強滲透涌水地層注漿新材料的配制與工程特性研究

康正斌，李小強，鞏越

（1.民航機場建設工程有限公司，天津 300456；2.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590）

0 前言

我國現今的巖土與地下工程建設規模快速擴大，施工過程中經常會遇到結構松散、固結程度低、孔隙大、承載力低、滲透性強、且經常伴有動水環境的復雜強滲透地層，為了保證工程建設的順利進行，往往要對這類地層進行注漿加固和防滲處理，使復雜強滲透地層地基能夠滿足工程建設的要求。

注漿材料分為無機和有機材料2大類。無機注漿材料以水泥為主，具有來源廣泛、價格低、性能穩定、耐久性強、無毒無害的優點，但其凝結時間過長，易被動水沖散，且漿液收縮性大，不適用于動水環境下強滲透地層的加固與封堵[1-3]。有機類注漿漿液可注性好，凝結時間短，但成本高，儲存要求高，結石體強度低于水泥強度，且存在較大的環境安全問題，在動水環境下強滲透地層封堵工程中受到較大的限制[4-7]。

為解決這一問題，研發了一種新型水泥基注漿材料，輔加高分子添加劑，使其適用于動水環境下的強滲透地層，具有凝固時間在一定范圍內可調、可注性強、抵抗動水沖刷、堵水防滲效果好、成本低、無毒性等特點。研發的漿液能夠為動水環境下的強滲透地層防滲加固工程的設計與實施提供新的思路與材料。

1 試 驗

1.1 原材料

聚丙烯酰胺：一種線型高分子聚合物，常溫下有膠液、膠乳和白色粉粒、半透明珠粒和薄片等規格，根據強滲透地層特點對注漿材料的需要，最終選取規格為2500 w陰離子型的聚丙烯酰胺材料，其干燥晶體及溶解后性質如圖1所示。由于分散相粒子彼此糾纏形成網狀結構，聚丙烯酰胺溶液表現為具有較高黏度的聚合體[8]，可用于解決水泥基漿液在動水環境中易被沖散的問題，同時能夠使漿液穩定附著于卵石表層。

圖1 聚丙烯酰胺晶體及溶解后性質對比

水性聚氨酯：以水代替有機溶劑作為分散介質的新型聚氨酯體系，能與水以任意比互溶，并快速形成膠凝體，具有無污染、安全可靠、機械性能優良、相容性好、易于改性等優點[9]。根據強滲透地層特點對注漿材料的需要，最終選取規格為MF-669Ⅰ型水性聚氨酯材料。

水泥：強度等級不低于42.5級普通硅酸鹽水泥。同時在針對動水環境下強滲透地層注漿材料中加入混凝土材料中常見的硫酸亞鐵降低漿液析水率，加入氯化鈉作為早強劑，加入檸檬酸作為催化劑，按照室內試驗要求，硫酸亞鐵、氯化鈉均使用分析純。

1.2 試驗方案

本試驗通過控制變量法，將硫酸亞鐵、聚丙烯酰胺、水性聚氨酯、檸檬酸摻量及水灰比為變量（以水泥500 g為固定單位進行配比），對漿液進行析水率試驗，通過漿液的存留量分析漿液在動水環境強滲透地層的抗沖刷效果。如試驗說明或圖中不進行特別標注，漿液的水灰比即為0.9，聚丙烯酰胺與水的質量比為4∶1，氯化鈉摻量為5 g，硫酸亞鐵摻量為10 g，聚丙烯酰胺摻量為10 g，檸檬酸摻量為聚丙烯酰胺的5%。對固水率、流動度和凝膠時間進行室內試驗研究分析。選取較優的配合比方案進行抗沖刷模擬試。

2 結果與分析

2.1 水性聚氨酯固水性能

水性聚氨酯與水的質量比（酯水比）對固水率與凝膠時間影響如表1所示。催化劑對聚氨酯固水率與凝膠時間的影響如表2所示，為確保測得檸檬酸對水性聚氨酯固水速率的影響是相對明顯的，同時考慮降低試驗時間成本，試驗時將酯水比設置為1∶4。

表1 酯水比對水性聚氨酯固水率與凝膠時間的影響

表2 催化劑對水性聚氨酯固水率與凝膠時間的影響

由表1、表2可知：（1）凝膠時間隨酯水比的減小而不斷延長，當酯水比小于1∶10后，凝膠時間會顯著延長；（2）當酯水比為4∶1～1∶17時，固水率均為100%，當酯水比小于1∶17后，固水率出現驟降的現象；（3）檸檬酸摻量對水性聚氨酯的固水率沒有影響；（4）隨著檸檬酸摻量的增加，凝膠時間逐漸延長。

2.2 漿液的析水率

漿體析水率是漿液達到初凝時，由于水泥顆粒沉淀作用析出水分體積占漿體總體積的百分率，反映了漿液的保水性能，會影響水泥凝結硬化效果、漿液與物面的粘結力[10]。

圖2為漿液析水率試驗的過程。圖3～圖5分別為硫酸亞鐵摻量（固定水灰比為1.0）、水灰比、聚丙烯酰胺摻量（固定水灰比為1.0）對析水率的影響。

圖2 漿液析水率試驗過程

圖3 硫酸亞鐵摻量對析水率的影響

圖5 聚丙烯酰胺摻量對析水率的影響

由圖3可見，硫酸亞鐵摻量對漿液析水率具有較大影響，隨著硫酸亞鐵摻量增加，漿液的析水率先減小后增大，當硫酸亞鐵摻量為水泥質量的1%時，漿液的析水率最低，約為漿液總體積的1.4%。主要是因為過量硫酸亞鐵使水泥顆粒懸浮于水中而不是附著于聚丙烯酰胺與水反應生成的網狀結構上，無法形成具有良好穩定性的漿液。

由圖4可見，漿液析水率與水灰比呈正相關趨勢，但3種水灰比下析水率均低于5%，屬于穩定漿液[11-12]。

圖4 水灰比對析水率的影響

由圖5可見，漿液析水率與聚丙烯酰胺摻量呈負相關，且影響顯著，當聚丙烯酰胺摻量小于10 g時，漿液為不穩定漿液。

2.3 漿液流動度

試驗采用截錐圓模，按照GB/T 8077—2012《混凝土外加劑均質試驗方法》的規定進行流動度試驗，圖6、圖7分別為聚丙烯酰胺摻量和水灰比對漿液流動度的影響。

圖6 聚丙烯酰胺摻量對漿液流動度的影響

圖7 水灰比對流動度的影響

由圖6、圖7可見：

（1）漿液的流動度與聚丙烯酰胺摻量呈負相關，在聚丙烯酰胺占水泥質量1.5%～2.0%時，對漿液流動度的影響最明顯。但當漿液中聚丙烯酰胺摻量超過水泥質量2.5%后，其對漿液流動度的影響效率降低。主要是因為聚丙烯酰胺的有效溶解量逐漸趨于飽和，新網狀結構增加量減少，對漿液流動度的影響效率逐漸降低。

（2）水灰比與漿液流動度呈正相關。在實際工程中可以根據實際地層情況對漿液滲透性與流動度的要求，通過對水灰比的調整實現漿液流動度的有效改變。

2.4 漿液凝膠時間

漿液的凝膠時間是測試漿液從混合到形成膠凝體所用時間。動水環境下強滲透地層注漿工程中對漿液的凝膠時間有著更加嚴格的要求[13]，漿液凝膠時間的測定方法主要有倒杯法及黏度計法。倒杯法由于其簡單易操作和適用對象廣泛的特點，在施工現場和試驗室中經常使用，故本試驗采用倒杯法進行試驗[14]。表3、表4分別為酯水比、檸檬酸摻量對漿液凝膠時間的影響。

表3 酯水比對漿液凝膠時間的影響

表4 催化劑摻量對漿液凝膠時間的影響

由表3、表4可知：

（1）水性聚氨酯摻量越多，漿液的凝膠時間越短，最快可以在200 s左右形成膠凝體；在相同水性聚氨酯摻量下，水灰比越大，漿液凝膠時間越長。

（2）漿液的凝膠時間與檸檬酸摻量呈正比，但不呈線性關系，隨著檸檬酸摻量的增加，其對漿液凝膠時間的延長效率逐漸降低。因此，檸檬酸摻量為聚氨酯質量的2.5%時為較合理比例，此時漿液的凝膠時間為680 s。

3 抗沖刷性能試驗及漿液配比分析

3.1 抗沖刷性能試驗與效果分析

為探究注漿后漿液抵抗動水沖刷的性能，采用如圖8所示的混合粒子流沖擊試驗裝置（專利號CN 201710526013.6）對漿液的抗沖刷性能進行了測試。受儀器功率限制，水槽中動水流速為1.67 m/s。將水灰比、聚丙烯酰胺摻量、水性聚氨酯摻量作為變量，通過漿液的存留量分析漿液在動水環境強滲透地層的抗沖刷效果。測試方法如下：

圖8 混合粒子流沖擊試驗裝置

（1）卵石在試驗前7 d浸入水中，保證試驗時卵石已經完全飽水。

（2）將待試驗的漿液按要求進行配制，置于電子秤稱量漿液與攪拌盆總質量W1。取部分浸泡后的卵石置于攪拌盆中與漿液充分混合。

（3）將混合后的卵石與漿液置于盛漿籃中，稱量其沖刷前的質量W3，攪拌盆及其中剩余漿液的質量W2。

（4）接通電源打開水泵，使水槽中形成一定速度的水流。迅速將稱重完成的盛漿籃放置于水槽中進行沖刷，讓水流連續沖刷30 min，漿液此時已經完全膠凝，最后將盛漿籃拿出稱量沖刷后的總質量W4。

（5）在動水條件下比較其留存在槽中漿液占原始漿液的百分含量（漿液留存率），漿液存留率按式（1）計算。

水灰比、聚丙烯酰胺與水性聚氨酯摻量對漿液留存率影響如表5所示。

表5 漿液留存率試驗結果

由表5可知：

（1）在動水流速為1.67 m/s時，漿液最高留存率為91.62%。漿液留存率理想，能夠穩定填充于地層孔隙間抵抗動水沖刷，不被沖散或稀釋。

（2）水灰比與漿液留存率呈負相關趨勢。水灰比越大漿液中膠體含量越少，漿液中水與聚丙烯酰胺反應生成具有黏性的網狀結構密度較低，同時更多的水使得漿液的凝膠時間相應延長，增加了漿液在動水中被沖刷走的量。

（3）聚丙烯酰胺摻量與漿液留存率呈正相關。原因是聚丙烯酰胺越多，漿液中黏性網狀結構越多，漿液穩定性與黏度也就越高，在動水沖刷中被沖刷走的量越少。

（4）3種不同聚氨酯摻量對漿液留存率影響不明顯。在增加聚氨酯摻量的過程中，漿液留存率出現了下降的趨勢。原因是聚氨酯與水可以任比例互溶，過量的聚氨酯降低了水灰比，凝膠時間也因此被延長，在動水沖刷中被沖刷走的量也就越多。與漿液凝膠時間的測試中得到的規律可以相互驗證。

3.2 漿液配比分析

綜合考慮漿液的成本與施工難度，確定了動水環境下強滲透地層注漿材料建議配比如表6所示。

表6 動水環境強滲透地層注漿材料建議配比 g

表6的配比區間能滿足多種強滲透地層防滲加固工程。但在不同的施工環境中，由于孔隙比、動水流速、級配情況等均具有特殊性，因此漿液的具體配比需要在此基礎上進行適當的調整，達到適應具體工程環境的效果。

4 結論

（1）硫酸亞鐵與聚丙烯酰胺的摻加顯著提高了水泥基注漿材料的保水性能，當硫酸亞鐵摻量為水泥質量的1%，聚丙烯酰胺質量為水泥質量的4%時，能夠使析水率降低至1.4%左右。

（2）漿液流動度隨水灰比增大而增大，隨聚丙烯酰胺摻量的增加而降低，在聚丙烯酰胺摻量為水泥質量1.5%～2.0%時對漿液流動度的影響最明顯。

（3）聚氨酯的摻加使漿液最快可以在200 s左右形成膠凝體，實現堵水防滲；同時，漿液的凝膠時間可以根據施工工況的實際要求，通過添加檸檬酸等方法延長凝膠時間至680 s左右。

（4）在動水流速為1.67 m/s時，材料最高留存率為91.62%。但根據實際工程中的數據記錄，在強滲透涌水地層中動水的流速一般在0.5 m/s以下，此時的漿液留存率將遠高于90%。因此漿液完全可以滿足抗強滲透地層動水沖刷的需求。

（5）漿液能夠有效填充動水環境強滲透地層，形成結石體后可以解決結構松散、孔隙大、伴有動水環境等工程問題，顯著提高地基承載力，實現堵水防滲，能夠為動水環境下的強滲透地層防滲加固工程的設計與實施提供新的思路與材料。