新型注浆材料力学特性及微观特征试验研究

程 桦,曹如康,刘向阳

(1.安徽理工大学土木建筑学院, 安徽 淮南 232001; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院,安徽 合肥 230009)

近年来，地下工程建设事业快速发展，注浆技术在地层灾害预防与治理工程中得到广泛应用[1]。随着深井矿山采掘不断加深，高地压、富含水、孔隙性岩层注浆可注性差等问题不断凸显，亟需对黏度适中、胶凝速度快溶液型化学注浆材料进行研究，以满足不同水文与工程条件下深部富水地下工程对注浆效果的要求[2-3]。

水玻璃-聚氨酯(S-P)作为一种新型化学注浆材料[4]，具有可泵性、抗渗性及力学性能好等特点，诸多学者对该类材料的制备与性能开展了大量研究。文献[5]对聚氨酯注浆材料进行改性，进一步改善了S-P注浆材料的耐水性、力学性能等；文献[6]制备了水玻璃-纳米二氧化硅复合聚氨酯注浆材料，并考察了多种因素对S-P材料凝胶时间、压缩强度等性能的影响；文献[7]以多苯基多亚甲基多异氰酸酯(PIPA)与MDI外加少量降粘剂混匀后与水玻璃混合注浆，发现浆料的黏度低、渗透性好、泵送性优良；文献[8]利用3-氯丙基三甲氧基硅烷(CTS)改性水玻璃-聚氨酯复合材料， 提高复合材料的抗压强度、 抗弯强度、 弯曲模量和断裂韧性。 还有学者研究了催化剂对S-P凝胶速度及力学性能的影响[9-11]；文献[12]通过混合法制得了S-P凝胶， 发现其具有黏度低、 可灌性好、 阻燃性强、 抗压强度高等特点， 适合煤矿等井下矿山使用。 虽然前人对该类新型注浆材料的制备及性能开展了一定研究，但针对其浆液综合性能以及应用于工程实际中的效果有待进一步的研究与分析。

本研究通过制备出S-P浆液固结体与常用的不同比例的水泥-水玻璃(C-S)浆液固结体，基于室内试验结果，对比分析上述两种注浆材料的黏度时变性和不同龄期的固结体强度及其固结体孔隙结构特征。在此基础上，使用S-P浆液应用于注浆工程实例并检测其注浆效果，以期为S-P新型注浆材料的工程应用提供参考依据。

1 试验材料及方法

(1)试验原材料

水泥为淮南八公山P·O·42.5普通硅酸盐水泥，水泥品质符合《通用硅酸盐水泥》(GB175— 2007)标准；水玻璃(Na2O·2.8SiO2)选用工程上常用的水玻璃即硅酸钠的水溶液，模数为2.8，波美度为54°Bé；聚氨酯为多苯酚多亚甲基多异氰酸酯(PAPI)、邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、N.N-二甲基环已胺(催化剂)及乙酸的混合物。

(2)试样制备

新型注浆材料要求浆液黏度适中、胶凝速度快。根据预实验，当水玻璃比例较大时，浆液粘度过高不利于浆液在地层中扩散，当聚氨酯比例较大时，浆液凝结时间过快不利于注浆工程中的实际操作。C-S浆液作为最为常用的传统注浆材料之一，研究其不同比例下的性能并与新型注浆材料对比，能更为直观清晰地分析出S-P注浆材料与传统注浆材料的性能差异。综合上述分析，S-P浆液配比[13]采用1∶1， C-S浆液配比分别采用1∶1、1∶2、1∶3(其中水泥浆液的水灰比为1∶1，上述配比均为质量比)。

(3)浆液黏度试验

采用AR-G2流变仪和WKH-1.3高温旋转黏度计进行浆液黏度测试，数据采集密度设定为10s/次。为避免单次试验差异造成的测试结果误差，每种配比浆液分别做3组测试，并取试验结果中间组进行分析。

(4)浆液固结强度试验

浆液固结体养护龄期设定为1d、3d、7d、14d、28d，每个龄期均采用试样制备中所述4种配比浆液分别制作尺寸为φ50mm×100mm的圆柱形标准试块，为避免单次试验差异每种配比制作3个试样。采用安徽理工大学CSS-YAW3000型电液伺服压力机对养护好的试样进行单轴压缩试验，加载速度取2mm/min。

(5)电镜扫描与核磁共振

采用电子显微镜(FlexSEM1000)对养护28d的各种浆液固结体进行观察，分别放大至500μm、100μm、10μm。采用安徽建筑大学(MesoMR23-060V-Ⅰ)低场核磁共振测试系统对单轴试验压坏后的浆液固结体进行孔隙分布测试。

2 试验结果与分析

2.1 浆液黏度时变特性

S-P及不同比例的C-S浆液黏度-时间曲线如图1所示，可以看出S-P、C-S浆液黏度与时间呈非线性关系[14-16]。对于C-S浆液，水玻璃质量占比越大后期黏度上升越高；S-P浆液和C-S浆液的黏度初期上升幅度均缓慢，虽然后期2种浆液黏度的增长速率都有所加快，但S-P浆液黏度的增长速率明显要快于C-S浆液。

图1 双液浆黏度时间曲线

不同浆液在地层扩散时表现出截然不同的性质，依据工程中不同的注浆材料的流型，一般将其分为牛顿流体、宾汉流体和幂律流体[17-18]，本研究测试的S-P浆液与C-S浆液均可划分为广义宾汉流体，主要是考虑浆液扩散所需的初始剪应力，当流体剪切力小于初始剪切应力时，流体不会发生剪切流动，表现出类似固体的性质，其本构方程为

(1)

式中：τ为浆液的剪切应力，MPa；τ0为屈服剪切应力, MPa；u为浆液塑性黏度,MPa·s；γ为剪切速率，s-1；v为浆液运移速率，m·s-1，y为垂直于运移方向的距离，m。

为建立考虑浆液黏度时变性的注浆模型[19]，采用最小二乘法对本研究测试浆液的黏度时变曲线进行函数拟合，当 C∶S=1∶1时，黏度时变方程为u(t)=0.032+0.0089t2；当C∶S=1∶2时，黏度时变方程为u(t)=0.074+0.019t2；当C∶S=1∶3时，黏度时变方程为u(t)=0.15+0.025t2；当S∶P=1∶1时，黏度时变方程为u(t)=4.2+0.035t2。由上述拟合方程可知，S-P、C-S两种浆液在胶凝前均存在黏度时变性，且黏度增长幅度较大，不能忽略浆液流变性对剪切力的影响。黏度时变函数形式为u(t)=u0+kt2，u0为浆液初始黏度，k为表征浆液的黏度时变参数。

2.2 浆液固结体单轴抗压强度

浆液固结体抗压强度对被注地层加固效果具有重要作用。尤其在抢险类工程中，浆液固结体的早期强度决定着被注地层注浆后能否快速满足改良地层的要求。浆液固结体强度越高，被注地层加固效果越好。图2为S-P与C-S浆液不同养护时间的强度对比。

图2 不同养护时间不同浆液固结体强度

从图2可以看出，同一养护期内，水泥与水玻璃的配比对固结体强度影响十分显著，水玻璃质量比越高，固结体强度越低。随着养护时间的增加，配比为1∶3的C-S浆液固结体强度从0.59MPa逐渐增至0.91MPa，配比为1∶2的强度从0.97MPa逐渐增至1.9MPa，配比为1∶1的强度从1.1MPa逐渐增至5.5MPa，但增长速度均缓慢。而S-P浆液固结体除养护1d时强度略低(约33MPa)，其余养护期固结体强度差别不大(约38MPa)，远高于同一养护期内的C-S浆液固结体强度，说明S-P浆液固结体强度能较快到达稳定值，满足快速加固地层的要求。

2.3 微观特征

图3为浆液固结体扫描电镜实验结果， 从图3(a)中可以看出，S-P浆液固结体的表观结构特征表现为一系列的不规则圆形闭孔胞体，胞体群之间不连通且粘结紧密，无细微裂隙，侧面印证了固结体的高强度性能；从图3(b)～图3(d)中可以看出，C-S浆液固结体的表观结构特征表现为絮状胶结物；当C∶S=1∶1时可以看到有针状的水化产物，浆液的水化反应进行得比较充分；当水玻璃比例达到某一阈值时，水泥与水玻璃因不能完全发生水化反应，纯水玻璃固结块较多，因其干缩性导致C-S浆液固结体产生了大量微裂隙。

(a) S∶P=1∶1

为更好地对比分析各固结体相同养护期的孔隙特征，采用低场核磁共振测试系统对不同养护时间不同浆液固结体孔隙大小及分布比例进行了测试分析，其测试结果如图4所示。

(a) 不同浆液固结体养护1d孔径分布 (b) 不同浆液固结体养护3d孔径分布

从图4可以看出，S-P浆液固结体孔径分布表现为双谱峰型，第一谱峰位于孔径0.02～0.1μm，第二谱峰位于孔径0.1～10μm；C-S浆液固结体养护期为1～14d时孔径分布表现为单谱峰型，孔径主要集中在0.002～0.1μm， 基本呈类正态分布；而养护期为28d时， C∶S为1∶2、1∶3的浆液出现第二谱峰，C∶S=1∶2浆液的第二谱峰位于孔径0.2～1μm，C∶S=1∶3浆液的第二谱峰位于孔径0.2～10μm；分析原因可知，水玻璃过量未能充分反应，因其自身干缩性导致试件产生了较大收缩，从而产生新的微裂隙，出现第二谱峰，这与扫描电镜中观测到的结果相吻合；C-S浆液固结体孔径分布的峰值随养护时间总体呈下降趋势，这是由于浆液虽然固结，但其内部反应仍在继续，反应物不断充填内部孔隙。

3 工程实例

依托顾桥矿东区-1 000m车场大巷道底板破碎及底鼓流变灾害的注浆治理工程，针对初期支护后存在的问题，对东进风井以东100～120m的车场巷道实施二次注浆加固措施。为消除底鼓流变持续增长和底板裂隙水以微渗情况浸润砂质泥岩的现象，以及为锚固支护提供可靠的着力基础，注浆优先选取S-P浆液。

3.1 注浆方案

注浆孔采用地锚钻机打孔，注浆孔径约40～50mm，选取钢制注浆管封孔。巷道试验区长20m，根据模拟结果设计注浆排距为3m，共需注5个孔，注浆加固区及注浆顺序如图5所示。经现场压水试验并结合围岩变形模拟结果，确定注浆终压为3～5MPa，注浆初期前5～10min采用注浆速率为30L/min；之后40min采用注浆速率为15L/min，以此推算出单孔注浆量约为1m3，总注浆量为5m3；当注浆量达到设计注浆量或降低注浆速率后注浆压力再次达到注浆终压时，维持约5min后停止注浆。

图5 注浆加固区及注浆顺序

3.2 注浆结果与分析

1～5号注浆孔的注浆量分别为1.04m3、 0.94m3、0.87m3、0.52m3、1.48m3，注浆过程中， 注浆压力上升至峰值后， 呈上下波动，说明注浆区域内存在大量的裂隙或孔洞，浆液不断地充填灌入裂隙或孔洞。 针对千米深井的深部注浆问题， 利用震电磁三场耦合高精度检测技术对注浆孔进行立体探测。

图6分别为探测区域平面图及化学浆注浆前后瞬变电磁法和震电磁三场探测结果。对比勘探结果发现，注浆前在巷道径向5m、深5m的位置存在一个异常体，瞬变电磁法表现为高阻，震电磁三场探测表现为低阻。可以推测这个位置，大裂隙发育或存在较大的孔隙，下部充满矿化度较高的水，上部存在含空气的裂隙。对比瞬变电磁法注浆前后的结果，发现在巷道径向5～15m范围内，底板下5m位置电阻率增大，可以说明在此位置注入的新型浆液充填效果好，引起电阻率的增大；同时，震电磁三场探测结果亦表明在巷道径向5m、15m位置向下方的大量裂隙及空洞被浆液填充。说明深部岩层流变性浆液劈裂注浆控制技术对岩体微隙空间可有效充填。

(a) 探测区域平面

4 结论与展望

(1)通过对S-P及C-S浆液的黏度时变性试验的分析，两种浆液黏度与时间均呈非线性关系。S-P浆液黏度前期低且增长幅度较缓，具有良好的可泵性，注浆后期又能快速胶凝。S-P浆液固结体强度远高于C-S浆液固结体，前者能更好地满足地层原位改性要求。

(2)通过对S-P及C-S浆液固结体强度及微观特性进行的对比分析，可以看出不同养护期的S-P浆液固结体孔径分布基本一致，这说明浆液凝胶反应较早，内部孔隙结构稳定，且可以调节催化剂的配比来决定S-P浆液的固结时间，本研究可为类似应急抢险工程提供优选注浆材料和材料基础参数。但本研究未详细考虑此因素，其配比参数需在今后的研究中进一步分析或根据工程实际要求及预实验来确定。

(3)以顾桥矿东区-1 000m 车场巷道软岩底鼓注浆治理为工程背景，选用水玻璃-聚氨酯注浆材料, 采用瞬变电磁法及震电磁三场法检验注浆效果,结果可以看出注浆扩散半径达到设计要求，浆液对岩体微隙空间可有效充填，说明水玻璃-聚氨酯注浆材料的渗透性、封水性及强度均优于常规水泥浆液。但本研究中的工程实际注浆后并未进行开挖并观察及研究岩体的性能，今后可进行地面破碎岩体的预注浆试验，对破碎岩体的注浆固结体进行强度及渗透性等性能研究。