輸水隧洞溶洞固廢充填材料配合比優(yōu)化試驗(yàn)研究

王 勇

(遼寧葠窩水力發(fā)電有限責(zé)任公司，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)中的活性材料主要是粉煤灰、改性礦渣粉、脫硫石膏和熟料。礦渣微粉主要成分為氧化鈣、氧化鋁和二氧化硅，其活性一般。因此試驗(yàn)中采用脫硫石膏進(jìn)行改性，以提高其活性水平。粉煤灰的主要活性成分是氧化鈣和氧化鋁，是具有火山灰活性的物質(zhì)[1]。此次試驗(yàn)研究中使用的是鞍山電廠的粉煤灰。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，樣品粉煤灰屬于品質(zhì)較低的固廢資源，因此需要對(duì)其活性進(jìn)行激發(fā)方可用于充填膠凝材料[2]。因此，研究中選擇水泥熟料和脫硫石膏作為激發(fā)劑。試驗(yàn)中使用的脫硫石膏為火電廠濕發(fā)脫硫的副產(chǎn)品，其主要成分為二水硫酸鈣。此次研究中選擇的是鞍山熱電廠的脫硫石膏，在試驗(yàn)前需要將其干燥處理。水泥熟料為水泥生產(chǎn)過(guò)程中的主要原料，其主要成分為氧化鈣和二氧化硅，屬于堿性材料，其主要特征堿性高、水化反應(yīng)快和早期強(qiáng)度高，在此次研究中作為粉煤灰和礦渣粉的堿激發(fā)劑。此次研究中的熟料來(lái)自鞍山紅星水泥廠，其45 μm細(xì)粉含量為78.22%。

考慮到經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保屬性，此次試驗(yàn)中的充填材料選擇的是選礦尾砂，來(lái)自遼寧省鞍鋼的尾礦庫(kù)，其粒徑范圍為0.05～0.78 mm，級(jí)配良好。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中采用1∶4的膠砂比進(jìn)行填充材料的配制，而試驗(yàn)研究的主要任務(wù)是對(duì)膠凝材料的配比進(jìn)行試驗(yàn)優(yōu)化。因此，研究中結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的研究成果和工程經(jīng)驗(yàn)，確定4種不同膠凝材料的摻量并進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì) %

1.3 試驗(yàn)方法

在充填體材料制作過(guò)程中，首先將按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案稱量好試驗(yàn)材料，然后將礦渣粉、水泥熟料、脫硫石膏和粉煤灰加入攪拌機(jī)低速攪拌30 s，之后加入水低速攪拌30 s，然后加入尾礦砂高速攪拌3 min。將攪拌均勻的漿料倒入直徑50 mm，高100 mm的圓柱形試模中成型，在試件制作完畢48 h后拆模編號(hào)，放入溫度20℃，濕度不低于80%的養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期。

試件的單軸抗壓強(qiáng)度使用WDW-300 kN型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，其加載速率為1 mm/min；浸水試驗(yàn)采用IPX7水箱[3]。在浸水試驗(yàn)中首先將試件浸入水箱24 h后計(jì)算重量的變化，同時(shí)測(cè)定其單軸抗壓強(qiáng)度。利用浸水強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度的比值計(jì)算分析，對(duì)其水穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。膠凝材料的結(jié)石率試驗(yàn)采用塌落筒進(jìn)行測(cè)定[4]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)中測(cè)試7 d、14 d和28 d齡期條件下不同配合比試驗(yàn)方案試件的單軸抗壓強(qiáng)度，每種試驗(yàn)方案測(cè)試3個(gè)試件，以其均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不同試驗(yàn)齡期的抗壓強(qiáng)度值變化規(guī)律有所不同。在7 d齡期下，抗壓強(qiáng)度值最大的是方案3，為6.81 MPa，其次是方案6和方案9，這三種方案的抗壓強(qiáng)度值較其他方案相比存在比較顯著的優(yōu)勢(shì)。究其原因，主要是這三種方案的熟料摻量水平較高，而熟料的水化反應(yīng)速度較快，因此可以迅速提升試件的早期強(qiáng)度。在14 d和28 d齡期條件下，雖然上述三種方案的抗壓強(qiáng)度值仍具有一定的優(yōu)勢(shì)，但是優(yōu)勢(shì)不再顯著。原因是隨著其余膠結(jié)材料水化反應(yīng)的進(jìn)行，各方案的抗壓強(qiáng)度值均有明顯提升。在28 d齡期條件下，抗壓強(qiáng)度最高仍舊為方案3，為11.31 MPa，其次是方案2為11.07 MPa。再次為方案4，為10.62 MPa，其余各方案的抗壓強(qiáng)度值相對(duì)較小且比較接近。

表2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 結(jié)石率

試驗(yàn)中對(duì)不同方案28 d齡期試件的結(jié)石率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，各方案的結(jié)石率存在一定的差異，從具體的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，方案2的結(jié)石率最高，說(shuō)明填充體比較致密，整體性相對(duì)較好，其次是方案3和方案1，其余各方案的結(jié)石率相對(duì)較小。但是總體而言，變化量并不大，說(shuō)明膠結(jié)材料經(jīng)過(guò)28 d齡期的養(yǎng)護(hù)作用之后，均可以產(chǎn)生比較好的水化作用，試件的整體性相對(duì)較好。此外，前3種方案的結(jié)石率相對(duì)較高，后3種方案的結(jié)石率相對(duì)較低。由此可見(jiàn)，粉煤灰摻量較小時(shí)，可以在一定程度上提升試件的結(jié)石率，但是提升作用比較有限。

圖1 抗壓強(qiáng)度變化曲線

圖2 各方案結(jié)石率試驗(yàn)結(jié)果

2.3 浸水試驗(yàn)

在輸水隧洞施工中的溶洞充填，經(jīng)常需要面對(duì)富水地質(zhì)環(huán)境和施工條件。由于浸水試驗(yàn)可以在相當(dāng)程度上反映填充材料的工作環(huán)境，因此可以將其作為填充材料性能的重要指標(biāo)，以檢測(cè)充填材料的實(shí)際效果。試驗(yàn)中對(duì)浸水后試件的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，并計(jì)算出其軟化系數(shù)，結(jié)果如表3所示。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不同試驗(yàn)方案浸水后的抗壓強(qiáng)度均存在不同程度的降低，由此可見(jiàn)，此次研究中設(shè)計(jì)的溶洞填充材料存在一定的遇水軟化效應(yīng)。另一方面，不同配合比方案試件的軟化系數(shù)存在一定的差距。其中，軟化系數(shù)最大的為方案2，為0.88；其次為方案3，為0.84。究其原因，可能是這兩種方案的結(jié)石率較高，因此試件的整體性和密實(shí)度較好，所以具有良好的抗浸水軟化性能。從浸水后的抗壓強(qiáng)度值來(lái)看，方案2最大，為9.74 MPa，其次是方案3，為9.50 MPa。

表3 各試驗(yàn)方案浸水試驗(yàn)結(jié)果

綜合方案2和方案3的各項(xiàng)性能，方案2具有良好的抗浸水軟化性能，軟化系數(shù)和浸水后的抗壓強(qiáng)度值最大，方案3浸水前的抗壓強(qiáng)度值較大，且具有良好的早期強(qiáng)度。另一方面，方案3的熟料摻量較大，不具備成本優(yōu)勢(shì)，而考慮填充體的服役環(huán)境和耐久性的要求，方案2無(wú)疑更為適合，因此建議工程建設(shè)中采用方案2設(shè)計(jì)的配合比，也就是粉煤灰摻量為35%；熟料摻量為15%，脫硫石膏摻量為10%，礦渣粉摻量為40%。

3 結(jié) 語(yǔ)

在巖溶地區(qū)的輸水隧洞建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到地下溶洞，而對(duì)其進(jìn)行填充往往是最常用的工程技術(shù)手段。此次研究以工業(yè)固廢資源化利用和降低工程成本為目標(biāo)進(jìn)行固廢充填材料配合比優(yōu)化試驗(yàn)，通過(guò)抗壓強(qiáng)度、結(jié)石率以及浸水試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比分析，提出最佳的配合比設(shè)計(jì)方案。研究結(jié)果可以為相關(guān)研究和工程應(yīng)用提供有益的支持和借鑒。當(dāng)然，工業(yè)固廢種類較多，此次研究?jī)H進(jìn)行了有限的探索和分析，其主要目的是指明工業(yè)固廢在溶洞填充工程中的應(yīng)用可能性和價(jià)值。在今后的研究中，還需要針對(duì)不同種類的工業(yè)固廢填充材料進(jìn)行廣泛的對(duì)比研究，以獲取最佳的材料組合與配比，為工程應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。