介子摻合料改性注漿材料增強隧道防水效果及機理研究

李冠鵬，翟聚云，羅從雙，李愛增

（河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036）

0 引言

滲漏水是威脅隧道壽命和安全的常見病害來源，長時間滲漏水會腐蝕混凝土內的鋼筋，從而導致襯砌結構強度降低，最終影響隧道整體的安全穩定[1-2]。注漿加固是處理隧道滲漏水的常用方法。但實際工程中由于注漿材料或現場環境復雜等原因，注漿效果往往不盡人意，經常出現再滲漏等現象[3-4]。以普通硅酸鹽水泥（OPC）為基礎的注漿材料廣泛用于處理隧道滲漏[5-6]，但是OPC存在顆粒較大等缺點，導致其無法密封隧道圍巖中的微裂紋[7]。因此，對于改進和研發新的注漿材料一直是研究的熱點，化學注漿材料如聚氨酯和環氧樹脂等，由于其粒徑較小，滲透性高，因此在封堵微裂縫方面具有顯著的優勢[8-9]。但是，大多數化學注漿材料又存在價格昂貴和對環境及人類健康有害等缺點[10-11]。因此，研發一種新型注漿材料，使其集合上述材料的優點，又能彌補其缺點，成為了最近研究的焦點。

水泥基毛細管結晶防水（CCCW）材料是由硅酸鹽水泥、活性硅和一定量的特殊活性化學物質混合而成的一種無機防水材料，CCCW材料具有優良的防水性、抗滲性、成本低和綠色無污染等優勢[12-13]。目前關于CCCW材料的應用研究主要是其對混凝土性能的優化，結果表明，其能顯著提高混凝土的力學性能以及改進混凝土的內部結構[14-16]。盡管CCCW材料在混凝土施工中得到了廣泛的應用，但其在注漿材料中的應用還十分少見[17]，并且CCCW材料對混凝土性能的增強機理研究尚不充分。介子摻合料（PA）是CCCW材料的一種，其反應產物具有膨脹性，能有效堵塞孔隙和裂縫，這是區別于其他CCCW材料最主要的優勢[18]。

本研究通過將PA添加到水泥漿液中制作改性水泥注漿材料，研究改性注漿材料的物理力學性能。探索其在隧道防水中的效果及其改性機理。

1 試驗

1.1 物理性能測試

根據GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》，采用Vicat儀測試不同濃度PA（0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%）水泥漿液的凝結時間，初凝時間定義為探測針頭侵入到裝有漿液的杯底（4±1）mm時停止的時間；終凝時間定義為將新鮮漿液注入模具后到探測針頭侵入固化后的漿體0.5 mm深度時停止的時間。采用NDJ-1旋轉黏度計測試不同濃度PA的水泥漿液黏度。將60 ml不同濃度PA的水泥漿液注入100 ml的量筒中，24 h后記錄每個量筒內固體的凝固量，將其與60 ml的比值定義為凝結率，如圖1所示。上述所有試驗均需要測試3組試樣，結果取平均值。

圖1 水泥漿液凝結率測試

利用自行設計的滲透試驗裝置對不同濃度PA的水泥-碎石混凝土進行了滲透試驗，試樣尺寸為Φ150 mm×150 mm，養護時間為28 d。測試裝置如圖2所示。試驗過程如下：（1）在儀器底部放置1塊透水石，隨后放進樣品；（2）在樣品上方再放置多孔石；（3）將液體石蠟注入到桶四周，填充樣品與儀器的瓶壁之間間隙，防止水從瓶壁滲漏；（4）將橡膠軸承和頭蓋安裝密封；（5）打開進、出口閥門，讓水滲入樣品，仔細監測壓力表記錄的水壓讀數，當壓力讀數和水流量穩定后，測量特定時間段內的水量。不同濃度樣品設置3組試樣進行測試，結果取平均值。

圖2 滲透測試裝置

1.2 力學性能測試

根據相關規范，對不同濃度PA的水泥漿液和水泥-碎石混凝土試樣進行無側限抗壓強度（UCS）試驗[18]，水泥漿液混凝土和水泥-碎石混凝土試樣尺寸均為100 mm×100 mm×100 mm。所有試樣均在溫度（20±2）℃、相對濕度超過95%的標準條件下養護，測試不同齡期下試樣的強度；考慮到封堵隧道滲漏時漿液會在水中長期浸泡，因此對浸水一定時間的水泥-碎石混凝土試樣進行了UCS試驗。所有試驗均需要測試3組試樣，結果取平均值。

1.3 微觀測試

將不同濃度PA的水泥-碎石混凝土試樣浸泡在水中養護，對不同養護齡期下的試樣進行CT掃描，觀測PA濃度和養護齡期對試樣孔隙率的影響，通過VG Studio MAX軟件對CT掃描結果進行分析。

將不同濃度PA的水泥漿液試樣浸泡在水中養護28 d后，取小塊樣品進行烘干處理，通過日立TM-1000臺式掃描電子顯微鏡分析其內部微觀結構。

2 試驗結果與分析

2.1 水泥漿液凝結時間與黏度

不同濃度PA水泥漿液的凝結時間和黏度分別如圖3、圖4所示。

圖3 不同濃度PA水泥漿液的凝結時間

圖4 不同濃度PA水泥漿液的黏度

由圖3、圖4可以看出，隨著PA濃度的增大，凝結時間和黏度幾乎沒有變化，說明PA濃度對水泥漿液的凝結時間和黏度幾乎沒有影響。

2.2 不同濃度PA對水泥漿液凝結率的影響（見表1）

表1 不同濃度PA對水泥漿液凝結率的影響

由表1可看出，隨著PA濃度的增加，水泥漿液的凝結率逐漸增大，且在濃度為0.6%~0.9%時出現突增的現象，當PA濃度達到1.5%以后，隨著PA濃度的增加，水泥漿液的凝結率上升速率緩慢，當PA濃度為1.8%時，凝結率高達98.7%，相比于未加入PA的純水泥漿液增大了27.2個百分點。這是因為PA中含有硅酸鹽水泥、細石英砂和多種活性物質，硅酸鹽水泥在凝固過程中發生水化反應，生成水化產物，同時，PA中的多種活性物質還對水化反應有著促進作用，因此可以消耗更多的水，提高漿液的凝結率。這說明在實際應用中，通過添加PA可以提高混凝土的凝結率，大大減少灌漿的注入量，從而降低成本。

2.3 不同濃度PA對水泥-碎石混凝土試樣滲透率的影響（見表2）

表2 不同濃度對PA水泥-碎石混凝土滲透率的影響

由表2可以看出，隨著PA濃度的增加，水泥-碎石混凝土試樣的滲透率逐漸降低，與未加入PA的傳統水泥-碎石混凝土相比，當PA濃度為0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%和1.8%時，滲透率分別下降了39.26%、55.66%、70.31%、82.23%、91.99%和93.95%。產生上述情況的原因是，將含PA的水泥漿液注入砂礫中，與活性物質發生反應的晶體和水化產物凝固形成混凝土，在漿液的固化過程中部分未反應的活性物質由于滲透壓力、毛細管孔隙壓力和濃度差異等原因會進入混凝土內部孔隙中，發生自縮聚和結晶等反應形成晶體，堵塞毛細管孔隙。其中一種活性物質是Ca（O—R—H）2，其親水性基團（—OH）的數量大于疏水性基團（—R），因此反應前期能吸收大量水分縮聚形成[—（OR）2n—]晶體，達到堵塞孔隙的作用。其他類型的活性物質為結晶反應物，可與孔隙溶液中的Ca2+、Ca（OH）2和Al（OH）3反應生成碳酸鹽、硅酸鹽和鈣礬石，充填堵塞孔隙，減少水的通道，從而降低注漿介質的滲透性，這一特性使注漿材料在實際工程中的應用更加廣泛。

2.4 不同濃度PA對水泥漿液和水泥-碎石混凝土試樣抗壓強度的影響（見圖5）

圖5 不同濃度PA對水泥漿液和水泥-碎石混凝土強度的影響

由圖5可以看出，水泥-碎石混凝土試樣的抗壓強度普遍高于同齡期水泥漿液的抗壓強度，且兩者的抗壓強度均隨PA濃度的增加而提高，當PA濃度從0增加到0.9%時，試樣的強度略有提高，當PA濃度從0.9%增加到1.5%時，強度提高較為明顯，當PA濃度大于1.5%時，2種試樣的強度幾乎沒有變化。當PA濃度大于1.5%時，生成的結晶物質已經足夠填充混凝土內部的孔隙，因此，強度表現出穩定狀態。

圖6為標準和浸水養護條件下不同齡期水泥-碎石混凝土試件的UCS測試結果，PA濃度分別為0和1.5%。

圖6 不同養護條件下PA對水泥-碎石混凝土強度的影響

由圖6可以看出，無論是否摻加PA，浸水養護條件下試樣的抗壓強度都低于標準養護條件下，說明在浸水條件下，未水化部分物質與活性物質的反應速度減慢，從而導致試樣的力學性能降低。同時，在浸水條件下，各齡期摻加PA的試樣抗壓強度均高于未摻加PA的試樣，在浸水條件下試樣的強度滿足GB 50728—2011《工程結構加固材料安全性鑒定技術規范》要求，說明在浸水條件下摻加PA能滿足工程要求。

3 微觀測試結果及機理分析

3.1 CT掃描結果分析

通過CT掃描PA濃度分別為0、1.5%的水泥-碎石混凝土試樣，分析其孔隙分布和孔隙率，試樣浸水養護7 d后的截面如圖7所示。計算得到的孔隙率如圖8所示。

圖7 不同濃度PA水泥-碎石混凝土CT掃描結果

圖8 試樣孔隙率與PA濃度關系

由圖7可以看出：（1）PA濃度1.5%的試樣斷面變得更加光滑，成型效果更好，這說明PA可以提高灌漿介質中的凝結率。（2）PA濃度1.5%的試樣中孔隙數量和尺寸明顯減少，說明PA能更有效地填充水泥-碎石混凝土中的孔隙，使試樣更加致密。

由圖8可以看出，隨著PA濃度和養護齡期的增加，試樣的孔隙率逐漸減小，當PA濃度在0.9%~1.2%時，孔隙率顯著降低，當PA濃度超過1.5%時，試樣的孔隙率趨于穩定，當PA濃度為1.8%時，齡期為7 d和28 d的試樣孔隙率分別比未添加PA的試樣降低了21.8%和25.5%。

3.2 掃描電鏡結果分析

PA濃度分別為0、1.5%的水泥漿液試樣的SEM照片見圖9。

圖9 不同PA濃度水泥漿液試樣的SEM照片

由圖9可以看出，PA濃度為0的水泥漿液試樣具有松散填充結構和蜂窩麻坑，在放大500倍的掃描圖像中甚至還可以發現幾個氣孔。PA濃度1.5%的試樣中孔隙體積減小甚至消失，結構表面變得更加光滑，說明PA能更有效地填充試樣中的孔隙，使試樣更加致密，與CT掃描結果和滲透率等測試結果相吻合。

為了更加仔細觀察PA改性水泥漿液的內部結構，對PA濃度1.5%的試樣微觀結構擴展放大至6000倍，得到更加細致的微觀結構，如圖10所示。

圖10 PA濃度為1.5%的水泥漿液試樣SEM照片（×6000）

由圖10可以看出，樣品的結構中存在大量針柱狀晶體，可以有效地堵塞內部孔隙。上述結果證明了PA在水泥漿液中存在結晶體，結晶體可以填充樣品中的孔隙，使其結構更加致密，這也是PA能提高水泥漿液的固結速率、抗壓強度，顯著降低水泥漿液滲透性的根本原因。

4 結論

（1）PA作為水泥漿液的添加劑對漿液的黏度和凝結時間幾乎沒有影響，但當PA濃度為1.8%時，水泥漿液的凝結率顯著提高，達到98.7%。

（2）PA作為水泥漿液的添加劑，可以提高漿液的抗壓強度，在標準養護條件下，PA濃度為1.8%的水泥漿液抗壓強度較標準水泥漿液強度可提高約10%；相同條件下，浸水養護試樣比標準養護試樣強度略有降低；總體來說，PA能提高漿液在濕潤或者浸水等條件下的抗壓強度。

（3）PA能顯著降低水泥漿液的滲透性，當PA濃度為1.8%時，水泥漿液的滲透率為0.31×10-7m/s，比未加入PA的漿液低了93.2%。

（4）CT和SEM電鏡掃描結果表明：硅酸鹽與PA中所含活性物質發生化學反應，形成水化產物和晶體，達到填充漿液中孔隙的效果，使其更加致密和光滑，從而導致水泥漿液滲透性降低，強度提高。

（5）PA完全可以作為處理隧道滲漏的水泥漿液添加劑，推薦用量為水泥質量的1.2%～1.5%。