地下水封洞库水泥-水玻璃防渗灌浆材料耐久性试验研究

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(1.长江科学院 武汉长江科创科技发展有限公司，武汉 430010； 2.中铁十三局集团有限公司，天津 300300)

1 研究背景

水玻璃是一种兼具可灌性好、凝结时间可调、绿色环保、易施工、经济性优良等特点的传统的优质化学灌浆材料。对于地下水封洞库工程，需常态控制来自于洞库埋置深度内稳定的地下裂隙水产生的稳定动态压力，以保证洞库内涌水形成的地下水漏斗降深达到最小，同时针对复杂围岩、超前地质预报预警条件下的突发注浆封堵，水玻璃灌浆材料可发挥其工期短、见效快，机动性强的动态控制特点，固结处理效果较好。而灌浆后结石体的稳定性和耐久性同样是延长地下水封洞库工程综合服役寿命的一个重要因素[1-3]。复杂的地质条件下，动态馈控灌浆帷幕防渗效果则在很大程度上取决于灌浆材料的耐久性。因此，充填和渗透在岩层裂隙中浆液结石体的寿命性态对于地下工程结构能否长期安全运行起着重要作用[4]。

灌浆结石体的耐久性试验及评估研究目前我国进行的较少。而近年来大量灌浆工程需要结构参数稳定多年后再进行开挖作业，面对复杂严苛的工程服役环境，建筑物基础围岩的加固处理，大深度、多维度地下洞室开挖等工程对灌浆材料的耐久性匹配提出了更高的要求[2]。本文以湛江国家石油储备地下水封洞库工程为依托，在工程前期研究渗透注浆资料和现场勘察的基础上，结合原材料、水泥水玻璃配方优选试验研究以及水泥水玻璃固结体耐久性室内试验研究等探求地下水封洞库工程防渗水泥-水玻璃灌浆材料品质控制要求和综合耐久性影响因素，为类似工程水泥-水玻璃灌浆材料质量控制提供参考。

2 试验材料与方法

2.1 试验用原材料

2.1.1 水 泥

灌浆时，应根据灌浆的目的和环境水的腐蚀性等因素，选择符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》(GB 175—2007)规定的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。实施灌浆时，宜优先采用上述两品种的水泥配制，因为水玻璃与其反应的活性较好。在充填灌浆时，对活性和强度要求不是很高时，可采用其他类型水泥，但应进行试验研究与工程试用并应符合相应产品标准的要求[5]。根据现场工况，本次试验选用P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

2.1.2 水玻璃

水玻璃模数表示其所含二氧化硅与氧化钠摩尔数的比值，其数值大小对固结体质量影响较大。模数高时，二氧化硅含量高，固结体强度增大，浆液胶凝时间减小；模数小时，二氧化硅含量低，固结体强度低。总结大量试验和实际工程所用的水玻璃模数，本试验使用的水玻璃应该符合《工业硅酸钠》(GB/T 4209—2008)的要求，模数在2.2～3.4之间，以适应不同工况的需要[5-6]。

水玻璃溶液浓度用“波美度”表示，浓度的大小对固结体性能有一定的影响。浓度低，固结体强度低；浓度过高，黏度增大，不具有可灌性。根据试验情况，并结合工程施工的可行性和经济适用的要求，本次试验根据现场工况采用水玻璃浓度为3045波美度。但后期若在实际应用时，需经室内试验检验其效果后决定具体数值并根据需要稀释后使用。

2.2 试验方案

对于水泥-水玻璃灌浆材料，根据灌浆工程的需要可以分为加固和堵水2个方面。对于防渗堵漏，特别是水压较大，水流速度较快或充填岩土的大空隙，要求浆液的凝结时间短且具有一定的抗压强度；对于补强加固，则要求固结体具有足够的抗压强度。鉴于湛江国家石油储备地下水封洞库工程的重要性，拟用的水泥-水玻璃灌浆材料应满足补强加固的要求，同时也应考虑耐久性指标。固结体的耐久性是指浆液灌入后的补强加固效果的持久性。在地下水的物理、化学作用下，浆液固结体的一些组份会发生老化、溶出等现象，这会使固结体性能降低或丧失。另外当固结体所处的环境发生变化时，如开挖暴露、地下水升降等，都会使固结体发生崩解风化[7]。为科学判定水泥-水玻璃灌浆材料耐久性能，本次试验研究试图建立材料耐久性试验方法和控制标准。在参考大量其他材料试验方法的基础上进行耐久性试验，通过抗硫酸盐侵蚀、抗冻性能及干燥收缩性能3项性能试验来综合判定耐久性。

2.2.1 抗硫酸盐侵蚀试验

抗硫酸盐侵蚀试验参考《水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法》(GB/T 749—2008)进行；试件采用标准尺寸(40 mm×40 mm×160 mm)，试件成型养护(24±2)h后拆模。试件脱模后放入50 ℃温热养护箱中，在(50±1)℃水的容器中养护7 d取出[8]。1组放入20 ℃养护箱中，在(20±1)℃水的容器中继续养护;另1组在硫酸盐侵蚀溶液的容器中浸泡，置于20 ℃养护箱养护。试件在容器中浸泡时，侵蚀试验浸泡试件液面至少高出试件顶面10 mm[9]。为避免蒸发，容器密封加盖。受侵蚀试件浸泡过程中，每天用硫酸水(1体积硫酸∶5体积水)滴定硫酸盐侵蚀溶液，以中和试件在浸泡过程中释放的碱。2组试件养护28 d后取出，用软布吸去表面可见的自由水。测定其抗折强度，计算抗折强度损失率[10]。

2.2.2 抗冻性能试验

抗冻性能参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)中第11章“抗冻性能试验”进行；试体制备与养护按JGJ/T 70—2009中9.0.1—9.0.2节进行，试件养护至28 d，将试件取出，用软布吸去表面可见的自由水；设置温度冷冻箱温度将至-15 ℃，将1组3个试件置于其中，开始冻结试验，时长为4 h，每个试件周围留有至少20 mm空隙；冻结试验结束后，立即将试件放入15～20 ℃的水槽中进行融化，融化时间≥4 h。槽中试件表面的液面高度≥20mm，融化完毕后即1次冻融循环结束，重复以上操作进行后续冻融循环过程。每5次循环结束后应进行一次外观检查，观察有无明显分层裂开、贯通缝等。若有2块试件出现上述劣化情况，冻融试验应终止。冻融试验结束时测定其强度损失率和质量损失率。并与另一组3个在水中标准养护同龄期的试件的质量和抗压强度对比，计算其质量损失率和强度损失率[11]。

2.2.3 干燥收缩性能

干燥收缩性能参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)中第12章“收缩试验方法”进行，试件尺寸为标准砂浆试件尺寸，成型养护7 d后拆模，测定初长[11]。测定初始长度后，测定7，14，28，56 d龄期的干湿循环收缩值，以观察养护条件的变化对其耐久性的影响。

3 试验结果与讨论

试验选择2种不同波美度的水玻璃样本；设定6个水灰比分别为：0.50，0.75，1.00，1.25，1.50，2.00；其6个水泥浆液与水玻璃体积比分别为1∶0.10，1∶0.50，1∶0.75，1∶ 1.00，1∶1.25，1∶1.50，共计制备72组配合比对比样本。通过对比72组灌浆材料浆液物理性能和可灌性，针对不同耐久性参数筛选出部分性能较优的灌浆材料配合比进行综合耐久性试验研究[12-13]。72组水泥-水玻璃灌浆材料配合比和浆液物理性能见表1。

3.1 抗硫酸盐侵蚀试验结果

在72组配合比中筛选较优配合比成型试件进行抗硫酸盐侵蚀试验，不同配比28 d抗折强度损失率见图1(a)。试验结果表明：水泥-水玻璃灌浆材料受多因素影响，离散性较大，水泥及水玻璃品种、水灰比、水泥与水玻璃体积比等都将影响材料抗硫酸盐侵蚀性能，但通过大量样本试验可以得到其抗折强度损失率基本处于50%～(-50%)之间;从散点图分布规律看，大多数水泥水玻璃受侵蚀样本抗折强度损失率较低，说明水泥水玻璃灌浆材料受硫酸盐侵蚀敏感性较低，在少数极端配比条件下出现超强或超低强情况，可通过工程特定材料试配试验确定。

表1 72组水泥-水玻璃灌浆材料配合比和浆液物理性能Table 1 Mix proportions and physical properties of 72 groups of cement-sodium silicate grouting material

图1 不同配合比水泥-水玻璃灌浆材料28 d抗折强度损失率Fig.1 Loss rate of rupture strength of cement-sodium silicate grouting material of different mix proportions at the 28th day

根据地下洞封油库工程特点，将上述配合比中固结体28 d抗压强度≥20 MPa作为优选指标，优选后的配合比成型试件再次进行抗硫酸盐侵蚀试验，28 d抗折强度损失率见图1(b)。试验结果表明：工程采用的水泥-水玻璃灌浆材料，可以根据抗硫酸盐侵蚀试验抗折强度损失率40%为上限控制。

3.2 抗冻性能试验结果

对筛选较优配合比成型试件进行抗冻性能试验，抗冻融5次28 d抗压强度损失率见图2(a)，质量损失率见图2(b)。试验结果表明：优选配合比5次冻融试验强度损失率<25%，质量损失率<3.0%，地下水封洞库工程水泥-水玻璃灌浆材料冻融指标可参照此标准控制。

图2 优选后配合比冻融试验28 d抗压强度及质量损失率Fig.2 Loss rate of compressive strength and mass of cement-sodium silicate grouting material with optimized mix proportion at the 28th day

图3 不同龄期干燥收缩率Fig.3 Drying shrinkage rate at different ages

3.3 干燥收缩性能试验结果

对筛选较优配合比优选配合比成型试件进行干燥收缩性能试验，7，14，21，28，56 d龄期的自然干燥收缩值见图3。地下水封洞库工程多数灌浆固结体处于水封条件下，控制水泥-水玻璃灌浆材料自收缩变形度，对于固结体本身设置干燥条件下收缩率控制指标有一定的参考价值，而对于地下水封洞库工程可适当放宽指标要求。试验结果表明：18个优选配比56 d干燥收缩值均<7%，可综合考虑设立针对不同灌浆部位的固结体干燥收缩控制指标。

4 结 语

本文通过试配大量不同配合比的水泥-水玻璃灌浆材料样本，通过抗硫酸盐侵蚀、抗冻性能、干燥收缩性能等材料耐久性试验，针对湛江国家石油储备地下水封洞库工程特点，提出符合工程耐久性质量要求的相关控制指标，力求对地下洞封油库工程防渗体工程质量控制提供依据[14]。

由于湛江国家石油储备地下水封洞库工程地质条件复杂多变，各种灌浆浆液性质各异，在灌浆过程中时刻存在着浆液内部的物理化学变化以及浆液与周围环境的相互作用[15]。本文在一定程度上只是对试验室灌浆固结体耐久性进行了初步研究，由于地下水封洞库工程技术要求高，施工难度大、建设周期长，本文所涉及的水泥-水玻璃灌浆材料耐久性研究只是整个工程中很小的一部分，虽然对工程有一定的指导作用，但是对灌浆材料耐久性综合影响因素和劣化机理仍需进一步研究。