基于粉煤灰掺量的采空区注浆材料配比试验研究*

胡恒洋，宋大各，胡卸文

(1.西南交通大学 峨眉校区土木工程系，四川眉山614202;2.西南交通大学地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031)

1 概述

随着我国高速公路、铁路的大量修建，不可避免地会遇到大型岩溶洞穴或早期形成的大型采空区。由于岩溶或采空区顶板塌陷或沉降，对路基稳定性构成严重威胁。以往对此类空洞多采用充填块碎石+注浆或端承桩跨越等方法予以治理，但这些措施都是在洞穴规模较小或空间厚度有限的条件下才有效。就大型洞穴而言，采用在粉煤灰中掺入一定比例的水泥进行注浆是目前常采用的技术方法。粉煤灰主要成分为硅铝酸盐，其颗粒较粗，粒间粘接薄弱、松散，不能直接用于注浆。常用的方法是掺入一定比例的水泥，以控制浆液凝结的抗压强度和流动度。此外，为了控制浆液的凝结时间，还会加入少量的速凝剂，如水玻璃等。

不同比例的粉煤灰、水泥、速凝剂和水掺合后所形成的浆液的抗压强度、流动度、凝结时间等影响注浆施工的性能会相应不同。笔者对山东某专用铁路大型采空区注浆采用的粉煤灰进行了室内不同配比下浆液的注浆性能试验研究，以求取得最佳配合比，用以指导施工。

2 试验设计

试验所用原料主要包括水泥、粉煤灰、水和水玻璃。其中水泥为32.5普通硅酸盐水泥，粉煤灰为施工地生产的国家标准二级粉煤灰，速凝剂采用一般市售水玻璃，其成分见表1。利用上述原材料以不同比例的配比进行试验，具体包括混合浆液的流动度、凝结时间、抗压强度等，分别考虑7、21、28 d 及部分试样120 d 龄期的物理力学性质试验。

目前，对于粉煤灰的室内试验尚无相应的专门规范，故参考其他建筑材料的试验规范进行，试验内容见表2。

表1 水玻璃基本参数表

表2 试验设计内容表

3 试验结果

3.1 抗压强度试验

试样成型采用70.7 mm×70.7 mm×70.7mm 试模，浇铸3～4 d 后脱模，试件拆模后放入温度为(20±2)℃、相对湿度为90%以上的标准养护室中养护。

以水泥∶粉煤灰=2∶8为例，二级粉煤灰在四种水灰比下不同龄期的无侧限抗压强度结果见图1。从试验结果可以看出:

(1)不同配合比浆液体的抗压强度随龄期增长而增加。

(2)水灰比越大，试样抗压强度越小。

(3)水泥的掺入比例越大，试样的抗压强度相应增大。

(4)水玻璃的掺入量对抗压强度的影响与不同材料配比有关。多数情况下，水玻璃加入可以提高试样的抗压强度，但个别配比情况下，水玻璃的加入会导致强度的降低。

图1 二级粉煤灰不同配合比、不同龄期注浆材料抗压强度试验结果示意图

3.2 流动度试验

浆液体流动度试验是将拌好的浆液迅速注入截锥圆模内，用刮刀刮平，将截锥圆模按垂直方向提起，同时开启秒表计时，至30 s 时用直尺量取流淌浆液互相垂直的两个方向的最大直径，取平均值作为浆液初始流动度。

以水泥∶粉煤灰=1∶9及2∶8为例(图2)。从图2中可见:

(1)随着水掺入量的增加，浆液的流动度随之增大。

图2 不同水灰比及水玻璃掺入量下流动度分布曲线图(水泥∶粉煤灰左为1∶9，右为2∶8)

(2)水玻璃对不同配比浆液流动度影响效果各异，多数情况下，水玻璃的加入会降低浆液的流动度。

(3)当水泥∶粉煤灰比例为2∶8和3∶7时，随着水灰比的提高，流动度不断增大的变化规律不变;但是，当水灰比相同时，随着水玻璃掺入量的增加，浆液流动度逐渐减小。当水玻璃使用量为5%时，浆液的流动度最低。

3.3 凝结时间试验

根据国标规定，凝结时间采用标准法维卡仪测定。从水泥全部加入水中起，至试针沉入标准稠度净浆中距底板之间的距离为4 mm±1 mm 时所经历的时间为初凝时间;从水泥全部加入水中起，至试针沉入净浆试体0.5 mm 时所经历的时间为终凝时间。

图3 水泥∶粉煤灰为2∶8时浆液的初凝和终凝时间分布曲线图(左为初凝时间;右为终凝时间)

以水泥∶粉煤灰=2∶8为例(图3)，可见:

(1)水玻璃的加入可以明显缩短浆液的凝结时间。当水玻璃为5%时的凝结时间最短。

(2)一般情况下，水掺入量的增加会使浆液的凝结时间变长。

(3)随着水泥掺入量的增加，浆液的凝结时间随之变短。

4 结语

(1)大掺量粉煤灰注浆材料多数配比在21 d龄期以后，抗压强度均大于1.5 MPa，均能满足工程要求。

(2)在各种配比方案中，当水玻璃使用量为5%时，各试样的抗压强度均表现为最大。在多数配比方案中，当水玻璃使用量为1%或不使用水玻璃时，试样的抗压强度最小。

(3)水灰比对浆液的流动度影响最大。水灰比过大，会使浆液的流动度过大，且不易控制。建议使用0.6∶1～0.8∶1的水灰比，配合水玻璃进行控制。

(4)采空区注浆施工的工程经验是初凝时间不小于12 h，终凝时间不大于36 h［1］。本次试验中，随着水玻璃量的增加，凝结时间显著降低。在不同水玻璃使用量下，各种固颗比的多数试样初凝时间能满足不小于12 h 的要求，但终凝时间普遍较长，不能满足不大于36 h 的要求。建议使用2∶8和3∶7的固颗比，同时配合不同水玻璃的使用以控制凝结时间。

(5)抗压强度、流动度和凝结时间均能满足且强度最高的相对最佳配比应该为:二级粉煤灰的固颗比为2∶8、水灰比为0.7∶1、水玻璃掺入量为3%。

［1］童立元，刘松玉.大掺量粉煤灰注浆充填材料试验研究［J］.东南大学学报(自然科学版)，2002，32(4):643-647.

［2］王福元，吴正严.粉煤灰利用手册［M］.北京:中国电力出版社，2004.

［3］杨锡武.粉煤灰水化过程模型的研究［J］.中国公路学报，1994，7(1):61-66.