巖溶地區水庫水泥灌漿材料性能的研究

劉魯強，李維孟，何保煜，陳建國

（1.廣西壯族自治區水利科學研究院 廣西水工程材料與結構重點實驗室，南寧 530023；2.廣西水利廳，南寧 530023）

0 引 言

巖溶區蘊藏著豐富的水利資源，在巖溶地區建設的水庫，大都存在不同程度的滲漏，滲漏能夠誘發嚴重工程事故，據統計，全國241座大型水庫發生的1000宗工程事故中，滲漏事故（包括管涌）有317宗，占事故總數的31.7%[1]。水庫滲漏嚴重影響工程效益的正常發揮，對工程安全造成極大危害。巖溶地區防滲處理技術中，水泥灌漿技術應用較為普遍，取得了有效的防滲效果。由于工程地質條件差異巨大，不同的灌漿工程具有不同的技術要求，在巖溶區水庫灌漿的施工工藝方面，廣西通過大量工程實踐已總結出一些有效的經驗，如引濾反堵灌漿法、平壓過濾反堵灌漿法和通道追源灌漿法的施工方法，以及“反堵減壓，摻料沖填濃漿成幕、高壓補強”的工藝流程[2]，但在新型灌漿材料方面的研究與應用還比較欠缺[3]。

巖溶水庫堵漏一般都采用純水泥灌漿，雖然這種材料具有結石強度高、造價低、灌漿工藝簡單等優點，但是水泥漿液也具有可灌性差、穩定性差、凝結時間長、硬化過程體積收縮、抵御水庫環境水侵蝕能力差等缺點。巖溶水庫水泥灌漿存在的主要問題有：漿液結石體凝結時間較長，集中滲漏流速較大，導致結石體凝固前被水稀釋沖走；結石體干縮性大，滲流通道封堵效果不佳；有的水庫水硬度小，水質軟，對水泥結石具有腐蝕性。這些問題僅僅使用純水泥灌漿材料是難以解決的。

本文針對廣西巖溶水庫滲漏水泥灌漿存在的問題，選擇一些適當的外加劑和摻合料，采用單摻或多摻技術，來改善水泥灌漿的可灌性和穩定性，提高漿體結石強度、抗滲性能及抗侵蝕性能，減小漿體結石干縮，進而提高水泥漿液結石體耐久性。

1 試驗方案

根據巖溶地區水庫水泥灌漿材料存在的問題，首先，研究能改善水泥漿液流動性和穩定性，提高水泥漿體結石強度、抗滲性能及抗巖溶水庫環境水侵蝕能力、減小水泥漿液結石干縮率的新型帷幕灌漿材料；其次，對巖溶水庫滲漏通道比較集中、流速較大而通常采用水泥＋水玻璃快速堵漏灌漿材料存在的漿液結石體后期強度低、耐久性差等問題，研究能提高其后期強度和耐久性，漿液凝結時間可調范圍大、流動性好、適應廣的新型快速堵漏灌漿材料。

新型帷幕灌漿材料試驗研究分兩步進行。第一步，優選摻合料及外加劑的最佳摻量。新型帷幕灌漿材料選用的摻合料及外加劑為：粉煤灰、膨潤土、HEA膨脹劑、硅粉、FDN-3000高效減水劑，對用量較大的粉煤灰、膨潤土和HEA 膨脹劑進行摻合料及外加劑最佳摻量的優選，對用量較少的FDN-3000高效減水劑和硅粉，其摻量采用生產廠家推薦的摻量。第二步，保持摻合料及外加劑摻量不變，按單摻和多摻的不向組合進行摻合料及外加劑品種最佳組合優選試驗，通過對試驗結果分析，最終優選出能顯著提高水泥漿體結石強度、抗滲性能及抗巖溶水庫環境水侵蝕能力，干縮率小，能改善漿液可灌性和穩定性的新型帷幕灌漿材料。

新型快速堵漏灌漿材料試驗研究同樣分兩步進行。第一步，對選用的外加劑或摻合料（凝結時間調節劑、快凝劑、速凝劑、超早強劑、水下抗分散劑、水玻璃和S 型瞬凝水泥）進行初選，初選試驗采用水泥凈漿法，只須檢驗凝結時間、安定性和膠砂強度；第二步，根據初選試驗結果，選擇凝結時間較快、膠砂強度較高的外加劑進行漿液性能及漿液結石體物理力學性能試驗，通過綜合分析比較，最終優選出漿液凝結時間較快且可調范圍大、流動性大，漿液結石強度高的新型快速堵漏灌漿材料。

2 試驗結果及分析

2.1 新型帷幕灌漿材料試驗結果及分析

2.1.1 摻合料及外加劑摻量優選試驗結果

對粉煤灰、膨潤土和HEA膨脹劑摻量的優選采用正交設計法，每個因素各選3個水平（摻量）：粉煤灰（0、15%、30%）、膨潤土（0、5%、10%）、HEA膨脹劑（0、5%、10%），進行L9（34）正交試驗。試驗內容包括：①漿液性能（相對稠度、析水率、凝結時間和比重）；②漿液結石體力學性能（抗壓強度和滲透系數）。

試驗結果表明：①在保持相對稠度不變（以水灰比W/C=0.8 純水泥漿液的相對稠度為準）即可灌性相同的條件下，與純水泥漿液相比，對漿液凝結時間和水固比影響的主要因素是膨潤土的摻量，隨著摻量的增加，漿液水固比顯著增大，凝結時間延長；②對于漿液的析水率，膨潤土的摻量無顯著影響，雙摻粉煤灰和HEA 膨脹劑，漿液的析水率有所下降，即漿液的穩定性得到改善；③對于漿液結石體抗壓強度和滲透系數，隨著膨潤土摻量的增加，漿液結石體抗壓強度直線下降，滲透系數顯著增大；膨潤土摻5%時，與5%HEA 膨脹劑在雙摻的情況下，抗壓強度降低37%，滲透系數增加約10 倍。而摻HEA 膨脹劑，隨著摻量的增加，漿液結石體抗壓強度增加，滲透系數減小，HEA膨脹劑摻10%時，與30%粉煤灰雙摻的情況下，漿液結石抗壓強度提高18%，滲透系數減小約10倍；摻量達到80%左右，這種趨勢變緩。粉煤灰摻至30%與HEA 膨脹劑雙摻，對漿液結石體抗壓強度和滲透系數無顯著影響。

可見，膨潤土不宜摻用，粉煤灰適宜摻量為30%，HEA適宜摻量為8%。

2.1.2 摻合料及外加劑品種最佳組合優選試驗結果

根據摻合料及外加劑摻量優選試驗結果，粉煤灰摻量為30%，HEA膨脹劑摻量為8%，硅粉按廠家推薦摻量為8%，FDN-3000高效減水劑按廠家推薦摻量為0.5%，固定摻合料及外加劑摻量，按單摻或多摻共組成10個不同組合漿液配合比。即純水泥、水泥＋粉煤灰、水泥+粉煤灰+HEA 膨脹劑、水泥＋粉煤灰＋硅粉、水泥＋粉煤灰＋HEA膨脹劑＋硅粉及以上組合均摻FDN-3000高效減水劑。分別進行試驗：①漿液性能（相對稠度、析水率、凝結時間和比重）；②漿液結石體性能（抗壓強度、滲透系數、侵蝕深度、抗蝕系數和干縮率試驗）。其中評價漿液結石體抗侵蝕性能指標侵蝕深度和抗蝕系數采用10%NaHCO3溶液模擬巖溶水庫侵蝕性環境水浸泡試件進行測試。

試驗結果表明：①在漿液相對稠度即可灌性相同的條件下，與純水泥漿相比，單摻粉煤灰的組合即水泥＋粉煤灰（摻量30%），其漿液結石體的抗侵蝕性能顯著提高，其中90 d 齡期侵蝕深度減小16%、抗蝕系數提高9%，干縮率有所減小，但其漿液析水率較大，析水率增加20%，漿液穩定性較差。②雙摻粉煤灰、HEA 膨脹劑的組合即水泥+精煤灰（摻量30%）+HEA膨脹劑（摻量8%），其漿液結石體的抗壓強度、抗滲性能及抗侵蝕性能均顯著提高，其中90 d齡期抗壓強度提高28%，滲透系數減小約10 倍，侵蝕深度減小30%，抗蝕系數增加11.5%。其結石體早期能產生適度的膨脹，28 d齡期膨脹率為0.46×10-4，后期干縮率明顯降低，90 d齡期干縮率降低51%，漿液的流動性和穩定性亦有所改善。③摻用硅粉的雙摻和多摻組合即水泥＋粉煤灰＋硅粉與水泥＋粉煤灰＋HEA 膨脹劑+硅粉，其漿液結石體的抗壓強度、抗滲性能及抗侵蝕性能均顯著降低，其中90 d 齡期抗壓強度降低30%以上，滲透系數增加10 倍以上，侵蝕深度增加26%以上，抗蝕系數減小16.7%以上。在上述單摻或多摻不同組合的基礎上摻用FDN-3000高效減水劑均能改善漿液的流動性和穩定性，提高漿液結石體的抗壓強度、抗滲性能和抗侵蝕性能。

綜上所述，能顯著提高水泥漿液結石體抗侵蝕性能、抗壓強度及抗滲性能，改善水泥漿液的流動性和穩定性，有效減小水泥漿液結石體收縮，避免漿液結石后產生殘留縫隙的新型帷幕灌漿材料為：水泥+粉煤灰（摻量30%）+HEA膨脹劑（摻量8%）與水泥＋粉煤灰（摻量30%）＋HEAH 膨脹劑（摻量8%）+FDN-3000高效減水劑（摻量0.5%）。

2.2 新型快速堵漏灌漿材料試驗結果及分析

新型快速堵漏灌漿材料選用的外加劑為凝結時間調節劑、快凝劑、速凝劑、超早強劑、水下抗分散劑、水玻璃和S 型瞬凝水泥。對外加劑的初選采用水泥凈漿法，只須檢驗凝結時間、安定性和膠砂強度，試驗結果表明：摻用速凝劑、快凝劑和水玻璃的水泥漿，其凝結時間較快，但其膠砂強度較低。其中摻速凝劑其初凝時間為9 min，28 d抗壓強度僅為純水泥的54%。摻用超早強劑和水下抗分散劑其膠砂強度較高，但其凝結時間較慢，初凝時間在1 h以上。只有S型瞬凝水泥，其凝結時間較快且膠砂強度較高。其初凝與終凝時間分別為21 min 和26 min，其膠砂抗壓強度比純水泥提高5%，因此，初選S型瞬凝水泥進行漿液性能試驗。

為了便于比較，采用目前快速堵漏灌漿材料常用的水玻璃與初選的S 型瞬凝水泥，按不同摻量進行漿液凝結時間、相對稠度及漿液結石體抗壓強度試驗。試驗結果表明：隨著S 型瞬凝水泥摻量的增加，漿液的凝結時間顯著加快，其結石體抗壓強度有所提高，后期強度增長較大，90 d齡期抗壓強度比28 d 增長60%。而隨著水玻璃摻量的增加，其結石強度顯著降低，漿液的凝結時間加快幅度較小，漿液的相對稠度明顯增大。后期強度降低，90 d 齡期抗壓強度比28 d 降低3%。可見，與傳統的快速堵漏灌漿材料水泥+水玻璃相比，以水泥＋S型瞬凝水泥組成的新型快速堵漏灌漿材料具有凝結時間快、凝結時間可調范圍大，漿液可灌性好，漿液結石體強度高，后期強度增長大，耐久性好，適應性廣等特點。

3 結論

（1）摻合料及外加劑優選試驗結果表明：水泥+粉煤灰（摻量30%）+HEA 膨脹劑（摻量8%）與水泥＋粉煤灰（摻量30%）＋HEAH膨脹劑（摻量8%）+FDN-3000高效減水劑（摻量0.5%）作為新型帷幕灌漿材料，能顯著提高水泥漿液結石體抗侵蝕性能、抗壓強度及抗滲性能，改善水泥漿液的流動性和穩定性，有效減小水泥漿液結石體收縮，避免漿液結石后產生殘留縫隙。

（2）新型快速堵漏灌漿材料試驗結果表明：水泥+S型瞬凝水泥作為新型快速堵漏灌漿材料，減小了凝結時間、擴大了凝結時間可調范圍，提高了漿液可灌性、耐久性、適應性和漿液結石體強度，增加了后期強度。