注浆体渗凝过程的电化学研究

胡江春， 管 毅， 李德威， 刘晓阳

(1.中原工学院 建筑工程学院, 河南 郑州 450007； 2.碧桂园豫西南区域公司， 河南 许昌 461000)

土木工程的快速发展在很大程度上推动了岩土注浆技术的应用和发展。注浆技术常被应用在铁路隧道、地下建筑、边坡加固、煤矿开采、公路工程等各种岩土工程中[1-2]。注浆技术可以显著地提高被注地层的整体稳定性和抗渗性，在加固建筑地基和改善工程防水效果方面具有明显优势[3-4]。由于注浆技术属于隐蔽工程，无法直观地看出注浆体渗凝效果，因此研究注浆效果的检测方法十分重要。近年来，国内外许多学者针对注浆效果检测方法进行了研究，提出了一些检测注浆效果的方法，如现场试验法和取样试验法[5]、CT扫描技术检测法[6]、超声波检测法[7]等。这些研究主要集中在注浆体渗凝效果检测方面，缺乏注浆体渗凝过程中的动态监测研究。

本文采用电化学方法[8]对注浆过程进行实时监测，通过分析注浆体的渗凝情况和电化学参数来研究注浆体的渗凝规律。

1 试验设计

采用自主设计的注浆体渗凝电化学测试系统(见图1)，依次对土、细砂、粗砂3种试样进行室内注浆模拟试验和电化学测试试验。试验过程如下：

图1 注浆体渗凝电化学测试系统示意图

(1) 在定制的镀锌试验桶(Φ30 cm×100 cm)中，按从下到上的顺序依次放入10 cm厚碎石、5 cm厚细砂、75 cm厚土试样、3 cm厚细砂、3 cm厚碎石。在渗透仪中装入本次试验的试样。向加压水箱注入适量的水。将预制的水灰比为5∶1的水泥浆加入密封加压装置。

(2) 打开阀门2，通过渗透仪计算出本次试验中试样的渗透系数。关闭阀门2，打开阀门1，利用水压将密封加压装置里的水泥浆注入试验桶。

(3) 将电化学工作站的扰动电压设置为50 mV，测量频率设置为105 ～ 0.05 Hz，通过电化学测试软件实时记录注浆体的电化学数据。当浆液从上渗水龙头流出时，关闭阀门1，停止注浆，记录此时的注浆时间和注浆用量。

(4) 试验持续8 h。本次试验结束后，清理试验装置并更换试验试样，按照相同试验步骤分别进行其余两次试验。

2 结果与分析

2.1 注浆体渗凝过程的总阻抗变化

选取3种试样在低频段(0.4 ～ 0.05 Hz)、中频段(100 ～ 10 Hz)、高频段(100 000 ～ 10 000 Hz)的总阻抗值，作总阻抗均值图，如图2-图4所示。

图2 土试样在低、中、高频段下总阻抗均值图

图3 细砂试样在低、中、高频段下总阻抗均值图

图4 粗砂试样在低、中、高频段下总阻抗均值图

从图2-图4可以看出，3种试样的总阻抗均值在注浆开始至注浆结束阶段的变化最大，整体都表现为快速减小的趋势；注浆开始后8 h，土和细砂试样的总阻抗均值小于最初值，而粗砂试样的总阻抗均值超过了注浆前的总阻抗均值；注浆结束至注浆开始后8 h，3种试样的总阻抗均值都开始缓慢增大。结合水泥浆的凝结规律可知：试样总阻抗均值与水泥浆液内含水量呈负相关关系。对比3种试样的高、中、低频段总阻抗均值曲线可以发现，随着检测频率的降低，同一试样的总阻抗均值显著增大，变化幅度也更大。由岩土电化学电阻抗特征可知：低频区的阻抗曲线可以反映岩土扩散特征，包括电极附近反应物浓度的变化情况[9]。结合试样低频段总阻抗均值曲线可以发现，浆液浓度与试样低频段总阻抗均值成正相关关系，即试样的总阻抗均值越大，浆液的凝结效果越好。可见，低频段总阻抗均值随时间的变化更能反映浆液渗凝的时间特性。

2.2 注浆体渗凝过程的电化学阻抗谱分析

选取3种试样在100 000 ～ 0.05 Hz内的阻抗实部值和阻抗虚部值，作Nyquist图，如图5-图7所示。

图5 土试样渗凝过程的Nyquist图

图6 细砂试样渗凝过程的Nyquist图

图7 粗砂试样渗凝过程的Nyquist图

对比试验中测得的3种试样的渗透系数以及它们在注浆开始与注浆开始后8 h的两条Nyquist图曲线可知：渗透系数最大的试样其Nyquist曲线曲率变化最大；3种试样的渗透系数大小和Nyquist曲线曲率均为土试样<细砂试样<粗砂试样。从图5-图7可以看出：3种试样的Nyquist曲线在注浆结束时和结束后都比注浆开始时变得更加平缓，曲率都呈现出不断减小的趋势。因此，注浆体的渗凝过程可以用其Nyquist图曲线曲率随时间的变化进行表征。

2.3 注浆体渗凝过程的电化学阻抗谱高频弧分析

图5-图7中，A区为3种试样Nyquist图高频区，其频率为100 000～10 000 Hz。由岩土电化学电阻抗特征可知：高频弧的特征参数可反映岩石的体积特征，包括岩土体内部的空隙深度、连通程度等阻抗特征[9]。GU等认为，高频段的特征值包含材料孔径的分布特征[10]。PERRON发现，高频段的R1-R2值包含材料微观孔隙结构的重要信息[11]。因为本文研究的是岩土体注浆渗凝规律，所以需要考虑被注介质的表面特征。以土试样为例，将其Nyquist图(图5)中A区进行局部放大处理，可得到土试样注浆开始时的Nyquist图高频弧(如图8所示)，其中1区是频率为82 520～38 330 Hz的最高频区、2区是31 640～12 110 Hz的高频区，R1-R2为Nyquist图高频弧2区里起点和终点在阻抗实部轴上投影所得到的线段长度。将3种试样在注浆开始、注浆结束、注浆开始后45 min和注浆开始后8 h的R1-R2值汇总，可得出高频弧段R1-R2折线图，如图9所示。

图8 土试样注浆开始的Nyquist图高频弧

图9 高频弧段R1-R2折线图

将图9分别与图2、图3、图4进行对比，可以发现：随着注浆的进行，3种试样低频段总阻抗均值曲线与对应的高频弧段R1-R2折线的形状、斜率、起止点等图形特征高度相似，R1-R2值的变化能简明地反映试样渗凝过程的时间特性。

3 结论

本文对渗透系数不同的土、细砂、粗砂试样进行室内模拟注浆试验和电化学测试，通过分析试样在注浆渗凝过程中总阻抗均值的变化和注浆体Nyquist图高频弧段的特征参数，研究了注浆体的渗凝规律，得出结论如下：

(1) 试样总阻抗均值的变化可以表征注浆体渗凝的时间特性。

(2) 试样电化学阻抗谱特征参数可以反映注浆体的渗凝过程。

(3) 被注介质的渗透率与其Nyquist图曲线曲率呈正相关关系；试样电化学阻抗谱高频弧段R1-R2值的变化能更好地反映注浆体渗凝的时间特性。