一種新型雙液漿加固材料制備及鐵路隧道應(yīng)用效果測(cè)試研究

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)水泥漿液對(duì)隧道進(jìn)行加固效果不理想的問題，提出一種新型雙液漿材料的制備。試驗(yàn)對(duì)雙液漿材料的配比進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化后雙液漿材料的性能進(jìn)行研究，以沈陽某鐵路隧道工程為依托，研究了雙液漿材料對(duì)隧道工程的加固效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%、粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、偏高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%、水玻璃與水泥砂漿體積比為0.5、水玻璃模數(shù)為3.32、黃原膠用量為0.10%時(shí)，制備雙液漿材料性能最優(yōu)，此時(shí)材料流動(dòng)度為292.5 mm，泌水率為4.2%，膠凝時(shí)間為110 s，7、28 d抗壓強(qiáng)度分別為19.5、21.5 MPa，不透水性系數(shù)為9.1，滿足DB11/T 1608—2018標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)出良好的綜合性能。

關(guān)鍵詞：雙液漿注漿材料；加固效果；隧道工程；工程應(yīng)用效果

中圖分類號(hào)：

TQ177.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

A文章編號(hào)：

1001-5922（2024）01-0064-04

Study on preparation of a new double slurry grouting material for water reinforcement and its application effect test in railway tunnel

YANG Chaoshuai1，2，XU Xueliang3，4，LIU Zhihao5，LIU Yongsheng1，2，

WEI Jiayan5，PENG Donglin5

（1.China Railway Tunnel Consultants Co.，Ltd.，Guangzhou 511458，China;

2.Guangdong Provincial Key Laboratory of Intelligent Monitoring and Maintenance of Tunnel Structure，Guangzhou 511458，China;

3.China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;

4.State Key Laboratory of High Speed Railway Track Technology，Beijing 100081，China;

5.College of Civil and Transportation Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，Guangdong China）

Abstract：A new type of double slurry grouting material was proposed to address the issues of unsatisfactory reinforcement effect of traditional cement slurry in tunnel reinforcement.The experiment optimized the ratio of double slurry grouting materials，studied the performance of the optimized double slurry grouting materials.Based on a railway tunnel project in Shenyang，the reinforcement effect of double slurry grouting materials on the tunnel project was studied.The test results showed that when the mass fraction of cement was 9%，the mass fraction of fly ash was 3%，the mass fraction of metakaolin was 3%，the volume ratio of water glass to cement mortar was 0.5，the modulus of water glass was 3.32，and the amount of Xanthan gum was 0.1%，the performance of the prepared double slurry grouting material was optimal.At this time，the fluidity of the material was 292.5 mm，the bleeding rate was 4.2%，the cementation time was 110 s，the 7 d and 28" d compressive strengths were 19.5 MPa and 21.5 MPa，respectively，and the impermeability coefficient was 9.1，which meet the DB11/T 1608-2018 standard，showing good comprehensive performance.

Key words：double slurry grouting material;reinforcement effect;tunnel engineering;engineering application effect

鐵路隧道是現(xiàn)代道路的重要組成部分，承載著較為重要的運(yùn)輸任務(wù)。注漿加固是處理隧道涌水隱患最常用的一種方式，但傳統(tǒng)水泥漿料在注漿過程中，受其特性的影響，存在耐久性差，加固效果不理想的問題，針對(duì)此問題，如制備了一種納米二氧化雙液漿注漿材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究［1］。針對(duì)隧道突發(fā)涌水的問題，制備了一種新型聚氨酯復(fù)合雙液漿注漿材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究［2］。以赤泥為原料，制備了一種綠色高性能雙液漿注漿材料，并對(duì)其性能進(jìn)行研究［3］。選用超細(xì)礦渣粉（UFS）和硅灰（SF），研制出一種綠色環(huán)保高性能的雙液漿注漿材料［4］。以上學(xué)者的研究為提升雙液漿材料的性能提供了參考，但在實(shí)際應(yīng)用方面，還有需要優(yōu)化的部分。基于此，參考文獻(xiàn)［5］、文獻(xiàn)［6］研究的方法，嘗試制備了一種雙液漿材料，并對(duì)其實(shí)際工程應(yīng)用效果進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：減水劑（AR）， 焌烽化工；鈉基膨潤(rùn)土（標(biāo)準(zhǔn)級(jí) 雍聯(lián)新材料）；黃原膠（Ⅱ級(jí)），玖宇生物科技；水泥（P·O42.5 康輝耐材）；粉煤灰（Ⅱ級(jí)），嘉功礦產(chǎn)品；偏高嶺土（Ⅰ級(jí)），科旭建材；水玻璃（標(biāo)準(zhǔn)級(jí)），原易化工。

主要設(shè)備：JJ-5型水泥砂漿攪拌機(jī)（鑫科建筑儀器）；MX-B型萬能試驗(yàn)機(jī)（臺(tái)碩檢測(cè)儀器）；SS-15型砂漿抗?jié)B儀（盛世慧科）。

1.2 雙液漿材料的制備

雙液漿材料主要分為2部分：A部分為水泥漿料，B部分為水玻璃，二者混合后，得到目標(biāo)雙液漿材料。具體制備過程為：

（1）依次在提前清潔過的攪拌鍋內(nèi)放入80%水，1%減水劑、4%填料（鈉基膨潤(rùn)土+黃原膠）和15%粉料，打開攪拌機(jī)，設(shè)置模式為快攪模式進(jìn)行混合，攪拌時(shí)間為3 min，得到水泥漿料。水泥漿料主料配比見表1；

（2）按照設(shè)計(jì)的水玻璃與水泥漿料的（CS）體積比量取適量的水玻璃與水泥漿料進(jìn)行混合，得到目標(biāo)雙液漿材料。設(shè)置CS體積比為0.25、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8；

（3）將雙液漿材料倒入提前刷油的模具內(nèi)，室溫養(yǎng)護(hù)1 d后拆模編號(hào)，然后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至指定齡期。

1.3 性能測(cè)試

抗壓強(qiáng)度：

參照J(rèn)GJ/T 70—2009中的方法，通過萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試［7-8］。

抗?jié)B性能：

參照J(rèn)GJ/T 70—2009中的方法，通過砂漿抗?jié)B儀對(duì)水泥砂漿試件的不透水系數(shù)進(jìn)行測(cè)試，表征材料的抗?jié)B性能。

泌水率：

通過對(duì)漿液中澄清水體積的測(cè)定，計(jì)算雙液漿材料的泌水率。

流動(dòng)度：

參照GB/T 8077—2012中的方法對(duì)雙液漿材料的流動(dòng)度進(jìn)行測(cè)試［9-10］。

膠凝時(shí)間：

膠凝時(shí)間為雙液漿材料的凝固時(shí)間。

1.4 工程應(yīng)用

1.4.1 工程概況

以某鐵路區(qū)間開挖的隧道工程為依托，其開挖斷面寬度和高度分別為6.5 m和6.9 m，基巖為強(qiáng)風(fēng)化巖石地層［11-13］。在隧道開挖中同時(shí)存在給水、雨水、污水。

1.4.2 注漿方案

注漿漿液分別為水泥砂漿和本試驗(yàn)自制的雙液漿材料，以注漿后鉆孔滲水情況對(duì)隧道加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)［14-16］。

2 結(jié)果與討論

2.1 配比優(yōu)化

2.1.1 水泥漿料主料配比優(yōu)化

由于水泥漿料配比主要對(duì)雙液漿材料的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響，因此以抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)，對(duì)水泥漿料主料配比進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見圖1。

由圖1可知，在3種水泥漿料主料配比中，C組配比制備的樣品在7 d和28 d抗壓強(qiáng)度均明顯高于其余2組，表現(xiàn)出良好的抗壓性能。這是因?yàn)橹髁现泻械某煞只钚圆煌虼思ぐl(fā)點(diǎn)也不相同，在養(yǎng)護(hù)早期，偏高嶺土在水玻璃激發(fā)作用下，生成類沸石物質(zhì)，對(duì)體系內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)性有增強(qiáng)作用，進(jìn)而增強(qiáng)了注漿試件的早期強(qiáng)度［17］。在養(yǎng)護(hù)后期，主要發(fā)生粉煤灰火山灰反應(yīng)，進(jìn)一步生成膠凝性物質(zhì)，進(jìn)一步增加了雙液漿材料的強(qiáng)度［18］。綜上，選擇適合的水泥漿料主料配比為水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)9%，粉煤灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%，偏高嶺土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%。

2.1.2 CS體積比優(yōu)化

CS體積比主要對(duì)抗?jié)B性能產(chǎn)生影響，因此以抗?jié)B性能為指標(biāo)，對(duì)CS體積比進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見圖2。

由圖2可知，隨CS體積比的增加，樣品的不透水指數(shù)表現(xiàn)出先增加，后平衡，再下降的變化趨勢(shì)。當(dāng)CS體積比為0.5時(shí)，結(jié)石體不透水性指數(shù)達(dá)到最高9.11，表現(xiàn)出良好的抗?jié)B性能。而CS體積比越大，水玻璃用量越多，對(duì)偏高嶺土的激發(fā)作用越好，對(duì)材料內(nèi)部的毛細(xì)孔的填充作用越好，減少了孔隙連接通道，增加了材料的抗?jié)B性能［19-20］。而體系內(nèi)水玻璃含量過多時(shí)，對(duì)水泥漿料有一定稀釋作用，對(duì)膠凝材料的水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生影響，使得材料抗?jié)B性能有一定降低。因此，選擇適合的CS體積比為0.5。

2.1.3 水玻璃模數(shù)優(yōu)化

圖3為水玻璃模數(shù)對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。

由圖3可知，水玻璃模數(shù)為3.32制備的雙液漿材料抗壓強(qiáng)度較佳，且在養(yǎng)護(hù)后期，這種差異更加明顯。這是因?yàn)樗Ａ?shù)過高時(shí)，溶液黏度較高，液相離子活性降低，削弱了水玻璃對(duì)水泥漿料的激發(fā)效果，使其抗壓強(qiáng)度有一定下降。在后續(xù)試驗(yàn)中，選擇水玻璃模數(shù)為3.32。

2.1.4 黃原膠用量?jī)?yōu)化

黃原膠在體系內(nèi)是作為一種高能增稠劑使用，因此主要對(duì)體系的泌水性產(chǎn)生影響。以泌水率為指標(biāo)，對(duì)黃原膠用量進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，隨黃原膠用量的增加，雙液漿材料泌水率表現(xiàn)出先不變，后上升，最后下降的變化趨勢(shì)。實(shí)際工程中，雙液漿材料的泌水率需要控制在 5%以內(nèi)，因此選擇適合的黃原膠用量為0.1%。

2.2 基礎(chǔ)性能測(cè)試

對(duì)優(yōu)化配比后的雙液漿材料的基礎(chǔ)性能進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。

由表2可知，試驗(yàn)制備的雙液漿材料流動(dòng)度為292.5 mm，泌水率為4.2%，膠凝時(shí)間為110 s，7 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別為19.5 MPa和21.5 MPa，不透水性系數(shù)為9.1，滿足DB11/T 1608—2018標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)出良好的綜合性能。

2.3 實(shí)際工程應(yīng)用

水泥漿液和雙液漿材料對(duì)富水砂層隧道進(jìn)行加固處理，以鉆孔出水量為指標(biāo)，對(duì)加固效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果見圖5。

由圖5可知，經(jīng)過水泥砂漿注漿處理后，孔出水量雖然降至0.1 L/（min·m）以下，但幾乎所有孔洞均出現(xiàn)線狀流水的情況，達(dá)不到無水作用要求。而經(jīng)過雙液漿材料進(jìn)行加固處理后，孔出水量幾乎降至0，且孔洞不出現(xiàn)明顯滲水現(xiàn)象，滿足工程需求，表現(xiàn)出良好的加固效果。試驗(yàn)制備的雙液漿材料具備較好的流動(dòng)度和較短的膠凝時(shí)間，既能滿足注漿需求，又能達(dá)到較好的加固效果。

3 結(jié)語

（1）在偏高嶺土和粉煤灰的共同作用下，雙液漿材料的抗壓強(qiáng)度得到有效增強(qiáng);

（2）水玻璃用量和CS體積比對(duì)雙液漿材料的抗?jié)B性能產(chǎn)生影響;

（3）水玻璃模數(shù)過高時(shí)，溶液黏度較高，液相離子活性降低，削弱了水玻璃對(duì)水泥漿料的激發(fā)效果，對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不良影響;

（4）黃原膠可有效提升雙液漿材料的泌水率，當(dāng)黃原膠用量為0.1%時(shí)，材料泌水率低于5%，滿足工程需求;

（5）優(yōu)化配比后的雙液漿材料各個(gè)性能均滿足DB11/T 1608—2018標(biāo)準(zhǔn)，表現(xiàn)出良好的綜合性能;

（6）雙液漿材料具備較好的流動(dòng)度和較短的膠凝時(shí)間，既能滿足注漿需求，又能達(dá)到較好的加固效果，可以在隧道加固工程中發(fā)揮作用。

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