巷道围岩注浆水泥浆液性能试验研究

张 峰，成云海，任 禹，张 东

（1.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南235001；2.安徽金黄庄矿业公司，安徽 宿州235200）

矿井巷道围岩注浆加固与一般的完整岩土注浆工程不同［1］，巷道周边较大范围内的岩体已进入破裂状态，导致围岩强度和整体性急剧下降。工程实践表明，巷道围岩注浆的有效作用范围主要是巷道浅部的围岩，即处于低围压约束下的松动破裂岩体，注浆作用方式以静压渗透注浆为主。对于巷道围岩注浆材料［2－4］，通常要求结石体强度高、材料来源广泛、成本低廉、工艺简单、施工灵活、无毒无污染。由于围岩破裂岩体裂隙宽度较大，水泥浆液颗粒一般能够渗透到裂隙中。所以，目前我国煤矿巷道围岩注浆材料仍以水泥浆液为主。

对水泥浆液基本性能进行细致的系统试验研究，并根据具体工程要求优选浆液配比，对于指导巷道围岩注浆设计与施工至关重要。

1 试验方案

根据以往巷道围岩注浆工程实践经验，选择P·O42.5、P·O52.5两种标号普通硅酸盐水泥和0.5∶1、0.6∶1、0.7∶1、0.8∶1、1∶1、1.2∶1等六个水灰比等级，并按照外加剂产品使用说明要求添加1%的塑化剂（又称减水剂）、4%的速凝剂进行多因素、多水平的全面组合试验，分别测定各种配比浆液的黏度、析水率、结石体单轴抗压强度等3个指标［5］。

对于水泥浆液难以像化学浆液一样精确控制凝胶时间，而且围岩裂隙发育极不均匀，各孔注浆时间差异大。因此，本次试验不对水泥浆液凝胶时间进行控制和测定。

本次试验使用水泥浆外加剂为某公司生产的液态聚羧酸超塑化剂和液态无碱速凝剂。

1.1 黏度测试

黏度是度量流体粘滞性大小的物理量［6］。为便于施工现场测试，使用JND－1006型黏度计测试漏斗流出一定量浆液所用的时间来表示该水泥浆液的黏度，单位为秒（s）。

1.2 析水率测试

析水性是指水泥浆液所含水分从浆体中析出的难易程度，常以析水率表示。析水率是指浆液析出水的体积与水泥浆总体积之比，按下式计算。

式中：P为水泥浆液析水率，%；V1为析出水的体积，mL；V0为水泥浆液的总体积，mL。

1.3 结石体单轴抗压强度测试

使用螺丝紧固式圆柱腔金属模具。每种配比浆液制作9个试块，24h后拆模，标明制作日期、水灰比、外加剂种类及用量。按照《GB／T 17671－1999水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》［7］要求养护，分别测试1d、7d、28d龄期单轴抗压强度。试验仪器为RMT－150B岩石力学测试系统，测试前按Φ50mm×100mm标准规格打磨加工试件。每种配比、龄期测试3块试件，取平均值作为试验结果。

2 试验结果

将各种配比的水泥浆液黏度、析水率、结石体单轴抗压强度试验结果汇总于表1。

表1 试验结果汇总

3 试验结论

3.1 黏度

1）浆液黏度随水灰比的增大而减小，见图1。

2）无论是水泥净浆还是添加外加剂后的水泥浆，水灰比较小（如0.5～0.7）时，水灰比变化对黏度影响明显，而水灰比较大（如0.8～1.2）时，水灰比变化对黏度的影响不明显。

3）塑化剂能够有效降低浆液黏度。尤其在0.5、0.6等较小水灰比时，添加1%的塑化剂后浆液黏度降低29%～42%；水灰比为0.7的浆液添加1%的塑化剂后，黏度接近水灰比为1的浆液，减水效果明显。

4）速凝剂会大幅提高浆液黏度。同时添加塑化剂和速凝剂时，速凝剂对浆液黏度的影响起主导作用。

5）相同配比不同标号水泥浆液在0.5、0.6等较小水灰比时，P·O52.5浆液黏度较P·O42.5浆液黏度平均低18.1%，在0.7～1.2等较大水灰比时基本持平。这一结果可能是由于较大水灰比时净浆本身黏度较低，测试仪器精度不高造成的。

图1 浆液黏度－水灰比关系（P·O42.5）

3.2 析水率

1）浆液析水率随水灰比的增大而增大，见图2。

2）塑化剂会显著提高浆液析水率。添加1%的塑化剂后浆液析水率平均提高37.8%，对于膨胀性软岩围岩注浆不利。

3）速凝剂能显著降低浆液析水率。同时添加塑化剂和速凝剂时，浆液析水率平均降低47.2%。

4）P·O52.5水泥浆液24h后析水率普遍较P·O42.5水泥浆液析水率低，平均低28.3%。

5）浆液析水速度随时间推移快速衰减，约50%以上的析水水量产生于浆液制成后1h之内，约80%以上产生于3h之内，12h后析水量基本稳定，见图3。

3.3 结石体单轴抗压强度

1）水泥浆液结石体强度随水灰比的增加而降低，如图4所示。

图2 浆液析水率－水灰比关系（P·O42.5）

图3 浆液析水率－时间关系（P·O42.5）

2）塑化剂能大幅提高水泥浆结石体强度。添加1%的塑化剂后，P·O42.5、P·O52.5浆液结石体28d龄期单轴抗压强度平均提高31.3%和24.1%。

3）速凝剂会降低水泥浆结石体强度。同时添加塑化剂与速凝剂时，P·O42.5、P·O52.5浆液结石体28d龄期强度分别平均降低20.5%和11.9%。并且，随着速凝剂掺量的增加，水泥浆结石体强度会进一步降低。

4）P·O52.5水泥浆液28d龄期结石体单轴抗压强度普遍较P·O42.5浆液结石体高，平均高13.1%。

5）按式（2）分别计算各种浆液析水后实际水灰比。

式中：CS为浆液去除析水量后的实际水灰比；C为浆液初始水灰比，即配制时水灰比；ρ为浆液密度；P为浆液析水率。

对比各种浆液析水后的实际水灰比与结石体强度关系可以发现：导致浆液添加外加剂后结石体强度变化的实质因素是外加剂影响了浆液析水率，改变了浆液实际水灰比，从而影响了水泥水化作用过程和结石体强度。例如，水灰比为0.5～1.2的P·O42.5水泥浆液，按式（2）计算去除析水量后的实际水灰比，各种净浆的实际水灰比均在0.33～0.39之间，平均0.36，添加1%的塑化剂后浆液实际水灰比降至0.12～0.30，平均0.22，较净浆低40.0%，浆液结石体强度则平均提高15.8%，而同时添加1%的塑化剂4%的速凝剂后浆液实际水灰比升至0.50～0.72，平均0.61，较净浆高67.8%，浆液结石体强度则平均降低14.7%。

4 结语

1）从试验结果可以看出，水泥标号、水灰比对和外加剂对水泥浆液的黏度、析水性以及其结石体强度有显著影响。

2）塑化剂对于提高浆液流动性、提高结石体强度作用效果明显。

3）提出水泥浆液添加塑化剂、速凝剂等外加剂后结石体强度变化的原因是外加剂影响了浆液析水率，改变了浆液实际水灰比，从而影响了水泥水化作用过程和结石体强度。

4）用于围岩注浆时，P·O52.5标号普通硅酸盐水泥较P·O42.5浆液黏度、析水性和结石体抗压强度等方面性能优越。

5）综合考虑浆液黏度、析水性、结石体强度等性能指标，最终确定适合巷道围岩注浆的优化配方为：P·O52.5普通硅酸盐水泥、水灰比0.7～0.8、塑化剂1%。现场施工中可根据岩土介质的性质、施工机具、浆液杂质、环境温度等因素在0.7～0.8水灰比之间适当调整。对于水害严重的围岩环境，可添加4%的速凝剂降低析水率以避免注浆析水对围岩的危害。不过此时为了满足流动性要求，水灰比需提高到0.8以上，而且结石体强度会有一定损失。

［1］张农.巷道滞后注浆围岩控制理论与实践［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2004.

［2］郝哲，王来贵，刘斌.岩体注浆理论与应用［M］.北京：地质出版社，2006.

［3］王国际.注浆技术理论与实践［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2000.

［4］彭振斌.注浆工程设计计算与施工［M］.武汉：中国地质大学出版社，1997.

［5］华心祝，谢广祥.极软岩巷道锚注加固注浆材料研究与应用［J］.岩土力学，2004，25（10）：1642－1646.

［6］阮文军.浆液扩散与浆液若干基本性能研究［J］.岩土工程学报，2005，27（1）：69－73.

［7］国家技术监管局.GB／T 17671－1999水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）［S］.1999.

［8］牛学良，付志亮，高延法.岩石注浆加固实验与巷道稳定性控制［J］.采矿与安全工程学报，2007，24（4）：439－443.

［9］阮文军，张恒志.水泥粘土稳定浆液的试验研究［J］.长春工程学院学报：自然科学版，2003，4（4）：5－7.