提高岩溶地区水库水泥灌浆材料性能的研究

刘鲁强，李维孟，何保煜，陈建国

（1.广西壮族自治区水利科学研究院 广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023；2.广西水利厅，南宁 530023）

0 引 言

岩溶区蕴藏着丰富的水利资源，在岩溶地区建设的水库，大都存在不同程度的渗漏，渗漏能够诱发严重工程事故，据统计，全国241座大型水库发生的1000宗工程事故中，渗漏事故（包括管涌）有317宗，占事故总数的31.7%[1]。水库渗漏严重影响工程效益的正常发挥，对工程安全造成极大危害。岩溶地区防渗处理技术中，水泥灌浆技术应用较为普遍，取得了有效的防渗效果。由于工程地质条件差异巨大，不同的灌浆工程具有不同的技术要求，在岩溶区水库灌浆的施工工艺方面，广西通过大量工程实践已总结出一些有效的经验，如引滤反堵灌浆法、平压过滤反堵灌浆法和通道追源灌浆法的施工方法，以及“反堵减压，掺料冲填浓浆成幕、高压补强”的工艺流程[2]，但在新型灌浆材料方面的研究与应用还比较欠缺[3]。

岩溶水库堵漏一般都采用纯水泥灌浆，虽然这种材料具有结石强度高、造价低、灌浆工艺简单等优点，但是水泥浆液也具有可灌性差、稳定性差、凝结时间长、硬化过程体积收缩、抵御水库环境水侵蚀能力差等缺点。岩溶水库水泥灌浆存在的主要问题有：浆液结石体凝结时间较长，集中渗漏流速较大，导致结石体凝固前被水稀释冲走；结石体干缩性大，渗流通道封堵效果不佳；有的水库水硬度小，水质软，对水泥结石具有腐蚀性。这些问题仅仅使用纯水泥灌浆材料是难以解决的。

本文针对广西岩溶水库渗漏水泥灌浆存在的问题，选择一些适当的外加剂和掺合料，采用单掺或多掺技术，来改善水泥灌浆的可灌性和稳定性，提高浆体结石强度、抗渗性能及抗侵蚀性能，减小浆体结石干缩，进而提高水泥浆液结石体耐久性。

1 试验方案

根据岩溶地区水库水泥灌浆材料存在的问题，首先，研究能改善水泥浆液流动性和稳定性，提高水泥浆体结石强度、抗渗性能及抗岩溶水库环境水侵蚀能力、减小水泥浆液结石干缩率的新型帷幕灌浆材料；其次，对岩溶水库渗漏通道比较集中、流速较大而通常采用水泥＋水玻璃快速堵漏灌浆材料存在的浆液结石体后期强度低、耐久性差等问题，研究能提高其后期强度和耐久性，浆液凝结时间可调范围大、流动性好、适应广的新型快速堵漏灌浆材料。

新型帷幕灌浆材料试验研究分两步进行。第一步，优选掺合料及外加剂的最佳掺量。新型帷幕灌浆材料选用的掺合料及外加剂为：粉煤灰、膨润土、HEA膨胀剂、硅粉、FDN-3000高效减水剂，对用量较大的粉煤灰、膨润土和HEA 膨胀剂进行掺合料及外加剂最佳掺量的优选，对用量较少的FDN-3000高效减水剂和硅粉，其掺量采用生产厂家推荐的掺量。第二步，保持掺合料及外加剂掺量不变，按单掺和多掺的不向组合进行掺合料及外加剂品种最佳组合优选试验，通过对试验结果分析，最终优选出能显著提高水泥浆体结石强度、抗渗性能及抗岩溶水库环境水侵蚀能力，干缩率小，能改善浆液可灌性和稳定性的新型帷幕灌浆材料。

新型快速堵漏灌浆材料试验研究同样分两步进行。第一步，对选用的外加剂或掺合料（凝结时间调节剂、快凝剂、速凝剂、超早强剂、水下抗分散剂、水玻璃和S 型瞬凝水泥）进行初选，初选试验采用水泥净浆法，只须检验凝结时间、安定性和胶砂强度；第二步，根据初选试验结果，选择凝结时间较快、胶砂强度较高的外加剂进行浆液性能及浆液结石体物理力学性能试验，通过综合分析比较，最终优选出浆液凝结时间较快且可调范围大、流动性大，浆液结石强度高的新型快速堵漏灌浆材料。

2 试验结果及分析

2.1 新型帷幕灌浆材料试验结果及分析

2.1.1 掺合料及外加剂掺量优选试验结果

对粉煤灰、膨润土和HEA膨胀剂掺量的优选采用正交设计法，每个因素各选3个水平（掺量）：粉煤灰（0、15%、30%）、膨润土（0、5%、10%）、HEA膨胀剂（0、5%、10%），进行L9（34）正交试验。试验内容包括：①浆液性能（相对稠度、析水率、凝结时间和比重）；②浆液结石体力学性能（抗压强度和渗透系数）。

试验结果表明：①在保持相对稠度不变（以水灰比W/C=0.8 纯水泥浆液的相对稠度为准）即可灌性相同的条件下，与纯水泥浆液相比，对浆液凝结时间和水固比影响的主要因素是膨润土的掺量，随着掺量的增加，浆液水固比显著增大，凝结时间延长；②对于浆液的析水率，膨润土的掺量无显著影响，双掺粉煤灰和HEA 膨胀剂，浆液的析水率有所下降，即浆液的稳定性得到改善；③对于浆液结石体抗压强度和渗透系数，随着膨润土掺量的增加，浆液结石体抗压强度直线下降，渗透系数显著增大；膨润土掺5%时，与5%HEA 膨胀剂在双掺的情况下，抗压强度降低37%，渗透系数增加约10 倍。而掺HEA 膨胀剂，随着掺量的增加，浆液结石体抗压强度增加，渗透系数减小，HEA膨胀剂掺10%时，与30%粉煤灰双掺的情况下，浆液结石抗压强度提高18%，渗透系数减小约10倍；掺量达到80%左右，这种趋势变缓。粉煤灰掺至30%与HEA 膨胀剂双掺，对浆液结石体抗压强度和渗透系数无显著影响。

可见，膨润土不宜掺用，粉煤灰适宜掺量为30%，HEA适宜掺量为8%。

2.1.2 掺合料及外加剂品种最佳组合优选试验结果

根据掺合料及外加剂掺量优选试验结果，粉煤灰掺量为30%，HEA膨胀剂掺量为8%，硅粉按厂家推荐掺量为8%，FDN-3000高效减水剂按厂家推荐掺量为0.5%，固定掺合料及外加剂掺量，按单掺或多掺共组成10个不同组合浆液配合比。即纯水泥、水泥＋粉煤灰、水泥+粉煤灰+HEA 膨胀剂、水泥＋粉煤灰＋硅粉、水泥＋粉煤灰＋HEA膨胀剂＋硅粉及以上组合均掺FDN-3000高效减水剂。分别进行试验：①浆液性能（相对稠度、析水率、凝结时间和比重）；②浆液结石体性能（抗压强度、渗透系数、侵蚀深度、抗蚀系数和干缩率试验）。其中评价浆液结石体抗侵蚀性能指标侵蚀深度和抗蚀系数采用10%NaHCO3溶液模拟岩溶水库侵蚀性环境水浸泡试件进行测试。

试验结果表明：①在浆液相对稠度即可灌性相同的条件下，与纯水泥浆相比，单掺粉煤灰的组合即水泥＋粉煤灰（掺量30%），其浆液结石体的抗侵蚀性能显著提高，其中90 d 龄期侵蚀深度减小16%、抗蚀系数提高9%，干缩率有所减小，但其浆液析水率较大，析水率增加20%，浆液稳定性较差。②双掺粉煤灰、HEA 膨胀剂的组合即水泥+精煤灰（掺量30%）+HEA膨胀剂（掺量8%），其浆液结石体的抗压强度、抗渗性能及抗侵蚀性能均显著提高，其中90 d龄期抗压强度提高28%，渗透系数减小约10 倍，侵蚀深度减小30%，抗蚀系数增加11.5%。其结石体早期能产生适度的膨胀，28 d龄期膨胀率为0.46×10-4，后期干缩率明显降低，90 d龄期干缩率降低51%，浆液的流动性和稳定性亦有所改善。③掺用硅粉的双掺和多掺组合即水泥＋粉煤灰＋硅粉与水泥＋粉煤灰＋HEA 膨胀剂+硅粉，其浆液结石体的抗压强度、抗渗性能及抗侵蚀性能均显著降低，其中90 d 龄期抗压强度降低30%以上，渗透系数增加10 倍以上，侵蚀深度增加26%以上，抗蚀系数减小16.7%以上。在上述单掺或多掺不同组合的基础上掺用FDN-3000高效减水剂均能改善浆液的流动性和稳定性，提高浆液结石体的抗压强度、抗渗性能和抗侵蚀性能。

综上所述，能显著提高水泥浆液结石体抗侵蚀性能、抗压强度及抗渗性能，改善水泥浆液的流动性和稳定性，有效减小水泥浆液结石体收缩，避免浆液结石后产生残留缝隙的新型帷幕灌浆材料为：水泥+粉煤灰（掺量30%）+HEA膨胀剂（掺量8%）与水泥＋粉煤灰（掺量30%）＋HEAH 膨胀剂（掺量8%）+FDN-3000高效减水剂（掺量0.5%）。

2.2 新型快速堵漏灌浆材料试验结果及分析

新型快速堵漏灌浆材料选用的外加剂为凝结时间调节剂、快凝剂、速凝剂、超早强剂、水下抗分散剂、水玻璃和S 型瞬凝水泥。对外加剂的初选采用水泥净浆法，只须检验凝结时间、安定性和胶砂强度，试验结果表明：掺用速凝剂、快凝剂和水玻璃的水泥浆，其凝结时间较快，但其胶砂强度较低。其中掺速凝剂其初凝时间为9 min，28 d抗压强度仅为纯水泥的54%。掺用超早强剂和水下抗分散剂其胶砂强度较高，但其凝结时间较慢，初凝时间在1 h以上。只有S型瞬凝水泥，其凝结时间较快且胶砂强度较高。其初凝与终凝时间分别为21 min 和26 min，其胶砂抗压强度比纯水泥提高5%，因此，初选S型瞬凝水泥进行浆液性能试验。

为了便于比较，采用目前快速堵漏灌浆材料常用的水玻璃与初选的S 型瞬凝水泥，按不同掺量进行浆液凝结时间、相对稠度及浆液结石体抗压强度试验。试验结果表明：随着S 型瞬凝水泥掺量的增加，浆液的凝结时间显著加快，其结石体抗压强度有所提高，后期强度增长较大，90 d龄期抗压强度比28 d 增长60%。而随着水玻璃掺量的增加，其结石强度显著降低，浆液的凝结时间加快幅度较小，浆液的相对稠度明显增大。后期强度降低，90 d 龄期抗压强度比28 d 降低3%。可见，与传统的快速堵漏灌浆材料水泥+水玻璃相比，以水泥＋S型瞬凝水泥组成的新型快速堵漏灌浆材料具有凝结时间快、凝结时间可调范围大，浆液可灌性好，浆液结石体强度高，后期强度增长大，耐久性好，适应性广等特点。

3 结论

（1）掺合料及外加剂优选试验结果表明：水泥+粉煤灰（掺量30%）+HEA 膨胀剂（掺量8%）与水泥＋粉煤灰（掺量30%）＋HEAH膨胀剂（掺量8%）+FDN-3000高效减水剂（掺量0.5%）作为新型帷幕灌浆材料，能显著提高水泥浆液结石体抗侵蚀性能、抗压强度及抗渗性能，改善水泥浆液的流动性和稳定性，有效减小水泥浆液结石体收缩，避免浆液结石后产生残留缝隙。

（2）新型快速堵漏灌浆材料试验结果表明：水泥+S型瞬凝水泥作为新型快速堵漏灌浆材料，减小了凝结时间、扩大了凝结时间可调范围，提高了浆液可灌性、耐久性、适应性和浆液结石体强度，增加了后期强度。