采空區治理用水泥黏土類注漿材料研究綜述

基金項目：廣西科技計劃項目“廣西典型固體廢棄物道路領域綜合資源化利用技術研發中心”（編號：桂科ZY21195043）；廣西交通運輸行業重點科技項目“公路下伏采空/空洞區安全分析、治理技術及長期性能觀測研究”（桂交便函〔2022〕174號）

作者簡介：趙志忠（1984—），碩士，高級工程師，主要從事公路工程項目管理工作。

摘要：采空區會導致地表移動和沉陷，對經過采空區地表的公路路基建設工程產生極大威脅，需進行相應治理。注漿加固技術作為目前采空區治理的主要手段，所使用的注漿材料決定著注漿加固的效果。文章介紹了水泥黏土類注漿材料的性能特點，分析了其加固性能，并提出尚需繼續研究水泥黏土類注漿材料的漿液配比、環境影響以及新材料研發等問題。

關鍵詞：采空區；公路；水泥黏土類注漿材料；注漿治理

中圖分類號：U416.03A010014

0 引言

我國礦產資源豐富、分布廣泛，位于地下的礦產資源被開采后，會形成采空區，具有隱伏性強、空間分布特征規律性差、采空區頂板冒落塌陷情況復雜等特點^［1］。采空區的圍巖在沒有采取相應支護措施的情況下，原有的應力發生變化，就會造成圍巖不同程度的變形，甚至發生地面塌陷、地裂以及受采空區影響而發生的山體崩滑等地質災害，使高速公路、建筑物在地表的修建和使用受到損害，嚴重威脅人民的出行安全與生命財產安全^［2］。所以，必須采取相應手段對采空區進行治理。

工程實踐證明，最常用、最有效的采空區治理技術手段就是注漿加固。注漿是在采空區巖土體的空隙、裂隙或孔隙中，通過機械設備向巖土體注入配置好的漿液，經滲透、壓密擴展等方法，逐漸凝結、硬化成為有強度的固結體。這些固結體與原巖土體粘結成一體，從而達到控制其變形的目的，使巖土體的承載力和防滲性能得到提高^［3］。

其中，注漿材料的選用與加固效果及造價有關，是值得關注的問題^［4］。目前，國內外科研人員已開展了大量的水泥黏土類注漿材料方面的研究工作，并已有所建樹，但仍存在大量不足，如漿液不易快速堆積、流失量大、結石率低等問題，治理費用明顯提高。本文總結了水泥黏土類漿液的研究成果，并針對現狀和存在的問題，提出了尚需進一步研究的方向和內容，以期為采空區治理用水泥黏土類注漿材料的研究和應用提供指導。

1 注漿材料發展歷程

注漿法是采空區治理中應用最廣、效果最好的方法之一^［5］。除了注漿工藝，注漿材料在注漿治理中也是非常重要的。

注漿材料發展至今已有200余年的歷史。從英國科學家阿斯普丁于1862年研制出硅酸鹽水泥獲得成功開始，到20世紀80年代以后，各國開始對注漿用的各種新型材料進行研究，如表1所示。

2 水泥黏土類注漿材料研究現狀

注漿材料作為采空區注漿治理不可缺少的組成部分，在注漿加固過程中，漿液材料會由液相轉變至固相，起到填充加固作用，合理選擇注漿材料將直接影響注漿治理加固的效果與效益。水泥黏土類漿液為目前常見的應用于采空區注漿的水泥基材料^［6］。

水泥黏土類漿液為主要由水泥、黏土、水與外加劑所構成的懸濁液。水泥與黏土互相混合可以構成性能較好的注漿材料，互相彌補材料缺點。黏土是一種低活性的填充材料，可就地取材，大幅降低水泥用量，減少注漿成本，與純水泥漿液對比，節約漿液中的水泥用量可達60%以上，具有顯著的經濟效益。水泥黏土類漿液流動性好，具有優良的可調性、可泵性、可注性；與純水泥漿液相比，其滲透能力較低，不易沉淀和被水稀釋，結石率高；漿液無毒性，對環境無污染。但隨著黏土摻加比例增加，漿液結石體的抗壓強度將出現較大程度的降低^［7］。

目前對水泥黏土類注漿材料的研究主要集中在黏土摻量、外摻劑種類對漿液性能影響這兩個方面。

2.1 黏土摻量對水泥黏土類漿液性能的影響

黏土具有一定的吸水能力和化學活性，其作為水泥黏土類漿液的主要成分，對漿液的比重、黏度以及塑性強度等起著至關重要的作用。根據研究，在注漿施工中，對于注漿用黏土的塑性有一定的要求。塑性指數在15以上的黏土均可作為配置黏土漿的原料，且塑性指數越高，黏土顆粒的分散性越好，制造黏土漿的效率越高^［8］。

黏土摻量過大時，會導致結石體強度過低，而摻量過低，則不能體現出黏土作為摻料在性能上的優勢^［9］。梁經緯等^［10］通過對相同水固比不同黏土摻量下的水泥黏土漿液進行抗壓強度試驗，得出隨著黏土摻量的增大，水泥黏土類漿液結石體強度下降的結論（見圖1）。在大比例黏土摻量對水泥黏土漿液結石體強度的作用機理研究方面，張貴金等^［11］通過研究在壓濾效應下50%～80%黏土摻量的水泥黏土漿液結石抗壓強度，得到黏土的加入導致漿液結石體強度降低，且隨著黏土摻量的增大而減小，在50%～60%之間出現較大幅度降低，在實際注漿治理工程中黏土摻量宜≤50%的結論（見圖2）。

張貴金、劉杰等^［12-13］通過流變儀研究不同水固比下黏土摻量對水泥黏土漿液流變性能的影響，包括流變模型、黏度時變性，結果表明黏土摻量與水泥漿液的流變性之間有密切聯系，水固比為0.6∶1的漿液流變參數受黏土摻量變化的影響顯著，而水固比為1.5∶1的漿液受黏土摻量變化的影響較小。邱浩浩等^［8］研究得到水泥黏土類漿液比重相同時，黏土摻量較低則漿液的凝結時間顯著縮短，具有相同固相比的黏土水泥漿液凝結時間隨原漿比重的增大而縮短。雖然有眾多學者使用不同黏土制備水泥黏土類漿液進行注漿加固研究，但大多只使用一種黏土進行漿液制備，對于不同種類黏土對注漿性能的作用機理影響研究較少。

2.2 外加劑對水泥黏土類漿液性能的影響

添加外加劑是改變水泥黏土類漿液物理化學性能的重要手段。一般水泥黏土類漿液使用偏鋁酸鈉（NaAlO₂）、水玻璃（Na₂O·nSiO₂）作為外加劑，通過控制外加劑摻量，可以達到控制水泥黏土類漿液凝結時間，增加結石體早期強度的目的，進而影響漿液的流變性。

邱浩浩等^［8］研究向水泥黏土類漿液中摻加1%水泥質量的偏鋁酸鈉，結果表明，偏鋁酸鈉的加入使得漿液的初凝、終凝時間明顯減短，同時獲得優良的抵抗水流沖釋的性能。張貴金等^［12］研究向漿液中分別摻加0.5%、0.75%、1.0%、1.25%水泥質量比例的偏鋁酸鈉，結果表明，在水固比相同的條件下，偏鋁酸鈉摻量較低時，漿液為賓漢姆流體，偏鋁酸鈉摻量較高時，為赫-巴流體，漿液黏度隨時間增長呈先增加后保持穩定的趨勢，趨于穩定的時間與固化劑摻量的增加呈現正向相關的關系，并隨著固化劑摻量的增加，表現出振凝性向觸變性轉變的趨勢（見表2）。陳永貴^［14］通過室內試驗得到水玻璃可以提高漿液的早期強度，對漿液的滲透性能影響不明顯，對漿液結石體滲透性能影響起主要作用的因素是水泥和黏土的添加量。張貴金等^［15］使用偏鋁酸鈉、石膏、膨潤土按一定比例混合作為外加劑，漿液結石體的28 d抗壓強度、抗滲性能滿足要求，并具有一定抵抗沖蝕的能力。

目前水泥黏土類漿液外加劑的選擇可從影響水泥性質入手，通過控制外加劑摻量，調節漿液的凝結時間、早期強度等物理指標，從而影響漿液的流變性能。亦可從改變黏土性質入手，選擇相應的外加劑。

3 水泥黏土類注漿材料工程實例

水泥黏土類注漿材料在交通工程建設中有著廣泛的應用，多用于道路下伏采空區充填治理、路基加固等（見表3）。充填注漿施工流程見圖3。

在包西鐵路神木北至延安北段途經下伏小煤窯采空區區域，張鋒等^［16］研究使用水泥黏土類注漿材料對其路基下伏采空區進行灌漿治理，采用梅花形鉆孔布置，并以壓力灌漿方式將注漿材料充填至采空區。經工程應用驗證，水泥黏土類注漿材料滿足治理需求且經濟。

在昆明市和下路途經昆明西部礦區，部分區段存在路基下伏私采煤窯采空區情況，段自俠等^［17］研究采用水泥黏土類注漿材料進行采空區治理。工程應用表明，水泥黏土類注漿材料較水泥粉煤灰漿液，具有耐久性好、抗壓強度高與析水率小等優點。

長沙市人民東路延長線下穿京珠高速公路，為保證高速公路行車安全，防止高速公路路面開裂，魯長亮等^［18］研究對高速公路路基頂部與路面之間的空隙進行注漿填充加固；根據早期強度較高、初凝時間較短的實際需要，采用水泥黏土類漿液進行充填，實際治理效果良好。

洛湛鐵路益陽至婁底段穿過巖溶發育區，部分路段路基下伏巖溶空洞，倪宏革等^［19］研究使用水泥黏土類注漿材料對路基下伏巖溶進行治理，即采用梅花形鉆孔布置，壓力注漿。注漿完成后經電法與面波法物探檢測、注漿前后鉆孔注水試驗對比、檢查孔鉆探取芯、施工中地表及地下水監測等檢驗，證明治理效果良好，達到預定要求。

長沙軌道交通3號線項目區段內存在巖溶發育區，部分路基下伏巖溶空洞，張聰等^［20］研究使用水泥黏土類注漿材料進行治理。采用黏土水泥止水巖壁結合純水泥漿內部注漿方式進行治理，鉆孔采用梅花形布置，壓力注漿；根據現場測試，注漿后地層連續性、整體性得到明顯提升，注漿止水加固效果明顯，達到了預期效果。

4 水泥黏土類注漿材料有待研究的問題

（1）采空區地質條件復雜，大量水泥黏土類漿液的使用會改變注漿治理區域的pH值，破壞生態平衡，同時還會造成地下水污染的情況，而目前研究者在注漿治理對地下生態環境影響方面的研究鮮有涉及。

（2）在實際工程中，不同的治理場景對漿液的性能也有不同的要求，如滲透性、擴散性、初凝時間、注漿后強度等。為配置性能符合工程使用需求的漿液，需對漿液進行配合比優化試驗，選取適用于注漿工程的配合比。

（3）對于水泥黏土類漿液的研究，主要集中于物理力學性質方面，涉及微觀結構的研究較少，且不同類型水泥黏土類漿液的微觀結構對于漿液宏觀性質的作用機理還有待探討。

（4）黏土作為水泥黏土類漿液的主要組成部分，其自身的流變性以及與水泥、外加劑之間的物理化學反應，都極大程度影響著漿液性能。在實際工程治理中，多數情況下黏土就地取材，性質不盡相同，目前研究者主要著眼于黏土摻量、水固比、外加劑種類與摻量等方面，對于黏土性質對漿液注漿性能的作用機理有待進一步研究分析。

5 結語

基于眾多學者的研究，目前應用于采空區注漿的水泥黏土類漿液材料的研究多集中在配合比和物性研究上，缺少漿液注漿后對處治區域周邊生態環境的影響、漿液固結后的結石體微觀結構及漿液擴散理論等方面的研究，這些研究將對發展綠色環保注漿技術、漿液擴散理論，揭示漿液擴散機理和提高注漿效果起到重要的促進作用。同時，隨著國家“碳達峰、碳中和”戰略的提出以及社會對綠色環保、資源節約和創新的日益重視，研究和開發一種環境友好、多功能化、高性能、穩定性和耐久性良好的注漿材料具有重要的理論研究意義和工程應用價值。

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