低堿性外摻劑對帷幕注漿漿液性能的影響

袁勝超

(1.華北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家莊 050021；2.河北省礦山地下水安全技術創新中心， 河北 石家莊 050021)

帷幕注漿技術在大水礦山水患治理、保證井下作業安全、減少礦山排水成本等方面具有重要作用，已在國內眾多水患礦山成功實施并取得了良好效果。由于目前使用的注漿材料多為黏土、水泥以及水玻璃等物質，其反應后的產物為水化硅酸鈣、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣等堿性物質[1?3]，使得地下水pH 值升高，人為地破壞了地下水環境。另外，該地下水作為污染源隨著礦山開采排放注入河床，將進一步污染地表水資源，同時破壞周邊生態環境。為降低漿液pH 值，前期研制出了低堿性外摻劑，為證明加入外摻劑后漿液性能能夠滿足注漿需求，需對漿液結石體的力學性質進行研究。

1 自然養護條件下漿液結石體強度分析

根據前人的研究成果，黏土水泥混合漿液結石體強度的增長與純水泥漿液結石體強度存在差異。通常認為純水泥漿液結石體28 d 后強度基本穩定，為最終強度[4?5]；而黏土水泥混合漿液（尤其高水固比漿液）的結石體強度在56 d 趨于穩定[6?8]，故強度測定需較長時間。耐久性測試通常是在結石體強度穩定后進行，因此本研究計劃對其養護56 d后，進行耐久性能的測試。

黏土水泥漿的配比為黏土基漿（密度為1.20 g/cm3）:水泥為12:1～4:1。為改變漿液堿性而不至于影響其力學性質，本次試驗引入SPJ 外加劑（專利保護），其中的SPJ2#為改酸性硫酸類，該材料可以與水泥中的C2S、C3S 反應生成C-S-A-H，改變體系中的水化產物組成與結構，此外其酸性可與水泥的堿性發生中和作用；SPJ3#為改性聚合物，該材料具有鏈式結構，可以吸附體系中的水泥顆粒，降低水泥的水化速率，改善漿液堿性的延時增長特性；SPJ4#為穩定劑，可以提高漿液的分散性，降低析水率，提高結石率，同時具有吸附重金屬離子的作用。

根據工業化注漿配比，將SPJ 外加劑按2#:3#:4#=6:3:2 的配比制成試樣，脫模后養護至56 d 測試其無側限抗壓強度，結果如圖1 所示。大部分加入外摻劑的樣品抗壓強度略低于未加外摻劑試樣，強度下降幅度為4～20 kPa，說明低堿外摻劑對漿液56 d 抗壓強度影響較小。

圖1 不同現場配比的低堿漿液56 d 抗壓強度

2 巖芯抗壓強度分析

將現場取出的添加外摻劑后凝固的巖芯切割成10 cm 長的圓柱樣（見圖2），養護至56 d 后進行無側限抗壓強度試驗，其試驗結果見表1。

表1 巖芯抗壓強度結果

圖2 試驗樣品

由表1 可知，現場注漿所取巖芯抗壓強度存在較大差異，最大抗壓強度為28 MPa，最小抗壓強度為18.2 MPa，最大差值為9.8 MPa，平均抗壓強度為23.2 MPa。通過分析，巖芯抗壓強度存在差異的主要原因可能是試樣不均一性。從巖芯試樣斷面可以看出（見圖2），斷面呈現“年輪狀”的圈層分布，從邊緣向內部黏土的含量逐漸降低，最終在巖芯內部形成直徑為3～5 cm 的水泥結石體。不同深度的“年輪”分布存在差異，在進行抗壓強度試驗時，黏土含量高的結石體首先發生破裂，應力逐漸向內部擴展，最終導致破裂。而黏土含量低的部分，其結石體結構密實，膠結強，起始應力高，所以最終抗壓強度大。總體而言，結石體的抗壓強度在18 MPa 以上，能夠滿足工程需求。

3 巖芯直剪強度分析

將現場取出的巖芯切割成直徑為50 mm、高為50 mm 的圓柱試樣，養護至56 d 后使用YDS-2 多功能直剪試驗儀進行結石體直剪強度測試。采用快剪法進行試驗，試驗過程調節法向應力，分級施加剪切荷載（每級0.2 MPa），記錄下每級荷載下的剪切位移，直至試件破壞，記錄破壞時的最大值。

試驗采用3 種正應力，分別為1 MPa、2 MPa、3 MPa，采取豎直放置和水平放置兩種方法進行直剪，直剪強度試驗結果見表2 和圖3。

表2 直剪試驗結果

圖3 為低堿性漿液結石體不同正應力下剪應力-剪應變曲線。在相同正應力下，剪應變隨著剪應力增加而增加，達到峰值強度后，剪應力逐漸降低，試件破壞后峰殘應力降值較大。試樣B3 在剪切破壞時，殘余強度降值達6.64 MPa；水平放置的A3試樣在3 MPa 正應力下抗剪強度達14.44 MPa，而豎直放置的B3 試樣在3 MPa 正應力下強度為11.81 MPa；豎直放置的樣品峰值強度均小于水平放置的樣品，改性漿液結石體豎直方向抗剪強度均大于相同正應力下結石體水平方向上的抗剪強度，產生這一現象的原因為：高壓注漿后漿液分層凝結，中間為水泥結石體，外圍包裹有凝結后的黏土，材質分布不均勻；豎直方向進行剪切，摩擦力僅由水泥結石體提供，水平方向剪切摩擦力由水泥和黏土提供，摩擦系數小于前者，因此抗剪強度較低。

圖3 低堿性漿液結石體剪切應力應變曲線

由圖3 可以看出，兩種放置方式進行剪切，低堿性注漿材料均表現出如下剪應力-剪切位移規律：

（1）加載初期，曲線的斜率較小，剪應力增加緩慢而剪應變增加較快，這一階段試樣內開始產生張裂紋，但并不一開始就沿著剪切面發生破壞。

（2）峰前階段，隨著剪應力的增加，剪切變形以明顯的彈性變形為主，在剪應力峰值處有一個明顯折拐點，即快達到峰值強度時曲線斜率逐漸由陡變緩達到峰值強度。

（3）峰值強度之后，剪應力急劇下降，曲線斜率急劇變陡，由正變負，產生了應力跌落的現象。

根據圖4 所示低堿性漿液結石體的抗剪強度曲線，求得結石體的強度參數c，φ值分別為：截面水平于地面時為4.05 MPa，73.72°；截面豎直于地面時為5.55 MPa，64.61°。漿液結石體黏聚力高，且內摩擦角大，表明低堿性漿液結石體能夠承受較大的剪應力，且結石體在地下環境中較穩定，不易被破壞。

圖4 低堿性漿液結石體的抗剪強度曲線

4 巖芯耐久性研究

將現場取出的巖芯切割成10 cm 長的圓柱試樣，養護至56 d 后進行干濕循環試驗，試樣在90℃的風干箱內風干4 h，待冷卻后真空飽和4 h，每個循環觀測試樣的形態變化，每5 個循環測定一次強度變化。

第1 個干濕循環后，全部樣品產生輕微裂紋，有一個樣品產生崩裂，后續循環中無其他崩裂現象產生，樣品表面部分松散黏土層脫落，樣品裂紋變得更為明顯，第50 個循環后，樣品仍無明顯崩壞。

通過耐久性試驗發現，巖芯的耐久性存在一定的差異，對于巖芯內部水泥含量大的巖樣，其抗干濕循環的能力優于黏土含量高的。試樣經干濕循環后，進行了抗壓強度測試，抗壓強度的變化如圖5所示。

圖5 干濕循環次數與抗壓強度的關系

通過多組試樣的耐久性測試發現，其耐久存在差異，50 次循環最大抗壓強度損失48.6%，最小抗壓強度損失17.1%，平均22.85%。強度損失的差異性主要是由于試樣的差異所引起的，試樣中黏土含量越大，其基礎抗壓強度越低，耐久性損失越大；而水泥含量高的起始抗壓強度大，耐久性損失小。

除測試干濕循環對漿液結石體抗壓強度的影響外，還需探究對結石體抗剪性能的影響，進行干濕循環50 次后對試塊進行直剪試驗，直剪結果見表3，得到抗剪強度曲線如圖6 所示。

表3 干濕循環后試塊直剪結果

圖6 干濕循環50 次后試塊的抗剪強度

由表3 可知，在相同正應力下，剪應變隨著剪應力增加而增加，達到峰值強度后，剪應力逐漸降低，試件破壞后峰殘應力降值較大。且經歷50 次干濕循環后，試件應力應變曲線仍具有未進行干濕循環的規律，表明漿液結石體在干濕循環后結構并未發生破壞，具有較好的穩定性和耐久性。

試樣在3 MPa正應力下峰值強度為10.96 MPa，試樣破壞后，殘余強度為6.36 MPa。對比表2 的直剪試驗結果，相同正應力下干濕循環后的試件峰值強度略有下降。根據圖6 可求得干濕循環后試件的黏聚力c=3.76 MPa，內摩擦角φ=67.42°，對比圖4可知，50 次凍融循環使試樣黏聚力損失7.16%，內摩擦角損失8.54%，雖均有降低，但仍具有較強的抗剪強度，能夠滿足工程要求。

5 結論

通過對加入低堿性外摻劑的黏土水泥混合漿液結石體力學性質進行研究，得出如下結論：

（1）自然條件下低堿性外摻劑對漿液56 d 抗壓強度影響較小。

（2）高壓條件下結石體的抗壓強度在18 MPa以上，滿足施工需求。

（3）低堿性漿液結石體能夠承受較大的剪應力，且結石體在地下環境中較穩定，不易被破壞。

（4）低堿性漿液結石體在50 次干濕循環后結構并未發生破壞，抗壓強度值、抗剪強度值雖有所下降，但能滿足施工需求，仍具有較好的穩定性和耐久性。