基于瀝青站回收粉的注漿材料特性與應用評價

楊紅成，辛順超，薛曉衛，張小莉，滕振華，甘冬連

(1.中鐵七局集團鄭州工程有限公司，鄭州 450052； 2.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067；3.深圳市盛業地下工程有限公司，廣東 深圳 518026)

根據西藏自治區十一屆人大會議，西藏生態保護紅線面積達53.9萬km2，占全區國土面積的45%，各類生態功能保護區22個，未來還將進一步嚴控56個重點河段水域采砂行為。而大部分工程建設主要采用河段水域就地取材，可獲取材料的深度資源化利用越來越重要。瀝青站回收粉是生產瀝青混合料在碎石中分離出來的粉末狀物質，占比約為4%～5%，有研究表明回收粉不宜用于瀝青混合料中[1-2]。然而，瀝青混合料生產過程產生的回收粉的巖性和相應地材基本一致，如果回收粉得不到較好的利用而堆棄處理，不僅造成資源浪費，而且可能帶來粉塵污染[3-4]。由于高海拔地區氣候復雜、風化嚴重，許多具有復雜裂隙、松散巖體的地基、邊坡、隧道通常采用壓力注漿加固等方式改善巖體的物理力學性能，提高結構承載能力[5-9]。因此，開展基于回收粉的松散巖體注漿材料特性的試驗研究，對回收粉的資源化利用、節約工程造價、保護生態環境具有重要意義。目前，鮮見將瀝青站回收粉用于注漿加固工程的相關研究。為此，本文通過室內試驗和現場應用相結合，研究瀝青站回收粉用于注漿加固工程中的可行性和可靠性。

1 注漿材料配合比優化

1.1 原材料性能

試驗所用P·O 42.5水泥、回收粉、GP-200型高性能減水劑的技術性能指標分別見表1～表3。

表1 水泥技術指標試驗結果

表2 回收粉技術指標試驗結果

表3 減水劑性能指標

1.2 水灰比范圍優選

采用D6X型粘度計對10種水灰比在3種回收粉摻量下的粘度進行測試，以此優選水灰比范圍和回收粉合理摻量的方案見表4，結果見表5和圖1。

表4 水灰比優選預設配比

表5 水灰比與粘度關系試驗結果

圖1 水灰比與粘度關系曲線

由于水泥漿液粘度影響其通過裂隙的效果，擴散效應越充分加固效果越好，而粘度和水灰比有直接關系，粘度越小，滲透性越好[10-11]。根據表5和圖1試驗結果可知，隨著水灰比的增大，3種方案粘度均逐漸降低，水灰比小于1時，曲線斜率較大，變化率大，其粘度受回收粉摻量控制。水灰比超過1.2后，隨著水灰比增加，粘度曲線斜率逐漸變小，粘度降低速度明顯放緩，其粘度受水的摻量控制。縱向對比不同回收粉摻量可知，回收粉摻量越大，相同水灰比下的粘度就越小[10]。水灰比小于1時，粘度差異非常明顯。但當水灰比超過1.2后，由于水泥漿粘度主要受水控制，幾種回收粉摻量的水泥漿液粘度較為接近。根據粘度試驗結果，初定水灰比范圍為0.8～1.2。為確保材料強度和滲透能力，確定水灰比為0.8～1.0，回收粉合理摻量宜小于30%。

2 材料可行性和可靠性試驗

2.1 滲透特性論證

通過室內注漿模型試驗，評估不同回收粉摻配比例的水泥漿在不同裂隙開度下的注漿特性，以此確定回收粉的可行性及合理摻量。采用高強錳鋼加上預設厚度的標準墊片，并采用光柵標尺準確測量預設裂隙的開度，模擬實體工程中不同裂隙開度進行注漿試驗[11-13]。注漿滲透試驗中預設裂隙開度分別為200 μm、250 μm、300 μm、350 μm、400 μm，通過顯微觀測系統和滲流系統觀測評價3種回收粉摻量的水泥漿液在不同時間的入口和出口壓力、注漿量以及注漿狀態。試驗所選水灰比為1.0，注漿壓力為2.0 MPa，試驗結果見表6～表8，進出口壓力變化曲線見圖2、圖3，注漿總量變化曲線見圖4。

表6 室內注漿模型入口壓力試驗結果

表7 室內注漿模型出口壓力試驗結果

表8 室內注漿模型注漿總量試驗結果

圖2 室內注漿模型入口壓力變化曲線

圖3 室內注漿模型出口壓力變化曲線

圖4 室內注漿模型注漿總量變化曲線

根據表7～表9試驗結果及圖2～圖4曲線變化規律，節理裂隙開度從200 μm～350 μm，不同回收粉摻量的注漿過程均出現了水泥顆粒堆積—堵塞形成—完全堵塞的過程。裂隙開度為400 μm時，注漿體能順利通過裂隙。由于回收粉顆粒略大于水泥，受到回收粉顆粒、粘度和裂隙開度的影響，相同開度下，摻配20%回收粉的注漿壓力突變轉折點稍有延遲，裂隙開度為350 μm～400 μm時，入口壓力相對穩定，出口壓力呈階梯式下降，水泥漿通過性相對較好。開度為400 μm時，試驗系統出口的累計漿液流量最大，接近總注漿量，漿液幾乎完全通過節理。對比摻回收粉10%、20%和30%相同開度下的總注漿量曲線，摻30%回收粉受影響最大，堵塞明顯，注漿總量降低，說明過多摻入回收粉，將會導致漿液無法完全通過裂隙。

由此可知，注漿過程中，水泥越多，粘滯力越大，摻一定量的回收粉后，水泥漿液粘度降低，通過性增強。但是，過多的回收粉摻量則會引起更為明顯的橋堵，導致注漿總量下降。因此，結合水泥漿液粘度、強度等特性，綜合優選摻配方案，大部分裂隙開度大于350 μm時，最佳回收粉摻量為20%，能確保水泥漿液具有良好的滲透性。

2.2 強度特性論證

采用100 mm×100 mm×100 mm立方體試件測試抗壓強度評價不同回收粉摻量對結石體抗壓強度的影響，以此驗證在注漿材料中摻入回收粉的可行性。各方案結石率和抗壓強度結果見表9和圖5。

表9 水泥漿結石率與抗壓強度試驗結果

由表9及圖5結果可知，水灰比越大，結石率越低，結石體抗壓強度小。水灰比為0.8時，添加10%后，結石率從82.18%提高到86.76%，28 d抗壓強度從6.26 MPa提高到7.18 MPa。隨著回收粉繼續增加至20%，各水灰比下的結石率和抗壓強度均增大。回收粉從20%增至30%時，結石率增幅(水灰比0.8)達5.22%，28 d抗壓強度增幅放緩，增加了0.41 MPa。水灰比為1.0，回收粉為20%時的抗壓強度達到7.03 MPa，結石率為86.36%。由于回收粉在水泥漿中發揮了粉細砂的作用，添加一定量的回收粉后，未對水泥漿的強度造成負面影響，反而使之得到一定提高。由此可知，注漿漿液中摻入一定量的回收粉是可靠的。

圖5 抗壓強度與結石率關系

3 應用實例與效果評估

3.1 地質情況與材料配比

根據地質勘探結果，西藏某高速公路隧道節理裂隙發育，完整性較差，代表性裂隙延伸長度一般在0.5 m～1.5 m，發育間距0.6 mm～1 mm，裂面粗糙不平整，存在泥質充填，切層。人工使用裂隙測寬儀調查含有約1 mm～3 mm的微張裂隙，張裂隙寬度約4 mm，巖體破碎，且部分呈松散狀態。根據光柵測量結果，含有張開度為350 μm～600 μm裂隙，極少數裂隙開度為200 μm～350 μm，圍巖力學性質較差，穩定性差，成洞條件差，開挖后易形成垮塌。由于該實例隧道巖體松散，裂隙開度基本大于350 μm，由前節水泥漿液滲透試驗結果，摻入一定量的回收粉，有利于提高水泥漿的結石率和抗壓強度。確定漿液配比方案為：水灰比1∶1，回收粉摻量20%，減水劑摻量0.8%。

3.2 注漿孔設置

為保守起見，基于回收粉的注漿方案，主要用于松散巖體掌子面注漿加固，圍巖區域的超前小導管注漿未進行現場試驗。掌子面按照1.2 m擴散半徑預設注漿孔，孔口間距為1.5 m，縱向間距根據臺階分別設置，第1臺階縱向間距為2 m，第2臺階縱向間距為2.5 m，第3臺階為3 m，掌子面注漿孔口布置采用梅花形，見圖6。

圖6 注漿孔布置示意

3.3 注漿施工過程

3.4 注漿效果評估

3.4.1 漿液充填率評估

根據注漿段地質條件、止漿墻設置以及現場注漿情況，對注漿正常區域內的漿液充填率a按式(1)進行檢測計算，結果見表10。其加固充填率為80.59%，總體注漿體滲透效果良好，在掌子面開挖過程中，自穩效果較好，未出現松散垮塌現象。

(1)

式中：Q為注漿總量(實測值)，m3；n為孔隙率(實測值)；β為漿液損耗率(取值)，%；V為注漿加固區體積為(實測值)，m3；γ為水泥漿收縮系數(取值)。

表10 注漿填充率計算結果

3.4.2 GPR雷達探測評價

為分析掌子面復雜裂隙巖體的加固效果，選取裂隙開度基本大于350 μm斷面，采用地質雷達檢測注漿前后的地質狀態進行對比，選用頻率為900 MHz和400 MHz，見圖7。由于地質條件復雜，采用自激自收、連續+點測方式進行測量，數據采集后進行標記，并選擇注漿加固后的代表性段落進行檢測，以此形成對比[5,16]。從圖7(a)可知，測點電磁波反射信號較強，同相軸不連續，振幅不均一，局部波形畸變，可判斷該范圍內圍巖巖體破碎，以塊狀結構為主，塊與塊之間夾泥質，粘結性差，節理裂隙發育，圍巖整體性差，自穩能力差，爆破開挖后拱部易出現沿不整合接觸面發生的掉塊現象，易在局部形成較大超挖區域。圖7(b)注漿后探測結果顯示，地層地質情況得到明顯改善，回收粉摻量為20%方案，其結石率和強度均較高，根據現場位移觀測與評估，位移收斂效果良好。

4 結論

1) 粘度試驗表明，摻入一定量回收粉可降低注漿材料的粘度，提高滲透能力，合理水灰比范圍為0.8～1.0。

2) 滲透試驗表明，隨著回收粉摻量增加，滲透能力先增后減，20%左右摻量的回收粉用于裂隙開度大于350 μm的巖體注漿工程是可行的。

3) 強度試驗表明，一定摻量的回收粉在水泥漿中可發揮類似“細砂”的作用，提高水泥漿的結石率和強度，具有較為可靠的力學性能。

4) 回收粉摻量為20%方案在隧道掌子面注漿實例表明，注漿加固充填率達80.59%，松散巖體地質情況得到明顯改善，開挖過程自穩能力強，位移收斂效果好。

5) 一定摻量的回收粉用于特定裂隙開度的注漿加固工程是可行可靠的，回收粉在松散裂隙巖體隧道注漿工程的成功應用，可為其在邊坡加固、地基處理等方面的應用提供技術支撐。