地聚合物隧道注浆材料性能与应用研究

任瑞，黎亦丹，徐方，王辉明，李婉文

[中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074]

0 引言

在隧道建设中，常需要穿越地质条件不良的砂层、土层，开挖前常采用注浆超前加固，隧道注浆材料的研究也随之成为研究热点。张林绪和刘顺波[1]对超细水泥研制的塑性注浆料的物理力学性能及其流动规律进行了模型实验研究。郎佳川龙[2]介绍了膨润土注浆材料的性能及其在工程中的注浆施工工艺。邓尤东等[3]探讨了快硬硫铝盐水泥单液浆的性能和在富水隧道注浆施工中的应用。迟建平[4]研究了超细水泥在青岛地铁隧道初期支护渗漏水治理。总结起来，目前研究较广的是超细水泥、水玻璃与水泥双液注浆及膨润土等材料作为注浆材料，这些注浆材料在实际应用中取得了较好效果，但一般造价较高，并且原材料资源有限。

20世纪70年代，一种被称为地聚合物的胶凝材料被发现和研究[5]，地聚合物具有耐久性好、抗渗性强、早强等特点[6-9]，其生产过程中CO2的排放极低，是一种绿色环保型材料[10]。贾屹海等[11-13]对粉煤灰为原材料的地聚合物材料的性能进行了试验研究，结果表明，地聚合物力学性能好，凝结时间短，可以通过调整配合比设计得到凝结时间从几分钟到几小时不等的地聚合物材料。但对地聚合物作为隧道注浆材料的试验研究较少，并且对地聚合物的脆性较大问题也没有得到有效解决。本文研究了纤维改性后的地聚合物注浆材料的流动度、凝结时间、抗压强度和抗裂性能，并在成贵高速试验段中应用效果良好，将对地聚合物注浆材料的试验和应用具有借鉴意义。

1 试验

1.1 原材料与制备过程

粉煤灰：Ⅰ级低钙粉煤灰，SiO2和Al2O3总含量约为80%；复合碱激发剂：由水玻璃和KOH复合而成，水玻璃模数为3.4，氢氧化钾的纯度高于95%；水泥：P·O42.5水泥；聚丙烯纤维；自来水

试验所用复合碱激发剂预先用水玻璃和氢氧化钾调配好，水玻璃溶液中加入氢氧化钾溶解，根据已有的初期试验和相关学者的研究，确定复合碱激发剂的模数为1.8。需要掺加聚丙烯纤维的试件，将聚丙烯纤维先加入到复合碱激发剂溶液中配制好，将配制好的溶液与水一起倒入到搅拌锅中，然后缓慢加入粉煤灰和水泥的复合粉体。开动搅拌锅，搅拌时间遵循GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测试方法》的要求。

1.2 试验设计

由于少量聚丙烯纤维的掺入是为改善地聚合物注浆材料的脆性，对工作性能和力学性能的影响较小。因此，试验分为2阶段：第1阶段，研究水泥取代粉煤灰率和水胶比对注浆材料性能的影响；第2阶段，研究聚丙烯纤维掺量对注浆材料抗裂性能的影响。

2 试验结果与讨论

试验配合比设计和性能测试结果见表1。

表1 试验配合比设计和性能测试结果

2.1 水泥取代率与水胶比对地聚合物隧道注浆材料流动度的影响

为研究水泥取代率和水胶比对地聚合物净浆的流动度影响，采取等值线作图分析的方法，结果见图1，图中等值线上的数值为流动度，单位为mm。

图1 水泥取代率和水胶比对地聚合物流动度的影响

由图1可知，地聚合物净浆的流动度受水泥取代率和水胶比2个因素综合影响，随着水泥取代率的增加而减小，随着水胶比的增加而增大。并且，当水胶比大于0.3，水泥取代率大于16%时，流动度等值线近水平偏向于水胶比，流动度受水泥取代率的影响作用显著减小。根据相关技术规范的要求，注浆初始流动度应大于230 mm，从等值线可直观得到满足规范要求流动度的水泥取代率和水胶比取值范围。

2.2 水泥取代率与水胶比对地聚合物隧道注浆材料终凝时间的影响

水泥取代率和水胶比对终凝时间的影响如图2所示，图中等值线上的数值为终凝时间，单位为min。

图2 水泥取代率和水胶比对地聚合物终凝时间的影响

由图2可知，终凝时间与水泥取代率成反比，与水胶比成正比。但是由图2显见，等值线接近水平，表明终凝时间主要受水泥取代率控制。实际施工应用中，可考虑施工配制与运输时间，选取合适的水泥取代率和水胶比配制地聚合物净浆，用于注浆加固。

2.3 水泥取代率与水胶比对地聚合物隧道注浆材料抗压强度的影响

图3为地聚合物净浆3 d抗压强度受水泥取代率和水胶比影响的等值线，图中等值线上的数值为3 d抗压强度，单位为MPa。

图3 水泥取代率和水胶比对地聚合物3 d抗压强度的影响

由图3可见，等值线大体呈抛物线型，3 d抗压强度整体随水胶比的增加而降低；但3 d抗压强度随水泥取代率的增加呈先提高后降低的趋势，呈现以水胶比为纵坐标的抛物线形式，在水泥取代率约为15%时，3 d抗压强度取得最大值。

图4为地聚合物净浆7 d抗压强度受水泥取代率和水胶比影响的等值线图，图中等值线上的数值为7 d抗压强度，单位为MPa。

图4 水泥取代率和水胶比对地聚合物7 d抗压强度的影响

由图4可见，7 d抗压强度随水泥取代率和水胶比的综合影响规律与3 d抗压强度影响规律相似，都是随水胶比的增大而降低，在水泥取代率约为15%时，7 d抗压强度取得最大值。

2.4 第1阶段性能试验结果综合分析

由以上流动度、终凝时间、3 d、7 d抗压强度4项性能指标受水泥取代率和水胶比的影响规律分析可知，水泥取代率为15%，对强度是最优的配比选择，可以通过调整水胶比来调整流动度和终凝时间，达到实际工程应用中的具体要求。

2.5 第2阶段聚丙烯改性抗裂性能试验结果分析

在实际工程应用中发现，地聚合物净浆易开裂，因此添加聚丙烯纤维进行改善。以K5组为对照组，分别掺入0.5%和1.0%体积掺量聚丙烯纤维的K10组和K11组为试验组，进行椭圆环试验，通过测试椭圆环试验初始开裂时间和裂缝情况来判别抗裂性能，椭圆环试验初始开裂时间与裂缝情况如表2所示。

表2 地聚合物初始开裂时间与裂缝情况

由表2可知，掺加0.5%、1.0%聚丙烯纤维的地聚合物净浆的初裂时间分别是未掺聚丙烯纤维对照组的3.15倍、4.29倍。并且掺加聚丙烯纤维的地聚合物净浆裂缝短小，仅有较浅、窄的细小裂缝，数量少，而对照组别裂缝自初裂后，裂缝沿初始裂缝展开，裂缝形态粗长、宽且数量较多。由此可见，聚丙烯纤维能够显著改善地聚合物净浆的抗裂能力，考虑到添加聚丙烯纤维会降低流动度，过量的聚丙烯纤维也较易结团，形成空鼓，因此，建议采用体积掺量为0.5%的聚丙烯纤维，不仅可显著改善抗裂性，还可兼顾其它性能指标不受影响。

3 在成贵高速公路应用

地聚合物隧道注浆材料试验段位于四川宜宾县内，所在区域为川南红层丘陵地貌。山间发育着起伏较大的丘包、槽谷与冲沟。隧道地表土层主要为粉质黏土和粗圆砾土。下伏基岩主要是白垩系下统窝头山组泥质砂岩夹泥岩。地下水为孔隙潜水和基岩裂隙水，地下水对圬工结构不具侵蚀性。

隧道开挖前采用超前小导管注浆的加固措施，超前支护参照V级围岩加固设计。拱周内设L=3.8 m，Ф42 mm×3.5 mm，插入角为12°，环向间距0.3 m的预注浆小导管。注入地聚合物浆液根据性能试验结果，配合比设计主要参数为：水泥取代率15%，水胶比0.28，聚丙烯纤维体积掺量0.5%。采用超前小导管注浆对掌子面前的围岩进行预加固，超前注浆加固现场如图5所示。

图5 试验段隧道小导管注浆加固现场

为了判别地聚合物注浆效果，选取6个注浆孔中间钻测试孔，通过检测渗漏情况来判别注浆效果。经测试，6个试验孔中没有连续水流，仅见少量水滴，注浆效果达到设计要求。

4 结论

（1）地聚合物净浆的流动度受水泥取代率和水胶比2个因素综合影响，随着水泥取代率的增大而减小，随着水胶比的增大而增加。并且，当水胶比大于0.3，水泥取代率大于16%时，流动度等值线近水平偏向于水胶比，流动度受水泥取代率的影响作用显著减小。

（2）终凝时间与水泥取代率成反比，与水胶比成正比，等值线近水平，表明终凝时间主要受水泥取代率控制。

（3）水泥取代率取15%，对抗压强度是最优的配比选择，可以通过调整水胶比来调整流动度和终凝时间，达到实际工程应用中的具体要求。

（4）聚丙烯纤维能够显著改善地聚合物净浆的抗裂能力，采用体积掺量为0.5%的聚丙烯纤维不仅可改善抗裂性，还能够兼顾其它性能指标不受影响。

（5）聚丙烯纤维改性地聚合物用于成贵高速试验段隧道超前注浆加固中取得较好的应用效果。

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