基于湿陷性黄土地区的碱激发注浆材料优化及微观试验研究

张克诚 周茗如 程俊夕

（1甘肃第五建设集团公司，甘肃 天水741000；2兰州理工大学西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州 730050）

0 引言

我国西部地区存在大面积的黄土，黄土地基发生湿陷后，地基上部的建筑和基础设施极易出现各种病害，需要进行治理。随着工艺和设备的进步，劈裂注浆开始被应用于湿陷性黄土地基的加固中。王红喜等[1]利用水玻璃作碱激发剂，将工业废渣（钢渣、矿渣等）再利用，制备出了具有不同凝结时间，具有高结石率、较好抗侵蚀性能的高固结强度的注浆材料。宋国壮等[2]采用水化放热检测与倒置荧光显微技术，对不同体系下的以偏铝酸钠（SA)、聚酸梭（SP)及高吸水性树脂（SAP)为组分的聚合物注浆材料及其掺量对水泥浆液流变特性与泌水性的影响进行分析研究，发现水泥浆液流动性和泌水性与SA、SAP掺量呈负相关。石明生等[3]以非水反应类双组分发泡聚氨酯为浆材，对双发组发泡聚氨酯材料的特性进行了全面的试验研究，发现双组分发泡聚氨酯是一种可用于堤坝防渗加固工程的性能优良的注浆材料。周茗如等[4]采用响应曲面设计（Box-Behnken设计）优化湿陷性黄土注浆过程中的注浆材料并进行耐腐蚀性研究，获得了适用于湿陷性黄土地区的注浆材料配比。但有关科学选用注浆材料，使其适用于西部地区湿陷性黄土地基的劈裂注浆工程，以及判断注浆材料的浆液扩散规律及最终加固效果的问题，仍然是目前急需解决的重要课题。本文采用正交试验设计研究水灰比、粉煤灰、矿粉和水玻璃对碱激发注浆材料性能影响规律，并分析微观孔隙结构，为西部湿陷性黄土地区的注浆浆液优选提供参考。

1 试验设计

注浆浆液配合比试验中，浆液的原材料有水、水泥、粉煤灰、矿粉、水玻璃、减水剂等。因为不对减水剂进行研究，所以减水剂的掺量固定为0.5%，故考虑将水胶比（水和胶凝材料的质量比）、粉煤灰质量掺量、矿粉质量掺量、水玻璃体积掺量四种因素分为A、B、C、D四组。其中每种因素考虑四个水平，水胶比：0.5、0.8、1.0、1.5；粉煤灰质量掺量：10%、20%、30%、40%；矿粉质量掺量：10%、20%、30%、40%；水玻璃体积掺量：10%、20%、30%、40%，列于表1中。设计采用L16（45）型正交试验，共计16组试验，设计方案见表2。

表1 浆液配合比正交试验表

表2 L16（45）正交试验配比

2 正交试验过程及分析

2.1 黏度、析水率分析

依据试验要求，按照表2进行配合比试验，测得各组碱激发复合注浆材料的初始粘度、2h析水率、胶凝时间，如表3所示。

表3 物理性能试验结果（一）

分析表4可知，碱激发复合注浆材料浆液初始粘度的四个影响因素，其主次顺序为：水灰比＞矿粉＞粉煤灰＞水玻璃。水灰比（因素A)的极差值最大，达到90.5。同时，矿粉（因素C)对浆液初始粘度也有一定程度的影响，极差值达到27.8。粉煤灰（因素B)和水玻璃（因素D)对浆液初始粘度的影响较小，极差值分别为7.3和5。这说明在施工中可以通过控制浆液水灰比来控制浆液的初始粘度，使施工行之有效。水灰比是影响浆液初始粘度的最大因素，也是最主要的一个因素，水胶比的大小直接决定了浆液中水和胶凝材料的比例，水灰比越小，浆液初始粘度越大。矿粉也对浆液初始粘度存在明显的影响，矿粉颗粒粒度较小，在静电的作用下，团聚情况比颗粒大的矿渣要更加明显，会以微集料的形式存在于浆液中，使颗粒之间的摩阻力增大，使减水剂本来的润滑、分散作用无法充分发挥，不能起到应有的减水作用，增大了浆液的初始粘度。粉煤灰和水玻璃对浆液初始粘度的影响较小。综上所述，把初始粘度作为考核指标时，综合考虑得出的符合试验要求的最优配比为A1B4C4D4。

表4 各因素极差分析

分析表4可知，碱激发复合注浆材料2h析水率的四个影响因素对其影响的主次顺序为：水灰比＞矿粉＞水玻璃＞粉煤灰。水灰比（因素A)的极差值最大，达到了9.6。粉煤灰（因素B)、矿粉（因素C)和水玻璃（因素D)对浆液2h析水率的决定性较小，极差值分别为0.5、1.2和1.15。说明在施工中可以通过控制浆液的水灰比来很好控制浆液的2h析水率，使施工所使用的浆液可以达到在湿陷性黄土地区注浆的析水率控制要求。水灰比是影响浆液2h析水率的最主要原因，而粉煤灰、水玻璃和矿粉对浆液2h析水率作用较小。水灰比的大小直接决定着浆液中水和胶凝材料的比例，所以水灰比越大，浆液中的含水率越大，浆液中颗粒之间的自由水也越多，在重力作用下析出的水分也越多，浆液的2h析水率也就越大。综上所述，把浆液2h析水率作为考核指标时，综合考虑得出的符合试验要求的最优配比为A1B2C1D3或A1B2C3D3。

2.2 强度分析

分析表6中的数据可知，影响碱激发复合注浆材料结石体28d抗压强度的四个因素主次顺序为：水灰比＞水玻璃＞矿粉＞粉煤灰。其中，水灰比（因素A)的极差值最大，达到13.65。同时，水玻璃（因素D)对结石体28d抗压强度也有一定程度的影响，极差值达到3.71。粉煤灰（因素B)和矿粉（因素C)对浆液结石体28d抗压强度的影响较小，极差值分别为0.65和1.69。这说明对浆液结石体28d抗压强度影响最大的是因素是水胶比。水胶比大小和水玻璃掺量是影响浆液结石体28d抗压强度的两个主要因素。由胶空比理论可知，材料的强度是由材料中的固体部分决定的，凝胶体与晶体骨架的结合或者凝胶体与未水化的水泥颗粒的结合都会增强材料的内聚力，而孔隙的存在会破坏强度。碱激发复合注浆材料在水胶比不同的情况下，结石体抗压强度会随着水胶比的增大而减小，其根本原因是随着浆液水胶比的增大，浆液结石体的孔隙率也越大，而空隙率是控制浆液结石体强度的重要因素，故而结石体的抗压强度会相应减小。浆液结石体抗压强度会随着浆液中水玻璃掺量的增加而增大，氢氧化钙会与水玻璃生成水化硅酸钙，其是一种具有一定强度的凝胶体。同时粉煤灰和矿粉也为体系提供了大量的氢氧化钙，在水玻璃掺量增大时和水玻璃发生反应生成水化硅酸钙。故而，当浆液中水玻璃掺量增大时，浆液结石体抗压强度也会增大。

表5 物理性能试验结果（二）

表6 各因素极差分析

分析表6中的数据可知，与浆液28d抗压强度相同，影响碱激发复合注浆材料浆液结石体28d抗折强度的四个因素主次顺序为：水灰比＞水玻璃＞矿粉＞粉煤灰。其中，水灰比（因素A)的极差值最大，达到3.29。粉煤灰（因素B)、矿粉（因素C)和水玻璃（因素D)对浆液结石体28d抗压强度的影响较小，极差值分别为0.27、0.29和0.33。这说明水灰比是影响浆液结石体28d抗折强度的最大因素，而粉煤灰、矿粉和水玻璃掺量对浆液结石体28d抗折强度的影响较小。通过对浆液结石体28d抗压和抗折强度各因素的分析可知最优配比组合是A1B2C2D4和A1B2C3D4。

3 碱激发复合注浆材料微观试验研究

用JSM-5600LV低真空扫描电子显微镜观察碱激发注浆材料最优配比组合A1B2C2D4的微观结构，试验结果分析如图1-图4所示。

图1 结石体试样35倍扫描电镜图像

图2 结石体试样100倍扫描电镜图像

图3 结石体试样1000倍扫描电镜图像

图4 结石体试样2000倍扫描电镜图像

本试验分别选取最优配比组合的浆液结石体试样的35倍（如图1）、100倍（如图2）、1000倍（如图3）和2000倍（如图4）SEM扫描电镜图像进行分析研究。可以看出：从35倍扫描电镜图像看，除了少数孔洞外，浆液结石体整体较为平整，排列紧致，在个别部分可以看到轻微裂隙；从100倍扫描电镜图像中观察到，与35倍图像相比，浆液结石体表面已经不再平整，存在许多凸起的颗粒，而且存在许多细小的由中心向外不规则发散的裂纹；从1000倍扫描电镜图像可以看出，浆液结石体表面凹凸不平，不规则的分布有许多粗细不一的裂纹和裂隙；从浆液结石体2000倍扫描电镜图像可以看到，浆液结石体表面沟壑纵横，表面明显存在许多纵横交错的裂隙。分析认为，碱激发复合注浆材料在凝结硬化后具有一定的干缩性，结石体的收缩导致了结石体内部的孔隙逐渐扩大、联通，形成了裂隙。因此，从微观角度分析，可以通过减少浆液结石体表面裂隙来控制碱激发复合注浆材料的性能。

4 结论

基于对湿陷性黄土地区的碱激发注浆材料优化及微观试验研究，得出以下结论：

1）水灰比是影响碱激发复合注浆材料初始粘度、2h析水率、抗压强度和抗折强度的最主要因素。

2）通过对碱激发复合注浆材料凝胶时间和强度性能的分析研究，表明浆液拌合料中粉煤灰和矿粉复掺的填充效应会降低结石体的孔隙率，从而相对提高结石体强度，碱激发复合注浆材料初始的强度主要是由水玻璃和氢氧化钙反应生成的水化硅酸钙提供，后期才是水泥本身的水化起主导作用。

3）利用微观试验对结石体表面结构和组成元素的研究分析得出，结石体内部较为松散，主要由硅酸钙构成，且可以通过减少浆液结石体表面裂隙来控制碱激发复合注浆材料的性能。

4）通过以上试验研究的综合分析，在本试验条件下选择出了浆液配合比最优组合条件为A1B2C3D4，即水胶比0.5，水玻璃掺量20%，矿粉30%，水玻璃40%，减水剂0.5%。