水泥-黄土注浆材料工程可行性研究

吴天军

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 概述

我国是一个矿产资源大国，随着资源的不断开采，采空区面积不断增大，而高速公路的不断发展将不可避免地要穿越采空区。采空区的存在对公路稳定性、安全性造成了极大的隐患。常采用的处治手段为全填充压力注浆法，注浆材料为水泥-粉煤灰，但随着环保力度的不断加大，粉煤灰的产量也不断减少，因此造成的施工成本压力也不断加大，因此急需一种新材料来代替水泥-粉煤灰浆液来大面积推广。

黄土作为一种分布较广的材料已经被多人进行了室内试验研究，并取得了不错的研究成果。谷天峰[1]等人通过对不同地区黄土开展水泥-黄土浆液性能的试验认为黄土的地域分异造成水泥-黄土浆液的性质差异较大，黄土的粒径越粗结石体的强度越高。张亚民[2]等通过室内试验研究认为水玻璃对黄土-水泥浆液的比重、结石率、凝胶时间、黏度、强度和渗透性等都有较大影响。上述所有的研究都是对材料性能及变化规律进行研究，但未对材料的工程可行性进行分析，分析水泥-黄土浆液能否满足现行标准、规范的要求，能否满足经济性的要求，如果材料性能能够满足规范要求但会造成施工成本过高，那么其应用广泛性将受到极大的限制，因此，对水泥-黄土浆液的黏度、结石率、强度及经济性进行评价就显得极为重要。

2 研究目的和原则

2.1 研究目的

因地制宜利用当地优势资源，减少对粉煤灰的过度依赖。在强度和质量满足要求的基础上用水泥黏性土稠浆替代部分水泥粉煤灰浆，有效降低工程造价。

2.2 研究原则

安全适用、技术先进、经济合理、质量可靠、节能环保[3]。

3 注浆材料性能研究

3.1 原材料

a）黄土 取自山西柳林，对其进行烘干、捣碎处理，其物理性质指标为：液限26.8，塑限17.4，塑性指数10.2，土质分类为粉土。

b）水泥 试验所用水泥为山西柳林青龙水泥厂生产的标号为32.5R的普通硅酸盐水泥。

3.2 试验方案

浆液性能试验包括浆液的性能及结石体的性能。

3.2.1 浆液性能试验

主要包括黏度、凝结时间、结石率。浆液黏度采用泥浆黏度计进行测量。结石率采用量筒测定浆液固结后结石的体积与浆液体积的比率。浆液的凝结时间测定方法是将浆液装入铜环内，利用维卡仪测定初凝和终凝时间。

结石体的性能试验按照建筑规范将浆液制成7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方体试块，进行结石体单轴抗压强度试验。

3.2.2 试验分组

水泥-黄土浆液中水与固体的比值(以下简称水固比)分别为 1∶1.2、1∶1.4、1∶1.6、1∶1.8。

水泥占固体的质量（以下简称水泥掺量）分别为20%、30%、40%。结石体单轴强度分别采用7 d和28 d龄期。

综上所述，对柳林地区离石黄土-水泥浆液进行了综合性能试验，试验结果如表1。

表1 黄土-水泥浆液试验成果表

3.3 浆液及结石体性能分析

根据不同水固比、不同水泥掺量组合情况下浆液的黏度、结石率及结石体抗压强度等，分析水泥-黄土注浆材料的性能。

3.3.1 黏度

图1 水泥-黄土浆液黏度

通过图1可知，不同水泥掺量、相同水固比情况下浆液黏度值变化不大，整体随着水固比的减小而逐渐增大，因此可以判断浆液的黏度主要受水固的影响，与水泥掺量关系不大。

3.3.2 结石率

通过图2可知，在水泥掺量不变的情况下，浆液结石率随着水固比的减小逐渐增大；在水固比不变的情况下结石率随着水泥掺量的增加而降低，且随着水固比的减小结石率受水泥掺量的影响由小变大然后再变小。不同水泥掺量及水固比情况下，浆液结石率变化范围为73.0%～93.5%。

图2 水泥-黄土浆液结石率

3.3.3 抗压强度

图3 结石体7 d抗压强度

通过图3可知，结石体7 d抗压强度在水泥掺量不变的条件下，随着水固比的减小而小幅增加，例如水泥掺量为20%时，强度仅从0.47 MPa上升至0.66 MPa；而在水固比不变的条件下水泥掺量的变化对结石体7 d抗压强度影响较大，例如水固比为1∶1.2时，强度从0.47 MPa上升至2.59 MPa。

图4 结石体28 d抗压强度

通过图4可知，结石体28 d抗压强度变化规律与结石体7 d抗压强度变化规律基本一致，但其抗压强度更大，水泥掺量为20%时，抗压强度为1.51～1.99 MPa，满足《采空区公路设计与施工技术细则》对公路路基下伏采空区注浆结石体单轴抗压强度不小于0.6 MPa的要求；水泥掺量为30%、40%时，抗压强度为2.82～7.88 MPa，满足《采空区公路设计与施工技术细则》对公路桥梁、隧道下伏采空区注浆结石体单轴抗压强度不小于2.0 MPa的要求。

4 经济评价

经济性是判断注浆方法是否合理的一种重要参数，如果新型注浆材料在施工工程中成本过高，即使强度、黏度等参数符合注浆要求，但也很难在工程实践中大规模应用。因此，经济评价就变得十分必要。

根据市场行情，32.5R普通硅酸盐水泥按350元/t考虑，粉煤灰按60元/t考虑，黄土按20元/t考虑，分析不同水泥掺量下，水泥-黄土浆液与水泥-粉煤灰浆液之间的价格差异。具体如表2所示。

表2 水泥-黄土与水泥-粉煤灰浆液经济指标对比

从表2可以看出，水泥黄土与水泥粉煤灰相比不同配合比单方节约101.1～107.1元不等，总体考虑，水泥-黄土材料成本为水泥-粉煤灰材料成本的60.0%～73.6%。改变注浆材料可节约注浆材料费约为26.4%～40%。采用水泥-黄土作为注浆材料技术可行，经济节约。

5 结论及建议

通过对水泥-黄土物理力学指标及经济性分析可知：水泥-黄土注浆材料的物理力学指标能够满足现行规范及细则的要求，且其与水泥-粉煤灰浆液相比，经济性更高，可节约注浆材料费约为26.4%～40%，但注浆材料的改变需要对施工工艺进行一定的调整，因此灌注充填加固前应进行现场灌注试验，进一步确定设计参数、处治效果、施工工法和施工设备。