高渗透性注浆材料渗透能力对比试验分析

刘军友 王志奇

〔摘 要〕为探究不同高渗透性注浆材料渗透能力的大小，以超细水泥、脲醛树脂、硅溶胶3种材料为研究对象，设计了室内无压河砂介质及有压黏土介质注浆试验，根据注浆后两种介质中的固结体几何形状及裂隙发育程度，分析3种材料的孔内渗透能力强弱及扩散机制。结果表明，3种材料中，硅溶胶孔内渗透能力最强，脲醛树脂次之，超细水泥最小，且随着介质渗透性降低，其扩散方式由孔内渗流向劈裂裂隙管道流转变，浆液渗透能力越弱，这一过程转变的越快。

〔关键词〕帷幕灌浆；超细水泥；硅溶胶；脲醛树脂；浆液渗透性

中图分类号：TD743      文献标志码：B  文章编号：1004-4345（2024）01-0006-03

Comparative Experimental Analysis of Permeability of Highly Permeable Grouting Materials

LIU Junyou1，2 ， WANG Zhiqi1，2

（1. North China Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.， Shijiazhuang， Hebei 050031， China;

2. Technology Innovation Center for Groundwater Disaster Prevention and Control Engineering for Metal Mines， Ministry of Natural Resources， Shijiazhuang， Hebei 050031， China）

Abstract  In order to investigate the permeability of different highly permeable grouting materials， three materials， namely ultra-fine cement， urea formaldehyde resin， and silica sol， were taken as the research objects. Indoor grouting tests were designed for non-pressurized river sand media and pressurized clay media. Based on the geometric shape of the consolidated body and the degree of fracture development in the two media after grouting， the strength of the intra-pore permeability and diffusion mechanism of the three materials were analyzed. The results showed that， among the three materials， silica sol had the strongest intra-pore permeability， followed by urea formaldehyde resin， and ultra-fine cement had the weakest permeability. As the permeability of the medium decreased， its diffusion mode changed from intra-pore seepage to fracture pipeline flow， and the weaker the permeability of the slurry， the faster this process changed.

Keywords  curtain grouting; ultra-fine cement; silica sol; urea formaldehyde resin; slurry permeability

尾矿库不仅是矿山重要的生产设施之一，还是环境保护、安全防护和水土保持的重要设施。我国早期建设的一些尾矿库防渗标准不高、技术落后、工程质量差，加上长期以来管理不善，致使不少尾矿库发生渗漏，对周围生态环境产生危害，因此需要对其进行治理。

1   尾矿库防渗治理现状

目前，对尾矿库浅部的渗漏治理手段較多，且治理后可以达到防渗标准。对于深部基岩，受上部覆盖层及基岩开挖难度的限制，只能采用帷幕注浆技术进行防渗施工[1]。传统注浆一般采用普通水泥作为注浆材料，对一些较大裂隙可以起到封堵作用，但对于基岩中一些微小的裂隙，封堵效果不佳。这是由于水泥浆注入时会产生渗滤效应，导致水泥颗粒在裂隙通道入口堆积，并最终堵塞裂隙通道[2]，从而无法对裂隙内部通道进行封堵。要使浆液能够进入到这些微小的裂隙中，需要采用流动性更好、渗透能力更强的注浆材料，才能使注浆效果满足防渗标准。

对于渗透性较低的地层，注浆材料主要使用的是具有高渗透性的化学浆[3-4]和超细水泥[5]。化学浆本身具有较强的流动性，可以注入地层中的细微裂缝；超细水泥颗粒较细，其浆液也可以注入微小裂隙。但目前对这两种材料的渗透能力强弱尚未完全掌握。为探究不同高渗透性注浆材料在介质中的渗透能力，本文拟以超细水泥、硅溶胶及脲醛树脂3种高渗透性注浆材料为研究对象，通过室内注浆试验，对比分析3种注浆材料在相同渗透介质中的渗透能力，为在尾矿库深部的基岩微小裂隙中实施注浆工程提供参考。

1   试验过程

1.1  材料选择

本次试验选用注浆工程中常用的超细水泥、硅溶胶、脲醛树脂3种高渗透性注浆材料作为研究对象，分别选用河砂和黏土作为待渗透介质。3种注浆材料各自的性能特点如下。

1）超细水泥。超细水泥是一种高性能超微粒水泥基灌浆材料。其浆液稳定性好，流动性相比普通水泥有显著改善，具有良好的防渗固结效果。其渗透能力是普通水泥的12倍，接近于真溶性化学浆液；其结石强度大大高于化学浆材的强度；且该材料无污染，不老化，有慢慢代替化学浆液的趋势。本次选用的超细水泥规格为1 250目，最大粒径约为10 μm。

2）硅溶胶。硅溶胶是一种纳米级无机材料，其通过将纳米级SiO2颗粒分散在水中或溶剂，制成一种化学性质稳定、粒度分布均匀、无臭、无毒的胶体。该材料对环境友好，黏度低至近似水，这使其在微小的孔隙或裂隙中也能轻易渗透。本次试验采用硅溶胶双液注浆材料，双液未混合前性质稳定，双液混合后发生化学反应生成硅溶胶固体。

3）脲醛树脂。脲醛树脂注浆材料是尿素和甲醛在碱性或酸性催化剂的作用下，经加成、缩聚反应生成的初期高分子聚合物。其黏度较低，流动性较好，可渗透到约0.1 mm左右的微裂隙中，通过调节添加剂比例可以调节胶凝时间。

1.2  浆液制备

由于超细水泥水灰比≥1.6∶1时，浆液不稳定[6]，因此从实际注浆情况考虑，本次试验中超细水泥采用1∶1的水灰比制浆。为增加其流动性，添加1.5%的减水剂[9]，使用高速搅拌机将其充分分散，保证浆液均匀。脲醛树脂注浆材料，以脲醛树脂作为主液，通过添加1#、2#添加剂控制其韧性强度及凝结时间。经室内配比试验，确定本次试验中脲醛树脂主液与1#、2#添加剂的比例为1∶0.04∶0.005。硅溶胶根据其使用说明，按双液比例1∶1进行浆液配置。3种注浆材料配比、固水时间及其浆液黏度见表1。

1.3  河砂介质注浆试验

选取经过筛分后的河砂备用，在直径25 cm的小桶中装入备用河砂，每铺一定厚度进行锤击压密，对其饱水后取样，通过室内变水头渗透试验测得其渗透系数在10-2 cm/s左右，为中渗透介质。在不同小桶中用？覬12 mm麻花钻头进行钻孔，分别浇筑水灰比为1∶1的超细水泥浆液（其中w减水剂＝1.5%）、脲醛树脂浆液（1∶0.04∶0.005）、硅溶胶浆液（1∶1），直至浆液面保持不下降达到一定时间为止。注浆完成后，将硅溶胶和脲醛树脂固结、析水3 d，超细水泥固结、析水7 d。析水结束后，清除未固结砂体，观察不同注浆材料在河砂中的扩散范围、渗透路径及浆液与河砂固结体的几何形状及大小。

1.4  黏土介质注浆试验

采用黏聚力稍高的黏土作为待注介质，使用如图1所示的注浆模拟试验装置进行浆液渗透试验。试验装置顶部均匀分布若干孔洞用来模拟钻孔，通过将输浆管与不同位置钻孔连接，可以实现在不同位置进行注浆，其余钻孔不用时可进行封堵。装置侧缘设置有排水管，在固结析水过程中可以将内部水排出。

试验开展前对黏土进行处理，去除杂质，将黏土捣碎筛分，保证黏土颗粒均匀。将处理好的黏土分次平铺到试验装置仓内，每铺一定厚度进行压密捣实。黏土布置完成后，将其饱水后再固结排水7 d，增加其密实度。对试验装置仓内经过处理的黏土取样，进行室内变水头渗透试验，测得其渗透系数在10-5 cm/s左右，为低渗透介质。

在进行往饱和黏土中无压注浆时，只有硅溶胶浆液可以渗入，脲醛树脂与超细水泥浆液到达钻孔口后始终不下降，表明后两种材料在无压状态下无法注入饱和黏土介质。因此，本次黏土介质采用的是有压注浆方式，注浆压力控制在0.2 MPa左右。注浆结束后，打开排水阀，将模型固结、析水一定时间，其中硅溶胶和脲醛树脂固结、析水3 d，超细水泥固结、析水7 d。完成固结析水后，观察浆液在黏土介质中的凝结状态、扩散形式、固结体形状。

2   试验结果及分析

采用河砂介质的注浆试验结果如图2所示。图中从左到右分别为超细水泥河砂固结体、脲醛树脂河砂固结体、硅溶胶河砂固结体，三者浆液固结体扩散直径分别为１５ mm、１８ mm、＞200 mm。

由图2可知，3种注浆材料在无压状态下均可以在河砂介质中扩散，且固结体内并没有发现裂隙。这表明3种材料浆液在河砂中的扩散形式均为孔内渗流扩散。浆液与河砂固结体均呈圆柱状，表现为垂向扩散深度大于横向扩散宽度，这是由于浆液密度大于水的密度，在重力作用下浆液的垂向扩散速度大于横向扩散速度。3种浆液河砂固结体中，硅溶胶河砂固结体扩散直径远大于另外两种材料与河砂的固结体，脲醛树脂的扩散直徑次之，大于超细水泥的扩散直径15 mm，这表明在中渗透性河砂介质中，硅溶胶浆液的渗透扩散能力最强，远大于超细水泥和脲醛树脂浆液，其次为脲醛树脂，超细水泥的扩散能力最小。

在黏土介质注浆模拟试验中，硅溶胶、脲醛树脂、超细水泥浆液在黏土中的渗透扩散情况如图3所示。其中，线条圈起位置为裂隙的分布范围。可以看出，3种注浆材料均可在低渗透性的黏土介质中扩散，其扩散结果包括浆液在孔隙中渗流与黏土结合形成固结体和填充在裂隙中的“岩脉”状浆液凝固体的两种形式。黏土介质中裂隙的出现说明3种材料浆液的孔内渗透扩散受阻，部分浆液压力作用于黏土固体颗粒，使之产生位移，进而产生裂隙。黏土中的裂隙宽度、扩展长度及裂隙内浆液凝固体体积大小为超细水泥最大，脲醛树脂次之，硅溶胶最小，其裂隙宽度（取最宽处）分别为5 mm、2 mm、0.5 mm。注浆试验结果显示，浆液与黏土的固结体沿着裂隙两侧分布，其中硅溶胶浆液黏土固结体可以剥离出明显的不规则几何体，脲醛树脂和超细水泥由于其固结体体积较小，未能剥离出完整的几何体，所以无法比较两者在黏土介质中渗透扩散能力的大小。

为比较3种材料浆液在黏土介质中的孔内渗透能力强弱，以浆液在介质中遇到的阻力进行分析。当注浆压力较大，仅靠土体渗透无法使其消散时，过高的浆液压力将作用于介质使其产生劈裂通道[10]，即本次试验中的裂隙。注浆产生的裂隙越发育，说明用于促使土体变形的浆液压力越大[11]。因为3种材料浆液在注浆试验中黏土介质及注浆压力相同，所以裂隙越发育，通过孔内渗流抵消的浆液压力越小，即浆液孔内渗流能力越弱。根据试验结果，超细水泥在黏土介质中注浆后的裂隙最为发育，脲醛树脂次之，硅溶胶最不发育，结合前述分析，得出在黏土介质注浆试验中，硅溶胶孔内渗透扩散能力最大，脲醛树脂次之，超细水泥最差。

對比河砂介质注浆试验和黏土介质注浆试验发现，3种材料浆液在中渗透性河砂介质中的扩散机制为孔内渗透扩散，而在低渗透性黏土介质中的扩散方式为裂隙管道流和孔内渗流扩散。这表明，随着介质渗透性的降低，浆液压力相对于孔内渗透作用所需的渗流力过大，此时多出的浆液压力将对土体产生劈裂作用，形成裂隙通道，扩散形式逐渐向裂隙管道流形式转变，且浆液的渗透能力越弱，这一过程转化得越快。

3   结论

通过对硅溶胶、脲醛树脂、超细水泥3种高渗透性注浆材料分别在河砂介质和黏土介质中的注浆试验，得到如下结论：

1）采用河砂和黏土分别模拟中渗透性和低渗透性待注介质，用超细水泥、硅溶胶、脲醛树脂3种注浆材料进行了室内注浆试验。试验结果表明，在中渗透性河砂介质中，硅溶胶的渗透扩散能力最大且远大于另外两种材料，其次为脲醛树脂，最后为超细水泥。在低渗透性黏土介质中，渗透扩散能力最大为硅溶胶，其次为脲醛树脂，最后为超细水泥。由此得出，在渗透介质相同时，硅溶胶渗透扩散能力最大，脲醛树脂次之，超细水泥最小。

2）在中渗透性河砂介质中，3种浆液的扩散形式均为孔内渗流扩散，在重力作用下，其垂向扩散速度大于横向扩散速度。在低渗透性黏土介质中，浆液扩散形式为孔内渗流与劈裂裂隙管道流共存。这表明随着介质渗透性的降低，扩散形式由孔内渗流逐渐向裂隙管道流扩散形式转变，且浆液的渗透能力越弱，这一过程转变的越快。

3）在低渗透性黏土介质中，3种材料浆液都可以通过劈裂作用产生裂隙通道来增加浆液的扩散范围，但对于强度较大的低渗透性基岩介质，此种作用对于浆液扩散程度的贡献作用还有待研究。

参考文献

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[11] 张杰.黄土劈裂注浆过程数值模拟研究[J].价值工程，2022，41（16）：89-92.

收稿日期：2023-06-12

作者简介：刘军友（1994—），男，主要从事水工环地质方面的工作。