膨胀岩土的快速防护材料研究

刘 军，龚壁卫，徐丽珊，侯雪梅

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

1 概 述

南水北调中线工程输水总干渠全长1 427．2 km，以明渠为主，跨越地貌单元多，工程地质条件复杂，膨胀岩（土）问题是南水北调中线工程的一个主要工程地质问题。膨胀岩是一种遇水膨胀、软化，失水收缩，易崩解的特殊软岩。膨胀岩渠坡开挖初期一般完整性较好，由于含有大量亲水性黏土矿物而具有湿胀干缩特性，如不及时防护，开挖后的渠坡暴露在大气中，经受湿胀干缩风化作用，表土的原始结构将逐渐破坏，裂隙逐渐发展，土质松散，密度降低，表层土的强度降低。此层在雨季又极易吸水饱和，甚至出现流塑状态，在重力增加和强度大大降低的条件下发生变形或滑坡，严重影响构筑物的安全稳定。因此，膨胀岩渠坡破坏的主要因素是岩土体的湿胀干缩特性，要防止膨胀岩渠坡的变形与滑坡，必须对开挖后的坡面进行及时防护。为此，研究膨胀岩渠坡开挖后的快速防护技术及防护材料具有重要的工程意义和实用价值。

2 研究现状

目前，工程上坡面病害常用的坡面防护措施主要有：水泥砂浆抹面、喷浆、浆砌片石护坡、锚杆挂网喷混凝土、钢纤维混凝土喷锚、土工织物加筋、植被防护、化学防护等。上述坡面防护措施在许多工程中得到了广泛应用，在使用时各有利弊，如：水泥砂浆或混凝土抹面［1］与坡面岩石的粘结性不好，难以形成整体；浆砌片石护坡（常结合坡脚挡墙）、锚杆挂网喷混凝土、钢纤维混凝土喷锚［2］等在膨胀岩坡体稳定的前提下防护效果一般均良好；土工织物加筋［3］可有效提高渠坡表层土体的抗剪强度和整体稳定性，但一般用于渠坡处理而非坡面防护；植被防护［4］可有效保水、防冲刷，但草种及施工方法的选择常受到渠坡地质条件、产状特征及其所处地域的水文气候特点的影响，使其使用范围上受到限制；化学防护［5－7］则大多根据具体工程及其土性使用有针对性的化学改性液。

根据本工程的特点，膨胀岩渠坡的快速防护材料主要作用是对开挖后的坡面进行及时防护，为渠坡的进一步处理争取时间，因此，快速防护材料应具有保湿、防水、有一定强度、易于施工、经济实用的特点。

快速防护材料可分为无骨料防护材料和有骨料防护材料两种。其中，无骨料防护材料多为流塑状或溶液，应用于开挖后的膨胀岩渠坡后，应当与膨胀岩有较好的亲和性，能够快速浸入坡面一定深度，并在表面形成防护膜，以起到阻止膨胀岩表面水分蒸发和外部水分进入的作用。作为无骨料防护材料的一种，工程上常用的气硬性胶凝材料——水玻璃具有良好的成膜性能、一定的粘结力和较好的渗透性，无毒无害，且一般价格低廉，经济实用。因此，初步选择水玻璃作为膨胀岩渠坡开挖后的无骨料快速防护材料研究的原材料，但它的粘结强度是否能够满足工程需要，尚有待研究，同时，单独使用水玻璃，还是需要添加一种或几种其他物质才能满足要求，也需要进一步研究。

有骨料快速防护材料的研究以水泥砂浆为思路，充分利用当地开挖弃料——膨胀岩并将其作为骨料之一，再通过添加其他改性剂或快凝材料，实现快速防护的目的。试制的防护材料应具有以下特点：①节省水泥、石料，且适宜喷护，有一定的流动性、浸润性；②具有较好的耐水性及抗渗性；③凝固时间短；④有一定的厚度。

3 试验设计及过程

3．1 无骨料快速防护材料试验

首先选取建筑工程中常用的与水玻璃混合应用的材料（氯化钙、矾、三乙醇胺、尿素、膨润土、硼砂、戊五醇），根据工程经验配比进行快速防护材料的试配试验，主要试验指标为材料的成膜性。

在上述试验成果基础上，初步选出了膨润土、硼砂、尿素作为进一步试验的材料，同时上述试验过程中对各种材料的掺入量进行初步判断。在此基础上，以材料的粘结力强度为主要指标进行下一步的试验，主要采用膨胀岩的无侧限抗压强度表征材料粘结强度的方法，测试材料的粘结强度，并与水玻璃单液的粘结强度进行比较，选择试验中成膜性能好，且粘结强度大的为优化配方。

3．2 有骨料快速防护材料试验

借鉴普通水泥砂浆坡面防护的配合比进行试验设计，设计原则是在尽量减少水泥用量的前提下加入当地开挖弃料泥灰岩作为骨料，以节约工程造价，获得更好的工程效果和经济效益。结合无骨料快速防护材料的试验结果，为了克服水泥砂浆与坡面粘结性不好的问题，在有骨料快速防护材料中添入快凝材料和膨润土。试验时以水灰比和泥灰岩的掺入量为研究重点，根据凝固情况及抗压强度选择最优配比。

4 试验结果及分析

4．1 无骨料快速防护材料

试验首先测试了氯化钙溶液、矾、三乙醇胺＋尿素、超细钠基膨润土、硼砂、戊五醇等对水玻璃的成膜性能、粘结性能的影响，结果如表1所示。

上述试验对各种材料掺入后的性能及掺入量进行了简单的判断，在此基础上，选出膨润土、硼砂、尿素并设计不同的掺量做进一步的试验。

结果表明，在水玻璃中加入适量的膨润土、硼砂（2种配比分别命名为KS1，KS2快速防护材料。因本文相关试验成果正在申请专利，在此仅以代号表示，下同）不仅可以改善溶液的溶解情况，而且还能有效提高其粘结强度，基本满足快速防护的要求；而使用尿素时，虽然可以比平时更好地改善溶液的溶解情况，但对其粘结强度几乎没有提高作用。

表1 水玻璃中添加相关材料后的成膜性能Table 1 Film forming property of water glass added related materials

4．2 有骨料快速防护材料

以水泥、粗骨料、泥灰岩为主要成分，掺入膨润土、快凝材料进行了各种配比试验。结果表明，在上述材料适量的情况下，配合比KS3快速防护材料具有较好的耐水性及抗渗性，凝固时间短，材料的流动性能满足施工便利的需要，7 d抗压强度大于4．0 MPa，且大量节约了水泥和粗骨料用量。

4．3 验证试验

为验证快速防护材料的防护效果，以新乡泥灰岩、南阳中膨胀土、邯郸强膨胀土等3种不同膨胀性的岩土为试验对象，采用70 mm×70 mm×70 mm的立方体试样，进行无防护材料、KS3快速防护材料以及常规水泥砂浆等3种土样的比较试验，以试样随时间的体缩量作为防护效果的判别指标，成果分析如下。

4．3．1 新乡泥灰岩（弱膨胀性）

试样在3种不同的防护条件下的体缩量与时间的关系曲线如图1所示。

从图1中可以看出，无防护的条件下，试样体缩量随时间的增加变化是非常明显的，最大体缩量为1．82 mm3；在水泥砂浆防护的条件下，试样在前期的体缩量均小于无防护的情况，其值大约是无防护时的1／2，但最终体缩量与无防护时相当；KS3快速防护材料防护的条件下，试样体缩量变化最小且变化平缓，最大体缩量只有0．28 mm3。

通过上述对比分析可以得出，同等试验环境下，KS3快速防护材料对新乡泥灰岩的防护效果十分显著。

4．3．2 南阳膨胀性土（中膨胀性）

试样在3种不同的防护条件下的体缩量随时间的关系曲线如图2所示。

图1 不同防护措施下新乡泥灰岩体缩量对比图Fig．1 Comparison of the volumetric reduction amount of Xinxiangmarl under different protectingmeasures

图2 不同防护措施下南阳中膨胀土体缩量对比图Fig．2 Comparison of the volumetric reduction amount of Nanyangmiddle expansive soil under different protectingmeasures

从图2中可以看出，无防护条件下，试样体缩量变化规律与新乡泥灰岩试样类似，试样最大体缩量为2．91 mm3；水泥砂浆防护条件下，试样的体缩量大约是无防护的1／2；KS3快速防护材料防护的条件下，试样体缩量变化最小且变化平缓，最大体缩量只有0．74 mm3。说明在同等试验环境下，KS3快速防护材料对南阳中膨胀土的防护效果也优于水泥砂浆。

4．3．3 邯郸膨胀岩（强膨胀性）

试样在3种不同的防护条件下的体缩量与时间的关系曲线如图3所示。从图3中可以看出，前262 h，3种材料的体缩量基本相当，而在262 h以后，KS3快速防护材料的体缩量甚至高于无防护和水泥砂浆防护试样，其原因尚待分析。由于试验历时较长，相关的验证试验尚在进行之中。因此，KS3快速防护材料对于强膨胀性岩土的防护问题还有待进一步研究。

图3 不同防护措施下邯郸强膨胀土体缩量对比图Fig．3 Comparison of the volumetric reduction amount of Handan strong expansive soil under different protectingmeasures

5 结 论

通过试验验证，无骨料快速防护材料（KS1，KS2快速防护材料）浸泡后的土样收缩率在开始阶段有明显减小，但随着时间的推移其线缩率反而比裸露试样的大。因此，无骨料快速防护材料对膨胀岩渠坡的有效防护时间和防护效果还有待于现场试验进一步验证。

有骨料快速防护材料KS3主要在水泥砂浆防护材料的基础上进行改进，研究了添加当地开挖弃料泥灰岩后的配方及防护效果，试验证明是一种可行的防护材料。KS3快速防护材料能够有效阻隔坡内土体与外界的水分交换，不仅克服了传统水泥砂浆与坡面粘结性不好易开裂的问题，而且能够合理利用当地开挖弃料，节省了水泥和粗骨料的用量，带来了较明显经济效益，具有良好的推广价值。

从对3种不同膨胀性能的土的防护效果来看，配制的有骨料快速防护材料KS3对弱、中膨胀性岩土具有较好的防护效果，但对强膨胀性岩土，其配方还有待进一步调整和研究。此外，目前室内验证试验的方法还略显粗糙，今后还有必要提出更多的验证试验方法和指标验证防护材料的防护效果。

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