水工隧洞早强微膨胀注浆材料试验配比研究

李华斌

(吉安市水利水电规划设计院，江西 吉安 343000)

0 引 言

水利工程建设会涉及到许多水工隧洞，这些隧洞在经过一段时间的运行之后，会出现渗水、涌水、背后脱空、开裂等一系列问题，其中尤以二衬脱空问题最为严重。二衬脱空不仅会改变隧洞衬砌结构的整体受力模式，导致受力不均出现应力集中，从而引起衬砌混凝土开裂，而且在脱空位置还会形成水囊，形成水囊压力，随着时间延长，水囊压力越来越大，最终导致二衬开裂渗水，严重影响水工隧洞的正常运营[1-2]。

为解决水工隧洞二次衬砌与初期支护之间的脱空问题，一般采用注浆加固技术[3]。常用的注浆材料包括水玻璃类、高分子类和水泥基材料三大类[4-6]。水玻璃材料黏接性强、强度高、耐酸和耐热性能好，但耐碱和耐水性差；高分子注浆材料的使用成本太高，一般不适宜大面积采用；水泥基注浆材料的流动度可调、凝结时间可控，且成本较低，在当前注浆施工领域应用最为广泛。但是，目前大多数水泥基注浆材料存在体积收缩大等问题，容易导致微裂纹产生，从而影响结构的整体性、稳定性和耐久性，因此有必要寻找一种兼具高早强、流动性好、微膨胀性、黏结性好的水泥基注浆材料[7]。

本文以普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、硅灰、外加剂等为基材，研制一种新型水泥基注浆材料，以期能为水工隧洞脱空病害治理提供借鉴。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥：R·SAC硫铝酸盐水泥，主要化学成分为CaO和Al2O3，占比分别为44.6%和26.8%，初凝和终凝时间均为170 min，标准稠度用水量为25.2%，密度为3.01 g/cm3，比表面积为365 m2/kg，28 d抗压和抗折强度分别为63.5和10.6 MPa。

骨料：石英砂材质。其中：粗砂(20～50目)，表观密度为2.62 g/cm3，紧密空隙率为43%，吸水率为0.4%，细度模数为2.1；细砂(50～120目)，表观密度为2.65 g/cm3，紧密空隙率为45%，吸水率为0.4%，细度模数为1.1，粗细骨料按1∶1掺入。

掺合料：硅灰，粒径分布为0.5～1 μm，密度为2.14 g/cm3，SiO2成分占比达到91.3%。

外加剂：P29减水剂(减水率19%)，P803型消泡剂，XD型膨胀剂，缓凝剂等。

1.2 试验方案设计

本次试验采用3因素3水平正交试验法，主要考虑水料比A、硫铝酸盐水泥掺量B和硅灰掺量C共3个因素的影响，其中水料比分别选择0.18、0.19和0.2共3个水平，硫铝酸盐水泥掺量分别选择9%、11%和13%共3个水平，硅灰掺量分别选择6%、7%和8%共3个水平。具体试验方案设计情况见表1。

表1 试验方案设计

1.3 试验内容

流动度测试：分别测试出机时(0 min)和90 min后注浆材料的流动度。抗压强度测试：分别测试注浆材料在12 h、1 d和28 d时的抗压强度。竖向自由膨胀率测试：对最佳配合比下注浆材料在3 h和1 d后的早期竖向自由膨胀率进行测试。体积变化率(自收缩)测试：对最佳配合比下注浆材料在28 d内的自由收缩情况进行测试。

2 试验结果分析

2.1 流动度分析

不同配合比注浆材料的流动度试验结果见图1。从图1中可知，注浆材料的出机(0 min)流动度最大值为397 mm，最小值为373 mm；90 min后，注浆材料的最大流动度为373 mm，最小流动度为327 mm；随着水料比的增加，浆体流动度有逐渐增大的趋势，这是因为水作为注浆材料中唯一的浆体，可以吸附在水泥颗粒和矿物掺合料的表面，可以起到润滑作用，减小骨料颗粒之间的相互摩阻力，因而流动度随水料比增大而增大；硫铝酸盐水泥的水化反应速度明显高于普通硅酸盐水泥，当硫铝酸盐水泥掺量增加时，大量自由水参与水化反应，从而导致流动度降低；硅灰颗粒的细度比水泥颗粒更小，与浆体中自由水接触后会产生含硅凝胶体，这些凝胶体与氢氧化钙反应生成C-S-H凝胶固体物，不仅消耗大量水分，而且生成许多固体物，因而流动度随硅灰掺量增加而降低。

图1 流动度试验结果

对流动度影响因素敏感性进行极差分析，结果见表2。从表2中可知，对于出机流动度，起主要影响的是硫铝酸盐水泥掺量和硅灰掺量；对于90 min流动度，影响顺序从大到小依次为硫铝酸盐水泥掺量>硅灰掺量>水料比。综合来讲，对注浆材料流动度影响最大的是硫铝酸盐水泥，其次为硅灰，最小的为水料比。

表2 流动度极差分析结果

2.2 抗压强度分析

不同配合比注浆材料的抗压强度试验结果见图2。从图2中可知，随着龄期增大，注浆材料抗压强度逐渐增大；随着水料比的增大，抗压强度反而有所降低，这是因为当水量超过水化反应所需的水量后，会在硬化过程中形成较多孔隙，导致强度降低；硫铝酸盐水泥掺量对早期强度的影响较大，这是因为硫铝酸盐水泥水化反应生成钙矾石会迅速结晶形成坚硬的骨架，同时Al(OH)3凝胶体也可以起到较好的填充作用，使骨架空隙率降低，从而提升强度，但是硫铝酸盐水泥的反应在2～3 d后基本停止，因此其产量对28 d的强度影响不大；硅灰的粒径较小，其物理填充作用可以降低空隙率，同时其具备火山灰效应，可以消耗Ca(OH)2，生成硬度更高的C-S-H凝胶固体物，从而提升抗压强度。

图2 抗压强度试验结果

对抗压强度影响因素敏感性进行极差分析，结果见表3。从表3中可以看到，对于0.5 d龄期下的抗压强度，硫铝酸盐水泥掺量起主要影响，其次为水料比；对于1 d龄期下的抗压强度，影响程度依次为硫铝酸盐水泥掺量>水料比>硅灰掺量；对于28 d龄期下的抗压强度，影响程度依次为水料比>硅灰掺量>硫铝酸盐水泥掺量，水料比对注浆材料长期强度起主要影响，而硫铝酸盐水泥掺量对注浆材料早期强度起主要影响。

表3 抗压强度极差分析结果

2.3 最优配合比确定

从上文分析可知，为了使注浆材料具备良好的流动性，水料比应取大值，而硫铝酸盐水泥和硅灰掺量应取小值，故最佳配合比为：水料比0.2，硫铝酸盐水泥掺量9%，硅灰掺量6%。对于早期抗压强度，最佳配合比为水料比0.18，硫铝酸盐水泥掺量13%，硅灰掺量7%；对于长期强度，最佳配合比为水料比0.18，硫铝酸盐水泥掺量9%，硅灰掺量8%。在考虑注浆材料配合比时，还应该综合考虑材料经济性，由于硫铝酸盐水泥和硅灰的价格均比普通水泥贵，故从经济成本考虑，两者应取小值，即分别为9%和6%。

结合注浆材料的技术要求，认为应优先考虑材料的早期强度，其次是应具备大流动性。因此，水料比取中值0.19，硫铝酸盐水泥掺量取最大值13%，硅灰也取中值7%较为适宜。针对此配合比下注浆材料的流动度和抗压强度进行测试，结果见表4。从表4中可知，在推荐最佳配合比下，浆体的出机和90 min流动度分别为385和350 mm，0.5 d、1 d和28 d龄期下的抗压强度分别为4.8、23.2和87 MPa，容重为2 282 kg/m3，均满足《隧道衬砌拱顶带模注浆工程技术规程》中对注浆材料的参数要求。

表4 最佳配合比下基本性能参数

3 最优配合比下变形试验

3.1 竖向自由膨胀率

对最佳配合比下的注浆材料进行3组竖向自由膨胀率试验，结果见图3。从图3中可知，注浆材料3 h的竖向自由膨胀率为0.229%～0.274%，平均竖向自由膨胀率为0.257%；注浆材料1 d的竖向自由膨胀率为1.356%～1.777%，平均竖向自由膨胀率为1.564%，均满足技术规范中对注浆材料早期竖向自由膨胀率0.3%～2%的相关要求。

图3 竖向自由膨胀率试验结果

3.2 体积变化率

最佳配合比下注浆材料的自收缩试验结果见图4。从图4中可知，在0～14 d内，注浆材料的体积变形均为负值，表明其在早期具备良好的膨胀特性，可以起到补偿材料自收缩的特点。虽然从第10 d起，材料的收缩值为快速增大，膨胀量逐渐小于自收缩量，但仍能将自收缩性能维持在0.2 mm以下，表明注浆材料具备良好的体积稳定性，可以控制早期裂缝的产生和发展。

图4 体积变化率试验结果

4 结 论

1) 对于注浆材料流动度影响敏感性排序为：硫铝酸盐水泥掺量>硅灰掺量>水料比；对于注浆材料早期强度影响敏感性为：硫铝酸盐水泥掺量>水料比>硅灰掺量；对于注浆材料长期强度影响敏感性为：水料比>硅灰掺量>硫铝酸盐水泥掺量。

2) 综合考虑各种影响因素，最终确定注浆材料的最佳配合比为水料比0.19，硫铝酸盐水泥掺量13%，硅灰掺量7%。

3) 最佳配合比下，注浆材料的流动度、强度和容重均满足《隧道衬砌拱顶带模注浆工程技术规程》技术要求，早期竖向自由膨胀率低于2%，28 d收缩量仅为0.161 mm，具备良好的体积稳定性，可在实际工程中予以应用。