水泥基與非水泥基注漿材料性能對比

2022-08-19 04:16:46周翔

水利科技與經濟 2022年8期

周翔

(塔里木河流域工程建設處，新疆庫爾勒 841000)

1 概述

水利工程基礎注漿加固工作是保證水利工程長期安全性和工程性能的重要手段，注漿加固效果不好會導致水利工程存在較大的隱患[1-5]。目前，關于水利工程注漿加固的研究較多。付寶寧[6]針對水利工程注漿材料工程性能進行了研究，室內制備了一種改良型PA注漿材料，并指出其具有凝結速率快、抗壓強度更高、滲透性降低的特殊優勢，對我國引水隧洞注漿工程具有一定的指導作用。鄭貴亮[7]基于現場施工工程，指出高壓噴射注漿技術對基礎土層加固具有良好的注漿效果，能夠提升水利工程的整體施工質量。黃治林[8]基于農業水利工程引水隧洞項目，指出了超前小導管注漿技術的高效、可靠及簡便的應用優勢。

綜上所述，現有研究多是針對注漿技術的研究，而缺乏對新型注漿材料的開發。本文基于室內試驗，分析對比水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料的體積穩定性、流動性及抗壓強度，研究成果可為我國水利工程建設提供一定的借鑒作用。

2 試驗設計

2.1 原材料

為對比水泥基/非水泥基注漿材料性能差異，室內制備了兩種不同注漿材料。其中，水泥基注漿材料的膠凝材料采用普通硅酸鹽水泥(P.O 42.5)。非水泥基注漿材料的膠凝材料則采用糯米灰漿；促凝劑為水玻璃，其細度模數和波美度分別為3.2和40；絮凝劑為黃原膠。此外，非水泥基注漿材料還摻加一定的鈣華砂、石粉和石膏成分。

2.2 注漿材料的制備

試樣制備過程分為兩步。首先按水灰比1∶1將水泥/糯米灰漿與水混合攪拌成溶液A，以60 rpm的轉速攪拌至漿液均勻；按照溶液A相同體積將水玻璃、黃原膠和水混合成溶液B。根據前人的研究經驗，確定水玻璃摻量為水泥質量的60%、65%、70%、75%和80%，黃原膠摻量為水泥質量的0.6%、0.9%和1.2%。首先將黃原膠與水混合攪拌2 min，然后加入水玻璃攪拌2 min，最后將兩種溶液混合攪拌30 s。具體配比見表1。

表1 材料配比 /g

2.3 試驗設計

為對比水泥基和非水泥基抗分散注漿材料的綜合觀測性能，參照相關試驗規范和標準，本次研究分別對水泥基和非水泥基注漿材料開展體積穩定性測試、流動性測試和力學性能測試。其中，體積穩定性采用量杯法對注漿材料的析水率進行測試；流動性測試采用流動度盤進行試驗；抗壓強度利用YAW-3000型萬能試驗機對結石后的注漿材料進行試驗。此外，為了分析養護齡期對注漿材料性能的影響，本次試驗還設置了養護齡期分別1、3、7和28 d的注漿材料析水率試驗和抗壓強度試驗。見圖1。

圖1 YAW-3000型萬能試驗機

3 試驗結果分析對比

3.1 體積穩定性

本次析水試驗是在養護試驗(1、3、7、28 d)的基礎上，對注漿材料析水質量進行稱量后與其原質量進行對比。基于室內試驗，得到不同養護時間下水泥基和非水泥基水下抗分散注漿材料的析水率變化關系，見圖2。由圖2可知，隨著析水時間的不斷增長，兩種注漿材料的析水率均呈現出逐漸增大的變化趨勢。進一步對比分析水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料的區別發現，當養護時間為1 d時，非水泥基注漿材料的析水率僅為0.54%，而水泥基注漿材料的析水率則達到5.13%，是非水泥基注漿材料的9.5倍；隨著養護時間的不斷增長，當養護時間為28 d時，非水泥基材料的析水率為6.23%，水泥注漿材料的析水率為10.08%，此時水泥基注漿材料的析水率僅較非水泥基注漿材料高出61.73%。

圖2 水泥基/非水泥基注漿材料析水率隨時間變化關系

上述試驗結果表明，在注漿加固初期，非水泥基注漿材料的析水率要遠遠低于水泥基注漿材料，這表明注漿初期的非水泥基注漿材料的體積穩定性要遠高于水泥基注漿材料；隨著注漿時間的不斷增長，非水泥基注漿材料的析水率快速增大，而水泥基注漿材料的析水率增長較慢，但非水泥基注漿材料的析水率始終低于水泥基注漿材料，這表明相較于水泥基注漿材料，非水泥基注漿材料的穩定性始終要更高一些。分析認為，非水泥基水下抗分散注漿材料是以糯米灰漿為基體材料組分，且在注漿材料制備過程中，添加了石粉、鈣華砂以及石膏等材料。其中，鈣華砂填充在漿體內時，能夠有效減少析水通道，降低注漿材料中水析出的通道數量；而石粉、石膏等成分則能夠為漿液的水化反應提供場所，進而填充孔隙。因此，非水泥基注漿材料的析水率始終低于水泥基注漿材料，其體積穩定性也要更高。

3.2 流動性能

基于室內流動性試驗，得到不同養護時間下水泥基和非水泥基水下抗分散注漿材料的流動度變化關系，見表2。由表2可知，隨著試驗時間的不斷增長，兩種注漿材料的流動度均呈現出逐漸減小的變化趨勢。流動時間為10 min時，水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料的流動度分別為18.32和27.14 cm；當流動時間為60 min時，二者的流動度分別為12.65和16.77 cm。進一步對比分析水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料的區別發現，非水泥基注漿材料的流動度始終大于水泥基注漿材料，這表明在注漿加固過程中，非水泥基注漿材料能夠更快、更有效地對基礎裂隙進行填充，能夠加快注漿修復進程。

表2 水泥基/非水泥基注漿材料流動度對比

3.3 力學性能

由于注漿材料的特殊功能需求，注漿加固工程需要硬化后的注漿材料具有凝結快、強度高等特性，因此不同養護時間下注漿材料的抗壓強度是決定其封堵效果的重要因素。圖3為不同養護時間條件下，水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料的抗壓強度隨養護齡期變化關系曲線。由圖3可知，對于水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料，其抗壓強度均隨著養護齡期的增長而不斷增大。此外，兩種注漿材料的抗壓強度均在養護齡期為7 d時趨近于最大值，養護齡期為28 d的注漿材料抗壓強度較7 d條件下增長很小。進一步觀察可以發現，非水泥基注漿材料的抗壓強度始終高于水泥基注漿材料。以養護28 d試樣為例，水泥基注漿材料的抗壓強度為6.02 MPa，而非水泥基注漿材料的抗壓強度為17.33 MPa，是水泥基注漿材料的2.88倍，這表明非水泥基注漿材料具備更好的承載能力。由圖3還可知，當養護時間為1 d時，非水泥基注漿材料的抗壓強度為10.24 MPa，水泥基注漿材料的抗壓強度為3.25 MPa，僅為非水泥基注漿材料的31.15%。由此可見，非水泥基注漿材料的凝結速度更快，能在短時間內達到較高的抗壓強度。綜上所述，非水泥基注漿材料凝結速度快、抗壓強度高，具備更好的注漿封堵性能。