水泥基与非水泥基注浆材料性能对比

2022-08-19周翔

水利科技与经济 2022年8期

周翔

(塔里木河流域工程建设处，新疆库尔勒 841000)

1 概述

水利工程基础注浆加固工作是保证水利工程长期安全性和工程性能的重要手段，注浆加固效果不好会导致水利工程存在较大的隐患[1-5]。目前，关于水利工程注浆加固的研究较多。付宝宁[6]针对水利工程注浆材料工程性能进行了研究，室内制备了一种改良型PA注浆材料，并指出其具有凝结速率快、抗压强度更高、渗透性降低的特殊优势，对我国引水隧洞注浆工程具有一定的指导作用。郑贵亮[7]基于现场施工工程，指出高压喷射注浆技术对基础土层加固具有良好的注浆效果，能够提升水利工程的整体施工质量。黄治林[8]基于农业水利工程引水隧洞项目，指出了超前小导管注浆技术的高效、可靠及简便的应用优势。

综上所述，现有研究多是针对注浆技术的研究，而缺乏对新型注浆材料的开发。本文基于室内试验，分析对比水泥基注浆材料和非水泥基注浆材料的体积稳定性、流动性及抗压强度，研究成果可为我国水利工程建设提供一定的借鉴作用。

2 试验设计

2.1 原材料

为对比水泥基/非水泥基注浆材料性能差异，室内制备了两种不同注浆材料。其中，水泥基注浆材料的胶凝材料采用普通硅酸盐水泥(P.O 42.5)。非水泥基注浆材料的胶凝材料则采用糯米灰浆；促凝剂为水玻璃，其细度模数和波美度分别为3.2和40；絮凝剂为黄原胶。此外，非水泥基注浆材料还掺加一定的钙华砂、石粉和石膏成分。

2.2 注浆材料的制备

试样制备过程分为两步。首先按水灰比1∶1将水泥/糯米灰浆与水混合搅拌成溶液A，以60 rpm的转速搅拌至浆液均匀；按照溶液A相同体积将水玻璃、黄原胶和水混合成溶液B。根据前人的研究经验，确定水玻璃掺量为水泥质量的60%、65%、70%、75%和80%，黄原胶掺量为水泥质量的0.6%、0.9%和1.2%。首先将黄原胶与水混合搅拌2 min，然后加入水玻璃搅拌2 min，最后将两种溶液混合搅拌30 s。具体配比见表1。

表1 材料配比 /g

2.3 试验设计

为对比水泥基和非水泥基抗分散注浆材料的综合观测性能，参照相关试验规范和标准，本次研究分别对水泥基和非水泥基注浆材料开展体积稳定性测试、流动性测试和力学性能测试。其中，体积稳定性采用量杯法对注浆材料的析水率进行测试；流动性测试采用流动度盘进行试验；抗压强度利用YAW-3000型万能试验机对结石后的注浆材料进行试验。此外，为了分析养护龄期对注浆材料性能的影响，本次试验还设置了养护龄期分别1、3、7和28 d的注浆材料析水率试验和抗压强度试验。见图1。

图1 YAW-3000型万能试验机

3 试验结果分析对比

3.1 体积稳定性

本次析水试验是在养护试验(1、3、7、28 d)的基础上，对注浆材料析水质量进行称量后与其原质量进行对比。基于室内试验，得到不同养护时间下水泥基和非水泥基水下抗分散注浆材料的析水率变化关系，见图2。由图2可知，随着析水时间的不断增长，两种注浆材料的析水率均呈现出逐渐增大的变化趋势。进一步对比分析水泥基注浆材料和非水泥基注浆材料的区别发现，当养护时间为1 d时，非水泥基注浆材料的析水率仅为0.54%，而水泥基注浆材料的析水率则达到5.13%，是非水泥基注浆材料的9.5倍；随着养护时间的不断增长，当养护时间为28 d时，非水泥基材料的析水率为6.23%，水泥注浆材料的析水率为10.08%，此时水泥基注浆材料的析水率仅较非水泥基注浆材料高出61.73%。

图2 水泥基/非水泥基注浆材料析水率随时间变化关系

上述试验结果表明，在注浆加固初期，非水泥基注浆材料的析水率要远远低于水泥基注浆材料，这表明注浆初期的非水泥基注浆材料的体积稳定性要远高于水泥基注浆材料；随着注浆时间的不断增长，非水泥基注浆材料的析水率快速增大，而水泥基注浆材料的析水率增长较慢，但非水泥基注浆材料的析水率始终低于水泥基注浆材料，这表明相较于水泥基注浆材料，非水泥基注浆材料的稳定性始终要更高一些。分析认为，非水泥基水下抗分散注浆材料是以糯米灰浆为基体材料组分，且在注浆材料制备过程中，添加了石粉、钙华砂以及石膏等材料。其中，钙华砂填充在浆体内时，能够有效减少析水通道，降低注浆材料中水析出的通道数量；而石粉、石膏等成分则能够为浆液的水化反应提供场所，进而填充孔隙。因此，非水泥基注浆材料的析水率始终低于水泥基注浆材料，其体积稳定性也要更高。

3.2 流动性能

基于室内流动性试验，得到不同养护时间下水泥基和非水泥基水下抗分散注浆材料的流动度变化关系，见表2。由表2可知，随着试验时间的不断增长，两种注浆材料的流动度均呈现出逐渐减小的变化趋势。流动时间为10 min时，水泥基注浆材料和非水泥基注浆材料的流动度分别为18.32和27.14 cm；当流动时间为60 min时，二者的流动度分别为12.65和16.77 cm。进一步对比分析水泥基注浆材料和非水泥基注浆材料的区别发现，非水泥基注浆材料的流动度始终大于水泥基注浆材料，这表明在注浆加固过程中，非水泥基注浆材料能够更快、更有效地对基础裂隙进行填充，能够加快注浆修复进程。

表2 水泥基/非水泥基注浆材料流动度对比

3.3 力学性能

由于注浆材料的特殊功能需求，注浆加固工程需要硬化后的注浆材料具有凝结快、强度高等特性，因此不同养护时间下注浆材料的抗压强度是决定其封堵效果的重要因素。图3为不同养护时间条件下，水泥基注浆材料和非水泥基注浆材料的抗压强度随养护龄期变化关系曲线。由图3可知，对于水泥基注浆材料和非水泥基注浆材料，其抗压强度均随着养护龄期的增长而不断增大。此外，两种注浆材料的抗压强度均在养护龄期为7 d时趋近于最大值，养护龄期为28 d的注浆材料抗压强度较7 d条件下增长很小。进一步观察可以发现，非水泥基注浆材料的抗压强度始终高于水泥基注浆材料。以养护28 d试样为例，水泥基注浆材料的抗压强度为6.02 MPa，而非水泥基注浆材料的抗压强度为17.33 MPa，是水泥基注浆材料的2.88倍，这表明非水泥基注浆材料具备更好的承载能力。由图3还可知，当养护时间为1 d时，非水泥基注浆材料的抗压强度为10.24 MPa，水泥基注浆材料的抗压强度为3.25 MPa，仅为非水泥基注浆材料的31.15%。由此可见，非水泥基注浆材料的凝结速度更快，能在短时间内达到较高的抗压强度。综上所述，非水泥基注浆材料凝结速度快、抗压强度高，具备更好的注浆封堵性能。