适合钙质砂地基注浆加固的材料性能试验研究

李可良，许宏发，杨殷豪，赵良才

（1.陆军工程大学 国防工程学院爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007；2.63850部队，吉林 白城 137000）

引 言

我国南海诸岛绝大多数是由珊瑚礁构成，礁体通常由松散无胶结或弱胶结的砂砾层（主要为钙质砂）和固结成岩的次生或原生礁灰岩层组成，厚达2 0 0 0 m以上，这些开发建设都避不开深厚的原状或吹填钙质砂地基。钙质砂地基承载力低、变形大，限制了工程建设，因此对钙质砂地基进行加固研究，具有重要的实践意义。

钙质砂是一种海洋生物（珊瑚、海藻、贝壳等）成因的，富含碳酸钙或其他难溶碳酸盐类物质（通常CaCO3含量5 0 %以上）的特殊岩土介质，其矿物成分主要为文石、白云石、方解石（含Mg＜1 %）和镁方解石（含 Mg＞1 %）[1-8]。钙质砂主要物质来源为造礁珊瑚、珊瑚藻及其他海洋生物的骨架残骸在原地沉积或近源搬运沉积[6]，保留着原生生物骨架中的细小孔隙，颗粒具有多孔隙（含有内孔隙）、形状不规则、易破碎、易胶结等特点，其工程力学性质与一般陆相、海相沉积物相比，有较明显的差异[2-4]。

我国南海的开发建设避不开深厚的原状或吹填钙质砂地基，而钙质砂孔隙比高、压缩性大、承载力低，因此，有必要深入研究其工程地质特性，正确认识和掌握其加固规律和方法。目前钙质砂地基的加固方法主要有扰动加固（如夯实、挤密、振冲等）、原位加固（如微生物固化技术、注浆等）和桩基础，传统的扰动加固对提高钙质砂地基承载力和抗渗能力有限，微生物固化技术尚未进行工程应用，桩基础施工机械复杂、成本高，而注浆技术是岩土工程中提高地基承载力和抗渗性的有效加固方式，且施工简单、成本低，已经形成了非常成熟的理论和施工方法，但目前国内外对钙质砂注浆加固研究非常少[9-14]。

本文采用四种注浆材料，分别为复合硅酸盐水泥、超细水泥、水玻璃-氯化钙、超细水泥-水玻璃，对不同注浆材料的性能进行了试验研究；进行了钙质砂注浆试验，分析了不同材料的可注性和固结体强度，比选了适合钙质砂的注浆材料，为钙质砂地基注浆加固提供了参考。

1 水泥类浆液性能

试验用复合硅酸盐水泥，为马鞍山海螺水泥有限责任公司生产的P·C 32.5R水泥，超细水泥为山东康晶新材料科技有限公司生产的k1340型号超细灌浆水泥，采用Winner 2000激光粒度分析仪测试两种水泥的颗粒粒度，分别见表 1、表 2，分布曲线如图1，两种水泥的基本物性指标见表3。

表1 复合硅酸盐水泥颗粒粒径分析

表2 超细水泥颗粒粒径分析

表3 复合硅酸盐水泥和超细水泥基本物性指标[15]

图1 水泥颗粒粒径分析及分布曲线

2 水玻璃-氯化钙浆液性能

水玻璃原液模数3.1，波美度40，按公式1配成相应的波美度，具体浓度及配比见表 4。工程应用上通常是1:1双液注浆，因此，水玻璃溶液和氯化钙溶液各取50 ml，混合后，倒杯法测试凝胶时间，记录见表5。

式中：

V0表示水玻璃原液体积；

A为其波美度值（°Bé）；

V水表示兑水体积；

B表示兑水稀释后的波美度值（°Bé）。

表4 不同波美度溶液兑水与原液体积比

表5 不同配合比的水玻璃-氯化钙溶液凝结时间记录

从表5可知，当水玻璃浓度一定时，氯化钙浓度低于4 %时，凝结时间在数分钟至十几分钟，且浓度越低，时间越长；氯化钙溶液浓度为5 %～10 %时，浆液瞬间凝结；氯化钙浓度12 %以上时，浆液混合后，很快凝结成冰沙状，搅拌1分钟后，呈糊状，不成形，静置 24小时以上，状态没有改变；说明氯化钙浓度5 %～10 %时，化学反应最充分，高于或低于此浓度，化学反应都会受抑制。当氯化钙溶液浓度低于4 %且一定时，凝结时间随水玻璃浓度先减小再增大，在30 °Bé时最小，说明30 °Bé时化学反应最充分。不同配比下，凝结体的强度较小，手捏就碎，故不做强度试验。成模较好的凝结体（水玻璃浓度25 °Bé，氯化钙浓度5 %）体积收缩较大，14 d抗压强度才达到3 kPa，变形达20 %时仍不破坏，卸载时变形恢复，说明凝结体强度很小，具有很好的弹性。

3 超细水泥-水玻璃浆液性能

3.1 浆液凝胶时间

超细水泥浆液和水玻璃溶液各取 50 ml，混合后，倒杯法测试胶凝时间如表6。

表6 不同配合比的凝结时间记录 /s

水灰比一定时，凝结时间随水玻璃浓度变化情况如图2（a）所示，水玻璃浓度一定时，凝结时间随水灰比变化情况如图2（b）所示。

图2 不同配合比凝结时间变化

由图2可知，超细水泥-水玻璃浆液的凝结时间随水玻璃浓度和水泥浆液水灰比的变化规律很明显，总体而言，当水玻璃浓度一定时，凝结时间随水灰比的增大而增大。当水灰比一定时，凝结时间随水玻璃浓度增大而增大。从注浆堵水的角度看，减小波美度可以缩短浆液凝结时间，达到加速止水目的，但注浆后结石体强度可能会变低；减小水灰比可以缩短凝结时间，但扩散范围可能会变小。从注浆加固的角度看，增大波美度可以增大浆液凝结时间，从而浆液扩散更远，但价格更高；增大水灰比可以增大凝结时间，从而浆液扩散更远，但注浆后结石体强度可能降低。因此，实际工程，应根据地质环境，通过试验确定浆液配比。

3.2 浆液凝结体抗压强度

浆液凝结体强度是影响钙质砂注浆后结石体强度的重要影响因素，配置3个浓度的水玻璃溶液和3个水灰比的超细水泥浆液，按体积比1:1混合后测试3 d和28 d抗压强度，统计结果见表7。

表7 不同配比3 d和28 d抗压强度统计

当水灰比一定时，凝结体抗压强度随水玻璃变化如图3（a）所示，可知，当水灰比较小时（≤1.5），凝结体强度随水玻璃浓度增大先升高后下降，在25 °Bé时达到最大；当水灰比较大时（=3），凝结体强度随水玻璃浓度增大略微升高，说明超细水泥-水玻璃浆液反应时，水玻璃浓度存在一个较优的浓度，大于或小于这个浓度，都会削弱凝结体强度。当水玻璃浓度一定时，凝结体抗压强度随水灰比变化如图3（b）所示，可知，凝结体强度随水灰比增大而下降，并且下降的速度先快后慢，这是因为超细水泥-水玻璃反应所需的水量一定，水灰比越大，凝胶体内多余的水分就越多，反而削弱了凝胶体强度。随时间的增长，凝结体强度增大，前期增长较快，后期增长较慢，3 d抗压强度能达到28 d抗压强度的32 %～91 %。

图3 不同配合比超凝结体抗压强度

4 不同注浆材料对钙质砂加固试验效果分析

4.1 试验目的

采用上述4种注浆材料，分别对钙质砂进行注浆加固，分析两种水泥类浆液对钙质砂的可注性，对不同注浆材料的钙质砂固结体单轴抗压强度进行比较，优选出适合钙质砂地基注浆加固的注浆材料，为钙质砂注浆加固领域的理论研究和工程应用提供一定参考。

4.2 试验装置及操作

模拟实验装置如图4所示，由空气压缩机、储浆桶、模具、回浆桶组成，各装置通过高压软管和阀门连接。空气压缩机提供注浆压力；储浆桶存放注浆液；模具由有机玻璃管（厚×直径×高：5 mm×50 mm×100 mm）、上盖、下盖及紧固螺杆构成，钙质砂注浆固结体生成装置；回浆桶回收溢出的浆液。

操作时，先将有机玻璃管内壁涂抹凡士林，下盖上放透水石，再倒入钙质砂，砂子上放滤片，将上盖套好密封，拧紧螺杆，将配好的浆液倒入储浆桶，通过高压软管将空气压缩机、储浆桶、模具连接。该装置不仅可以进行水泥类浆液可注性试验，还可得到标准的钙质砂固结体试块进行强度分析。复合硅酸盐水泥浆液和超细水泥浆液，只需要一个储浆桶；水玻璃-氯化钙浆液，先注水玻璃再注氯化钙；超细水泥-水玻璃浆液，先注超细水泥浆液，再注水玻璃溶液。

图4 钙质砂注浆试验装置模型

4.3 试验方案

试验用钙质砂来自我国南海某岛礁，天然钙质砂多为珊瑚碎枝，采用机械破碎，烘箱 10小时烘干后，用振筛机筛分，按《土的工程分类》（GB/T 50145-2007）[16]将砂粒分为粗砂（0.5 mm＜d≤2 mm）、中砂（0.25 mm＜d≤0.5 mm）和细砂（0.075 mm＜d≤0.25 mm）三组。在对比水泥类浆液可注性时，水灰比采用1.5和2，注浆压力采用0.3 MPa和0.5 MPa，注浆过程中，软管回浆桶处流出浆液时，结束注浆，如无浆液流出，保持注浆时间5 min后结束注浆。注浆完毕后，取下软管清洗，观察模具内砂样的注入效果。浆液充满有机玻璃管认为是完全注入，浆液注入不到1 cm认为是完全不注入，浆液注入大于1 cm且小于10 cm认为是注入不充分。

选取特定工况，采用不同注浆材料进行钙质砂注浆试验，对不同注浆材料的钙质砂固结体强度进行初步的分析和比较，为将来系统研究不同工况下各注浆材料对钙质砂加固效果规律提供思路和参考。

4.4 水泥类浆液的可注性分析

根据试验方案编组，对复合硅酸盐水泥和超细水泥进行钙质砂注浆试验，各工况下的注入情况如表8所示。

表8 复合硅酸盐水泥和超细水泥对钙质砂的注入情况

表9 砂层可注性判定

多学者对砂层介质的可注性进行了深入研究，提出了相应的判定参数和标准，见表 9，这些研究主要是通过被注介质孔隙直径与注浆材料粒径的关系比来确定，当注浆液颗粒尺寸与介质孔隙相比较小时，则能注入，反之则不能注入。从表 1、2可以看出超细水泥颗粒比复合硅酸盐水泥更细，说明超细水泥对钙质砂注浆具有更好的可注性，表 8试验结果给出了验证。

结合表1、2和表8、9可知，对于复合硅酸盐水泥浆液，注入粗砂时，有D15/d85=14，D10/d90=11，D10/d95=8，查表9可注，实际在注浆压力0.3 MPa时，注入不充分，在注浆压力0.5 MPa时，完全注入；注入中砂时，有D15/d85=6，D10/d90=5，D10/d95=5，查表4-2不可注，实际不可注。对于超细水泥浆液，注入粗砂时，有D15/d85=77，D10/d90=58，D10/d95=44，查表9可注，实际可注；注入中砂时，有D15/d85=36，D10/d90=28，D10/d95=21，查表9可注，实际在水灰比为1.5时，注入不充分，在水灰比为2时，完全注入；注入细砂时，有D15/d85=12，D10/d90=9，D10/d95=7，查表9不可注，实际不可注。上述分析表明，当钙质砂孔隙直径和注浆液粒径比满足表 9不可注的标准时，实际注浆不管多大压力和多大水灰比，都是不可注，说明钙质砂孔隙直径和注浆液粒径比是可注性的决定因素；当钙质砂孔隙直径与注浆液粒径之比满足表9可注的标准时，比值越大，越容易注入，当比值较小时，还受浆液水灰比和注浆压力的影响，水灰比和注浆压力越大，注入越充分，说明文献[20]中的标准考虑因素更多，更符合注浆实际，可作为钙质砂可注性的参考。

4.5 不同注浆材料的钙质砂固结体强度分析

在特定工况下，对3种不同注浆材料进行钙质砂注浆加固试验，测试钙质砂固结体7 d强度，结果见表10。钙质砂注浆前抗压强度很小，可视为0，注浆后，钙质砂固结体强度得到大幅提高，结石体7 d抗压强度最高能达到1.096 MPa。从表10可以看出，对于同一种砂样的固结体，超细水泥-水玻璃＞超细水泥＞水玻璃-氯化钙；超细水泥注浆后固结体强度明显高于水玻璃-氯化钙注浆后固结体强度，前者是后者的7～8倍；超细水泥-水玻璃注浆后固结体强度比超细水泥注浆后固结体强度高23 %～62 %；三种不同的注浆材料，对中砂的固结体强度都要大于粗砂的固结体强度，这是因为中砂比粗砂孔隙少，颗粒之间更加紧密，接触面更过，通过浆液的粘结后强度更高。

表10 不同注浆材料的钙质砂固结体7 d抗压强度

5 结 语

对于水泥类注浆材料，超细水泥在可注性和强度方面都优于复合硅酸盐水泥，因此可以优先考虑超细水泥作为注浆液，不过超细水泥价格要高于复合硅酸盐水泥。对于水玻璃-氯化钙，因为是真溶液，理论上可以注入任何颗粒粒径的钙质砂中，水玻璃-氯化钙凝结时间快，但结石体强度不高，可用于临时加固和防渗堵漏。超细水泥-氯化钙浆液具有凝结时间快、强度较大的特点，即可应用于临时加固，也可用于永久加固。

综上所述，超细水泥在钙质砂注浆加固方面效果最好，下一步，可以利用超细水泥作注浆液，对钙质砂进行注浆加固研究，分析不同浆液参数（如水灰比）、注浆参数（如注浆压力）、地层参数（如颗粒粒径、级配、孔隙率、渗透系数等）、注浆方法等条件下，钙质砂注浆结石体力学性能变化规律，并可开展数值分析，为钙质砂注浆加固领域的理论研究和工程实践提供参考。