富水孔隙地質條件下注漿材料改性與加固技術研究

摘 要：為了獲得經濟成本更低且強度更高的注漿材料，利用石英砂和粉煤灰對水泥基注漿材料進行了改性，并研究了改性材料的最佳配比和改性水泥基注漿材料的宏觀及微觀特征。抗壓和抗折強度試驗表明，改性水泥基注漿材料的最佳配合比為：水泥∶石英砂∶粉煤灰∶高效減水劑∶膨脹劑=80∶10∶10∶0.25∶0.13，此時材料的抗壓和抗折強度分別超過120 MPa和20 MPa，同時表現出良好的力學性能和流動性。微觀特征表明，石英砂可在材料中起到骨料的骨架作用，而粉煤灰能增強材料內部的致密性，減小材料內部的孔隙大小。

關鍵詞：富水；注漿材料；最佳配比；力學性能；微觀特征

中圖分類號：TQ177.6 + 2;TU528 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0039-04

Research on modification and reinforcement technologyof grouting materials under rich water poregeological conditionsMA Jianwei（Guilin Water Conservancy and Electric Power Survey and Design Institute，Guilin 541001，Guangxi China）

Abstract：In order to obtain the grouting material with lower economic cost and higher strength，the cement-basedgrouting material was modified by quartz sand and fly ash，and the optimal ratio of the modified material and the mac?ro and micro characteristics of the modified cement-based grouting material were studied. The compressive strengthand flexural strength tests showed that the optimum mixture ratio of the modified cement-based grouting materialswas：cement ∶quartz sand∶fly ash∶high-efficiency water reducing agent ∶expansion agent=80∶10∶10∶0.25∶0.13，and the compressive strength and flexural strength of the materials exceeded 120 MPa and 20 MPa，respectively. Atthe same time，it showed good mechanical properties and fluidity. The microscopic characteristics showed thatquartz sand could play a skeleton role in the material，while fly ash could enhance the inner densification of the ma?terial and reduce the pore size inside the material.

Key words：water-rich；grouting material；optimal ratio；mechanical properties；microscopic characteristics

目前針對富水且孔隙發達的巖土體的治理，主要采用開挖法、錨固法、置換法和注漿加固法，但前3種方法存在治理效果不明顯、工程量大和經濟成本較高等缺陷 [1-2] 。因此，注漿加固技術作為地下工程施工中應用較廣的技術手段 [3] ，對于富水且孔隙發達的巖土體而言其技術和理論創新勢在必行。當前，市場上使用的注漿材料種類較多，主要包含傳統注漿材料 [4] 、化學或高分子注漿材料 [5] 、新型改性注漿材料等 [6] 。但是傳統注漿材料存在凝結時間過長、抗沖刷能力差和結實率低等缺點；化學或高分子注漿材料又存在造價過高且對環境污染較大等缺點；新型改性注漿材料種類繁多，如利用粉煤灰、礦渣、硅灰、水玻璃、氧化石墨烯等進行改性 [7-8] ，且尚無標準的規范，針對不同的工程環境難以明確地找到相應的改性注漿材料。本文以P II 52.5硅酸鹽水泥為基體，采用粉煤灰和石英砂復合材料為改性劑，配合其余添加劑制備改性水泥基注漿材料，通過研究改性材料的流動性、力學強度、膨脹率和微觀結構等特征判斷材料是否滿足富水且孔隙發達的巖土體的注漿加固工程。

1 原材料及試驗方案

1. 1 原材料

本文采用的水泥為P·II 52.5硅酸鹽水泥，其初凝時間為140 min，終凝時間為180 min；養護28 d后的水泥抗壓強度為61.8 MPa，抗彎強度為8.8 MPa，其化學成分如表1所示。采用的粉煤灰為I級，其化學成分如表1所示。石英砂的表觀密度為2 580 kg/m 3 ，含泥量和細度模數分別為0.9%和2.8。其余添加劑包括減水率為35%的聚羧酸型高效減水劑和比面積為485m 2 /kg的硫鋁酸鈣類膨脹劑。

1. 2 試樣制備及試驗方法

在攪拌鍋中加入水灰比為 0.26 的水泥、粉煤灰、石英砂和水，低速攪拌 0.5 min 后加入不同配比的減水劑和膨脹劑，隨后繼續高速攪拌 5 min，得到注漿材料。按照《水硬性水泥砂漿流量標準試驗方法》（ASTM C1437—15）對材料的流動度進行測試；力學性能試驗按《水泥砂漿強度試驗方法》（GB/T 17671—1999）進行；自由膨脹率試驗依據規范（JTG/T3650—2020）進行；最后通過微觀電鏡和壓汞儀（MIP）對改性注漿材料的微觀結構和孔隙特征進行探究，為分析和驗證材料力學性能試驗結果提供理論依據。

2 試驗結果及分析

2. 1 粉煤灰及石英砂單獨改性效果分析

粉煤灰和石英砂單獨作用下改性水泥基注漿材料的抗壓和抗折強度變化趨勢如圖1所示。

從圖1可以看出，添加 5%～30%粉煤灰后，注漿材料的抗壓和抗折強度均呈現出先增大后降低的趨勢，粉煤灰添加量為 20%時，材料的抗壓強度和抗折強度值最高，分別提高到 72.2 MPa 和14.6 MPa，相比于未添加粉煤灰的對照組而言，上升了 6.18%和 10.61%。同時，當石英砂摻量小于15%時，注漿材料的力學性能有所提高；當石英砂摻量大于15%時，注漿材料的力學性能有所下降。石英砂添加量為5%時，材料的抗壓強度和抗折強度值最高，分別提高到73.8 MPa和16.5 MPa，相比于未添加粉煤灰的對照組而言，上升了8.53%和25.0%。這是因為石英砂能在一定的摻量下發揮骨料的骨架作用 [9] 。

2. 2 復合改性效果分析

固定石英砂的摻量為5%和10%，通過改變粉煤灰的摻量配置了8組復合改性劑，研究了粉煤灰和石英砂復合改性水泥基注漿材料的抗壓和抗折強度，其中“Q”代表石英砂， “F”代表粉煤灰，后面的數字代表該物質所占的比例，試驗結果如圖2所示。

從圖2可以看出，當石英砂摻量保持在5%或10%時，注漿材料的力學性能隨水泥摻量的減少和粉煤灰的增加先升高后降低，當石英砂和粉煤灰摻量均為10%時，材料的力學性能最優，此時抗壓強度和抗折強度分別為119.4 MPa和20.5 MPa。這是由于石英砂和水泥的主要粒徑分別為160 μm和40 μm，而粉煤灰的主要粒徑為1～3 μm。因此，粉煤灰對注漿材料的孔隙填充和二次水化具有雙重積極作用，雖然水化產物會隨著水泥的減少而減少，但粉煤灰的這種積極作用克服了水泥水化產物減少的負面影響 [10] 。當水泥摻量減少至75%，粉煤灰摻量增加到20%時（Q5F20），由于水泥水化產物不足，注漿材料的性能急劇下降。因此，石英砂作為骨架結構，水泥將石英砂與粉煤灰凝膠化形成整體結構，粉煤灰通過二次水化作用填充結構孔隙，進一步提高結構密實度。結合試驗結果，確定水泥、石英砂和粉煤灰的最佳摻量分別為80%、10%和10%。

2. 3 減水劑對材料流動性的影響

在確定水泥、石英砂和粉煤灰的最佳配合比之后，繼續探索減水劑摻量對材料流動性能發影響。在滿足力學性能基礎之上，通過減水劑等調節材料的流動性能，減水劑摻量對材料流動度的影響如圖3所示。

從圖3可以看出，注漿材料的初始和30 min流動性隨著高效減水劑的加入均逐漸增大，當高效減水劑的摻量達到0.30%后，材料的初始流動性和30 min流動性分別為355 mm和293 mm。此外，初始流動性和30 min流動性的增長幅度隨著高效減水劑的加入而逐漸減小。考慮到規范中對初始和30 min流動性的要求以及材料成本，確定高效減水劑的最佳用量為0.25%。

2. 4 膨脹劑對材料膨脹性的影響

在水泥、石英砂、粉煤灰和減水劑最佳摻量下，探索膨脹劑摻量對材料自由膨脹率的影響，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨著膨脹劑的加入，注漿材料的自由膨脹率逐漸提高。當膨脹劑的摻量達到0.16%后，注漿材料1 h和24 h的自由膨脹率分別提高到1.95%和0.55%。考慮自由膨脹率和材料成本的要求，確定膨脹劑的最佳用量為0.13%。

2. 5 材料微觀特征研究

材料的微觀結構可以從微觀層面上一定程度反映材料的宏觀性能，改性注漿材料的微觀形貌如圖5所示。

從圖5（a）可以看出，注漿材料呈現出致密的微觀結構，幾乎沒有觀察到氣孔和裂紋。在圖5（b）中，隨著放大倍數的增加，材料的微觀結構表面粗糙但致密，同時可以清晰地觀察到粉煤灰球體和水化產物。同時，粉煤灰球體和石英砂均與被水化產物緊密相連，未觀察到弱界面過渡區。因此，在微觀層面上形成了一個完整的連續結構，這使得改性注漿材料具有較高的抗壓強度和抗折強度。

為了進一步驗證掃描電鏡的測試結果，利用壓汞儀（MIP）測試了不同類型注漿材料的孔隙率，測試結果如圖6所示。

從圖6可以發現，石英砂的加入會使材料的孔隙有所增大，這是由于石英砂類似于骨料，難以避免地會產生一些弱面過渡區，從而增加材料的孔隙率。復合改性劑改性注漿材料中還加入了減水劑和膨脹劑，而膨脹劑的加入略微增加了材料的孔徑，尤其是增加了10 nm以下孔徑的數量。這是由于膨脹劑通過產生氮氣等氣體減少了漿液的收縮，但是對材料的孔隙結構沒有顯著影響。同時，在添加粉煤灰后，20nm左右的孔隙減少，10 nm以下的孔數量顯著增加。有研究表明，孔徑小于20 nm的屬于無害孔隙 [11-12] 。因此，粉煤灰的加入改變了注漿體系的孔隙結構和孔徑分布，整體上是有利于材料的性能提升的，即從宏觀上看，材料表現出力學性能的改善。

3 結語

（1）適量石英砂或粉煤灰單獨及復合作用下均可提高水泥基注漿材料的力學性能，試驗結果表明，石英砂及粉煤灰復合改性水泥基注漿材料的最佳配合比為：水泥∶石英砂∶粉煤灰∶高效減水劑∶膨脹劑=80∶10∶10∶0.25∶0.13；

（2）微觀特征表明，石英砂可在材料中起到骨料的骨架作用，而粉煤灰能增強材料內部的致密性，減小材料內部的孔隙大小。

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