改性粘土浆结石体抗压强度性能测试与分析

容玲聪，唐海燕，高 超，朱承敏

(长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

改性粘土浆结石体抗压强度性能测试与分析

容玲聪，唐海燕，高 超，朱承敏

(长沙矿山研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012)

改性粘土浆因流动性好、塑性强度高、抗水冲刷性好并且价廉而广泛应用于矿山堵水工程，尤其是岩溶大水帷幕注浆工程。新桥矿帷幕注浆工程采用改性粘土浆作为注浆材料，因此，钻取了浆液结石体芯，进行了动态数值化全应力应变强度破坏试验，试验结果验证，改性粘土浆在注浆压力作用下，结石体强度不亚于水泥浆结石体强度，具有很高的抗压强度，可完全代替水泥浆液。

改性粘土浆；塑性强度；抗压强度；动态数值化；全应力应变；强度破坏试验

1 应用现状

截止到20世纪末，帷幕注浆采用的主要材料仍然是水泥，在宽大岩溶等大型过水通道处添加石子、砂子、海带、黄豆、稻草等惰性材料。21世纪初，长沙矿山研究院成功研发出改性粘土浆，并于2003～2007年在新桥矿东翼露天坑边坡大规模应用并取得成功，后陆续在国内岩溶大水矿山帷幕上推广应用，都取得了很好的成果。

注浆的历史始于粘土浆，我国于20世纪50～70年代普遍应用粘土注浆法进行防渗，80年代，长沙矿山研究院、兖州矿务局科研院、东北工学院开始对粘土水泥浆液进行性能试验，并在三山岛金矿、江西永平铜矿进行了工业性试验。但是上述粘土浆的应用大部分都用于裂隙注浆和堤坝防渗，采用的粘土浆水固比都较大(一般为1和1.2)，未考虑浆液结石体的抗压强度，浆液结石体的抗压强度指标也未进行试验和检测。为克服粘土浆这一缺点，长沙矿山研究院在上述粘土浆的基础上进行了配比和工艺改进，经过大量室内试验研究，在保持其他优异性能的同时，大幅提高了浆液结石体的抗压强度，成功研发出不仅实用于裂隙注浆，而且适用于岩溶大水帷幕截流注浆工程的改性粘土浆，并在数个大型矿区帷幕截流注浆工程中推广应用。应用证明改性粘土浆液具有成本低、性能好、堵水效率高等特点，可取代传统的水泥浆液，成为最主要的注浆堵水材料。

2 改性粘土浆的特性

(1) 源丰价廉。主要材料是粘土，大部分地区可就地取材，材料成本比水泥浆可降低50%～70%。

(2) 流变性能良好。初期粘度低，可变范围大，可根据工程需要灵活调节、控制，以适应不同的注浆对象。数小时后塑性粘度和屈服应力急剧增大，既保证了浆液的可泵性、可注性，又不致扩散过远。

(3) 塑性强度高。浆液结石体具有较高的极限抗剪强度即塑性强度(数百千帕至数兆帕)，大部分配比一天的塑性强度可达到3.3 MPa,足以抵抗地下水的压力而不被挤出。

(4) 浆液结石体抗渗性能好，其渗透系数只有水泥浆结石体的30%～50%，堵水效果优于水泥浆。

(5) 改性粘土浆在常规注浆压力(0.1～5 MPa)条件下，抗压强度很高，足以抵抗地下水的压力而不被破坏，而且有残余抗压强度，即使被破坏仍能抵抗一定的地下水压力(见图1、图2)。

图1 注浆压力为0.91 MPa下浆液结石体强度

(6) 抗冲刷能力强。粘土中的高岭土微晶有不稳定且可移动的晶格，能在表面吸附大量水份，使自身体积膨胀，所以其抵抗地下水稀释、冲刷的能力强，在动水注浆时优于水泥浆。

(7) 抗侵蚀能力强。粘土矿物具有良好的化学惰性，故改性粘土浆结石体具有抗侵蚀能力强。

(8) 结石率高。改性粘土浆析水少，结石率98%～100%，可减少重注次数，缩短注浆工期。

图2 注浆压力为0.25 MPa时的浆液结石体强度

3 改性粘土浆的组份及材料要求

3.1 粘 土

改性粘土浆的主要成分是粘土，它一般占浆液干料的50%～86%,。粘土分布广，生成条件多样，因此种类繁多。根据长沙矿山研究院及水电、煤炭系统注浆界的经验，适用于制成改性粘土浆的粘土应达到如下要求：

(1) 成分具有足够的活性；

(2) 塑性指数大于 15；

(3) 粘粒(粒径小于0.005 mm)含量不小于40%～50%；

(4) 粉粒(粒径0.005～0.05 mm)含量一般不多于45%～50%；

(5) 含砂量(0.05～0.25 mm)不大于5%；

(6) 有机物含量不宜大于3%。

使用时一般坚持就地取材的原则，但使用前应选取不同区段的多个土样进行物理、化学成分分析比较，挑选活性成分含量和粘粒含量高、含砂量低的粘土。

一般采用X射线衍射分析粘土的粒度分配，用化学分析法测试其化学成分和矿物成分，用液限塑限联合测定法测试其塑限、液限、塑性指数。

3.2 结构剂

改性粘土浆使用的结构剂是一种常见的建材，占干料的16%～50%，其水化生成物在浆液中起结构成型作用。强度等级要求P.O 32.5级以上。

3.3 促进剂

改性粘土浆所用的促进剂是一种常用的无机盐水溶液，起加速浆液凝固，提高浆液结石体早期强度作用。一般占浆液体积的1%～3%，一般要求模数n=3.2及以上，婆美度42°Be′及以上。

3.4 分散介质

改性粘土浆的分散介质一般为工业用水，占浆液体积的50%～85%。

4 结 论

通过理论分析、室内外试验和实际运用验证，改性粘土浆的浆液性能(可注性、稳定性、抗渗性、抗侵蚀性、耐久性)均很好，结石率100%，塑性强度高、常规(0.1～5 MPa)注浆压力下抗压强度也很高，施工取芯证明粘土掺量75%的浆液结石体28 d稳定抗压强度接近4 MPa，粘土掺量50%的28 d稳定抗压强度达18.5 MPa，而且可就地取材，浆液成本低。在岩溶大水帷幕截流注浆工程中的应用证明，改性粘土浆是很好的注浆材料，大大优于其他浆液，可完全替代水泥浆液。

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