岩溶水养护条件下改性水泥-水玻璃浆液性能试验研究

杨秀竹，雷金山,2，张屿庆，刘毅，康镜，刘佳

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙410075；2.高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙410075)

注浆材料能满足注浆施工对于加固地层、防水堵漏等方面的要求，因此从该技术出现以来国内外学者对其开展了多方面研究[1-2]。在注浆材料配比研究方面，雷金山等[3]应用正交试验设计法，对岩溶注浆相似材料的配比进行优化研究，得到最佳配比。刘玉祥等[4]对水泥-玻璃不同配比下的凝胶时间进行了试验研究，提出终凝时间在拐点附近选择注浆配比最经济有利的观点。陈沅江等[5]对氯化铝溶液及磷酸氢二钠2 种不同外加剂对水泥-水玻璃浆液凝固特性的影响进行了对比试验研究。邹友平等[6-7]对粉煤灰掺量对水泥-水玻璃浆液强度和凝结时间等各项性能参数指标进行了研究。王世儒等[8]通过改变掺入的矿物混合料和水玻璃体积参数及其波美度，研究分析复合水泥基-水玻璃双液注浆材料的性能参数。王小龙等[9]根据测定不同注浆龄期和注浆深度造成的测斜管变形数据，提出注浆土层测斜管受到的均布荷载的计算公式，定量研究水泥-水玻璃双液注浆的力学行为。连会青等[10]利用正交试验，确定影响浆液性能的水固比、粉煤灰掺量、水玻璃添加比例3 个因素的影响规律和影响程度，通过SEM 图像和固化过程化学反应原理，分析3 因素对结石强度的影响机理。ZHANG 等[11]研究了岩溶地质下，盾构隧道施工灌浆材料的配方及其性能。WANG 等[12]制定玻璃纤维水泥浆的动态堵水标准，并对不同玻璃纤维比例的水泥浆和固结体进行了流型试验，研究了动态水注浆的泥浆扩散堵漏机理。李喜林等[13]根据铁路下伏采空区特征，提出采用水泥-水玻璃浆液并适当选用粉煤灰、砂、细石组成混合浆液的方案，并通过试验确定了注浆材料和浆液配比。DU 等[14]采用粉煤灰替代化学注浆材料进行小粒径渗透注浆实验，通过正交实验确定各因素的影响程度。涂鹏等[15-16]通过试验对比分析了矿渣硅酸盐水泥-水玻璃浆液的基本性能，并以抗压强度实验为指标对比两者抗压强度性能。然而目前的试验研究大多未考虑岩溶水对浆液性能的影响。而在岩溶地区进行注浆时，浆液被直接注入含有岩溶水的地层，岩溶水中所含的离子会在浆液结石体内部发生渗透、扩散、毛细吸收以及离子迁移等现象，进而影响浆液的强度和耐久性。因此，岩溶水对浆液的影响不可忽视。本文依托长沙地铁3 号线某区间岩溶注浆工程，根据水文地质资料配置岩溶水，并通过正交试验，对改性水泥-水玻璃浆液进行研究，探讨岩溶水养护条件下水灰比、粉煤灰掺量、水玻璃掺量、水玻璃浓度等因素对浆液性能的影响。

1 试验因素与水平

影响注浆体强度及性能的4 个主要因素包括：水灰比、粉煤灰掺量、水玻璃浓度和水玻璃掺量。对于多因素试验而言，往往试验周期较长、试验费用较大。为了克服这一困难，采用正交试验法。正交试验法是一种从全面试验中根据“均衡分散性”与“整齐可比性”2 条原则挑取一部分有代表性的试验点进行试验的方法。均匀分散使选择的试验点具有代表性，整齐可比便于后期试验数据的处理分析，这样可以大大减小试验和分析的工作量。

本试验因素与水平如表1所示，本正交试验为4 因素3 水平，正交试验表为L9(34)，试验方案如表2所示。本试验如果采用全面试验应进行34=81 次，采用正交试验只需进行9 次试验，大大节省了试验工作量。其中试验所选取的因素取值，是根据连会青等[10]的水泥-粉煤灰-水玻璃注浆材料强度影响因素试验中得到的浆液结石强度最高的试样配比所得，为水灰比0.8、粉煤灰掺量20%、水玻璃添加比1%。在该配比的基础上设定正交试验各因素取值如表1所示。

表1 正交试验因素与水平Table 1 Factors and levels of orthogonal test

表2 L9(34)正交试验方案Table 2 Orthogonal test scheme

2 试验指标及岩溶水配置

本试验选取浆液的凝结时间、抗压强度作为评价浆液性能的指标。根据某地铁3 号线区间详勘资料中水质分析报告，分析确定对浆液有较大侵蚀作用的离子，并选择离子浓度的较大值作为配制岩溶养护水的离子浓度，配制的岩溶水成分如表3所示。

表3 配制岩溶水成分Table 3 Composition of Karst water composition mmol/L

3 试件尺寸及养护

浆液结石体尺寸为40×40×160 mm。养护条件和试验结石体尺寸如图1所示，试验在养护过程中，养护箱的地下水在养护前2 周，每周更换2 次，之后每周更换1 次，确保溶液中离子的浓度。

图1 试件养护Fig.1 Maintenance specimens

4 正交试验结果分析

正交试验结果如图2所示。不同组数浆液凝结时间对比情况如图2(a)所示，从图中可以看出：组号(2)和(4)初凝和终凝时间均较短，组号(5)和(9)初凝和终凝时间均较长。不同试验组号，浆液结石体各龄期抗压强度对比情况如图2(b)所示。抗压强度在28 d 龄期基本趋于稳定。120 d 抗压强度：组号(2)最大，达到8.1 MPa，组号(1)次之，组号(9)最小，仅有3.0 MPa。可以初步判断：组号(2)凝结时间较短，后期强度较高，是比较理想的配比方案。

图2 正交试验不同配比对浆液性能的影响Fig.2 Effect of different ratio of orthogonal test on the slurry properties

4.1 抗压强度极差分析

采用极差分析法对影响浆液各龄期抗压强度的主要因素进行分析如表4所示，并得出最佳配比。从各阶段的抗压强度分析结果可以看出，影响结石体早期(3 d 和7 d)强度的主要因素是水玻璃浓度，粉煤灰掺量次之，水玻璃掺量再次之，水灰比对早期抗压强度的影响最小。随着龄期增长，从28 d 龄期开始，影响抗压强度的主要因素水灰比上升为第一位。从28 d 和60 d 的中期强度来看，水灰比是首要影响因素，粉煤灰掺量次之，其次是水玻璃浓度和水玻璃掺量。随着养护时间进一步增长，90 d和120 d 龄期各因素影响程度趋于稳定，水灰比仍然是首要影响因素，其次是粉煤灰掺量，影响最小的是水玻璃掺量和水玻璃浓度。从60，90 和120 d强度来看，适当增加粉煤灰掺量，可提高浆液结石体后期强度。因此，从早期强度的角度考虑，最佳的浆液配比为：水灰比1.0，粉煤灰掺量20%，掺入30%浓度为35 Be’水玻璃。若从后期强度的角度考虑，最佳的浆液配比为水灰比0.8，粉煤灰掺量40%，掺入10%浓度为30Be’水玻璃。

表4 抗压强度与凝胶时间极差分析Table 4 Difference analysis of gel time

4.2 凝胶时间极差分析

采用极差分析法对影响浆液凝胶时间的主要因素进行分析如表4所示。其中A 代表水灰比，B代表粉煤灰掺量，C 代表水玻璃浓度，D 代表水玻璃掺量。从凝胶时间分析的结果可以看出，影响初凝和终凝时间最主要的因素是水玻璃掺量。从初凝时间的角度考虑，最佳的浆液配比为水灰比0.8，粉煤灰掺量20%，掺入20%浓度为40 Be’水玻璃。若从终凝时间的角度考虑，最佳的浆液配比为水灰比0.8，粉煤灰掺量20%，掺入20%浓度为35Be’水玻璃。

4.3 强度机理分析

本文将依据水泥、粉煤灰、水玻璃的化学反应原理，综合考虑在浆液环境中注浆材料的反应过程，分析其产生强度和胶凝的机理。

水泥在溶液中发生如下反应：

其中：Ca(OH)2溶液能够促进粉煤灰的反应，且当其饱和时会析出晶体，具有一定的强度，这也是注浆材料早期强度的主要来源。

粉煤灰在溶液中发生如下反应：

其中：粉煤灰反应较快，反应一方面大量消耗水泥反应中生成的 Ca(OH)2，同时又生成少量的Ca(OH)2为注浆材料提供早期强度，但强度较低。而水玻璃则发生如下反应

其中：2 CaO ·SiO2·mH2O和 2CaO · SiO2· (n-1)H2O 为胶质状产物，不溶于水，水玻璃反应后生成的NaOH 溶液为注浆材料提供了一个强碱性环境，在促进粉煤灰反应的同时抑制 Ca(OH)2的生成，使得Ca(OH)2只能提供早期的抗压强度，而后期的强度则主要由水泥的水解水化反应来提供。

5 结论

1)采用极差分析法对影响浆液凝胶时间的主要因素进行分析发现：影响凝胶时间最主要因素是水玻璃的掺量。2 个居中影响初凝时间的因素分别是粉煤灰掺量和水灰比。

2)采用极差分析法对影响浆液各龄期抗压强度的主要因素进行分析发现：对浆液结石体早期(3 d 和7 d)强度影响最大的因素水玻璃浓度，水灰比影响最小。随着龄期增长，从28 d 龄期开始，影响抗压强度的主要因素是水灰比跃居第1 位。90 d 和120 d 龄期各因素影响程度趋于稳定，水灰比仍然是首要影响因素，其次是粉煤灰掺量，影响最小的是水玻璃掺量和水玻璃浓度。粉煤灰的影响，无论是对早期强度还是后期强度，一直处在第2 位，作用不容忽视。从对60，90 和120 d 强度影响因素分析来看，适当增加粉煤灰掺量，可提高浆液结石体后期强度。