珊瑚砂层注浆的固化技术研究

房靖超，陈 涛，何岩东，汪峻峰

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口570228)



珊瑚砂层注浆的固化技术研究

房靖超，陈 涛，何岩东，汪峻峰

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口570228)

为了解决珊瑚岛礁出现的空缝、凹陷等问题,本研究利用注浆设备将带有一定压力的特种注浆材料注入珊瑚砂层中，并将珊瑚砂作为骨料，制成砂浆胶凝材料，同时根据固化珊瑚砂层的技术要求，研制了一种新型的注浆装置，并在实验条件下，对该装置旋转以及加压注浆的工艺进行了模拟试验，试验表明其最佳操作条件为：在转杆注浆孔尺寸为φ5，固定转杆抬升速度为0.03 m·s-1，转速为60 r·min-1时，注浆后能够起到更好的固化珊瑚砂的作用.实验室自主设计的室内模拟注浆设备具有1.0 MPa的加压注浆能力，它可以通过浆体挤压及螺旋钻头破碎珊瑚砂层的作用，使珊瑚砂达到较好的固化效果.

珊瑚砂； 注浆工艺； 岛礁工程； 珊瑚砂固化

我国南海诸岛的地质结构主体是珊瑚群体死后由其骨骼或遗骸所构成的岩体[1-5]，在远离大陆的珊瑚礁石上为了能利用珊瑚碎屑物，人们常利用吹砂船将其进行吹砂造岛，这样就逐渐形成以珊瑚碎屑物为主要填充材料的人工岛屿.然而在海洋水动力影响下，人工岛的珊瑚砂流失速度较快[6].因此为了延长人造珊瑚砂岛礁的使用时间，维持珊瑚砂工程的稳定，研究和克服该问题具有重要的实际工程意义.天津港口曾引进CDM[7]技术对软弱土体进行加固，这项技术是通过对土体进行扰动、搅拌和冲切来固化软弱土体，同时通过钻孔向土层中加压注入一定水灰比的浆液，通过渗透、充填、压密扩展以形成浆脉.这类技术的共同点在于该技术使钻孔周围的土体被挤压充填，致使紧靠浆体的土体遭受破坏和剪切[8-9]，待水泥浆体凝结后而达到固化地基的目的.

鉴此，对我国海南的珊瑚砂技术参数进行了分析，研究了用其配制的水泥砂浆的物理力学性能，在实验室自主设计和制作了机械旋转以及加压注浆的设备，并研制出符合相应技术要求的水泥基注浆材料.

1 试验原材料与方法

1.1 原材料及设备 珊瑚砂材料来自海南省的某两个岛屿，对比组选用实验室普通河砂和海口市西海岸的普通海砂，胶凝材料选用海南大学海洋工程材料研究中心配制的海工水泥POP 52.5(表1和表2).

试验砂浆注浆所用的设备为广州英利机械设备有限公司生产的YL-PJ03砂浆注浆机技术参数见表3：

自主研制的机械旋转以及加压注浆设备，如图1所示：

自主研制的机械旋转以及加压注浆设备通过变速电机及配合的皮带齿轮来带动注浆设备主体旋转螺杆，从而使螺杆带有一定的钻速，再配合制作好的小型螺纹钻头，可旋转钻入砂体；此外，它可通过翻转开关进行反转，并经二气联动阀门调整后，通过空气加压进行注浆.

1.2 水泥胶凝材料样品的制备 本试验利用珊瑚砂作为骨料来配制40 mm×40 mm×160 mm的砂浆试件，海工水泥和珊瑚砂的配比按1 ∶1，1 ∶2，1 ∶3，1 ∶4，1 ∶5，1 ∶6和1 ∶7来进行配制.

表1 海工水泥POP52.5水泥的化学成分表

表2 POP52.5水泥的物理性能指标

表3 设备基础性能

1．注浆孔 2.钻头 3.钻杆 4.变速电机 5.砂浆管接头图1 设备2

1.3 性能检测 材料物理性能、颗粒分析、含泥量测定：按照《GB/T 14684—2011建设用砂标准》[10]测定；

力学强度：参照《GB/17671—1990》[11]；

试验方法进行测定，砂的常水渗透实验根据《GB/T50123—1999土工试验》[12]进行测定.

稠度试验：参照《GB/T2419—2005水泥胶砂流动度测定方法》[13]对砂浆进行稠度试验；对比组均用普通砂制作.

两种不同设备的注浆效果对比：试验效果对比主要以设备在砂中挤出的距离(直径)、注浆曲线图与效果进行对比.

表4 珊瑚砂、海砂及河砂的性能对比

2 试验结果与分析

2.1 珊瑚砂的理化性能 按照《GB/T 14684—2011建设用砂标准》中的规定对两个不同地点的珊瑚砂与普通河砂进行对比分析，并进行重复试验，重复次数为8次，结果如表4所示.试验结果显示，珊瑚砂相较于河砂、和海砂拥有更高的吸水性能和保水性能，珊瑚砂中的氯离子含量也高于近海岸海砂中的氯离子含量.同时珊瑚砂相对于普通河砂和海砂具有更优质的透水性能.宏观来说珊瑚砂作为海砂中的一种，它既具有与普通砂质土的特征，同时又具有较高的空隙率.珊瑚砂作为一种特殊的海砂，其骨料强度相对于普通河砂来说会有所降低，其松散堆积密度在1157.4～1284.3 kg·m-3之间，空隙率为：51.9%、57.0%，这也说明珊瑚砂具有很高的透水性能和吸水性能，因此在制作胶凝材料时，需要提前对珊瑚砂进行饱水处理.

由表5中可以看出，普通河砂与海砂在大于或等于9.5 mm孔径的筛网上没有筛余，而在珊瑚砂中其组分中拥有大于或等于9.5 mm粒径的砂石较多，其中大部分是珊瑚或贝壳类，在自然取样中最大粒径超过100 mm，其中超过部分与建筑用砂《GB/T 14684—2011》标准不相符，因此，本试验剔除该部分大粒径珊瑚颗粒部分，结果见表5.

表5 珊瑚砂颗粒筛分 %

表6 珊瑚砂含泥量 %

珊瑚砂的含泥量属于建筑用砂的第三级含泥量(≤5%)，通过图2与下表6可知，珊瑚砂与实验室普通砂相比其小于0.15 mm的珊瑚细颗粒较多，通过累积筛余百分比细度模数计算公式得出，珊瑚砂是细度为0.8～1.0的细砂.由表5可知，珊瑚礁砂偏细，由于筛底部分的细小颗粒多，增加了部分比表面积，从而增加了珊瑚砂混凝土试块的用水量，另外，成型过程中由于珊瑚砂的孔隙较多，会出现直径较小和数量较多的气泡，上述指标在一定程度上会影响珊瑚砂混凝土的物理性能，因为细颗粒若过多也会影响注浆效果.

参照《GB17671—1999水泥胶砂强度检验方法》制作 40 mm×40 mm×160 mm的试块，由于珊瑚砂材料在南海中普遍存在，故试验所采用的原材料为珊瑚砂A.测试结果如表7所示，在海工水泥与珊瑚砂和普通砂的配比为1 ∶1、1 ∶2时，珊瑚砂与普通砂相比，具有相近的物理力学特性，但随着配比中珊瑚砂的掺量增加，其抗压强度则迅速降低，在海工水泥和珊瑚砂与普通砂的配比为1 ∶3时，其抗压强度下降速度较快，配比为1 ∶6时强度消失，该珊瑚砂与普通砂在1天没有强度.表7中的结果显示，珊瑚砂混凝土可以满足中等强度等级砂浆设计强度要求.与普通河砂组分不同，珊瑚砂材料的本身硬度要低于普通砂.

水泥基砂浆强度如表7：

表7 砂浆强度发展

配制好的改性水泥基注浆材料FJ与普通水泥净浆PJ相比具有更好的流动性、同时在加水量升高时，不易产生分层，这样有利于注浆材料在注入过程中不会因为被注浆砂层的含水量过大，而导致注浆材料吸水过多，从而造成成型时强度降低.

水泥基注浆材料的流动性能如表8：

表8 流动性能单位 cm

在制作水泥胶砂试块时，由于所加入的珊瑚砂A和普通砂的比例在不断提高，因而加水量会不断提高.因为珊瑚砂本身具有多孔吸水的特性，从而造成在制作珊瑚砂胶凝材料时需水量会增加(表9).在灰砂比为1 ∶1或1 ∶2时，其基本物理抗压性能主要由水泥基注浆材料承担；在介于1 ∶3～1 ∶5时则由骨料与水泥基注浆材料共同承担；大于1 ∶5时主要借助胶凝材料的粘结力进行固定(表9).

表9 珊瑚砂砂浆与普通砂配制的砂浆需水量 g

2.2 注浆实验 通过砂的常水渗透试验(参照《GB/T50123—1999土工试验》)进行测定，可以得出砂的渗透系数，未经过人工处理的珊瑚砂、普通河砂和经过筛除大于4.75 mm颗粒后的珊瑚砂的透水性能结果，如图3所示.

由图3可知，未经过人工处理的珊瑚砂比普通河砂和经过细处理后的珊瑚砂具有更高的透水性能，珊瑚砂经过洋流作用，在高透水性和疏散的结构特性下，在人造岛礁坝体混凝土压块的周围容易产生砂流失.因此在这个过程中对危险点进行加固处理，补充空隙，具有可操作性.

本次试验对比组所采用的设备为YL-PJ03型设备，注浆结果如图3所示，这可以在变化趋势图中发现，在灌注过程中容易出现压力不足和上涌的情况，并且在注浆中期也无法保证良好的压力过渡和送浆过程；此外，在注浆过程中没有完全发挥注浆压力的作用，而是沿着薄弱砂层向上涌，这样注浆容易导致注浆不均匀的情况(图4-a).形成3.5 cm凹陷的原因是初始水泥浆在出浆的过程中管端头的压力突然沿管壁上涌所致.

4-a 4-b

对实验室制作的注浆设备的试验 将浆料压入预定钢瓶中，通过空气加压阀控制输送气压，给予压力瓶预定的压力，为减小材料压力损失，所采用的钢瓶尺寸为φ120，高度为50 cm，气压输送管长1.1 m，为方便浆料输送，料管长1.4 m.抬升采用小型轮圈φ 50进行手摇操作，平均上升速度以0.03 m·s-1作为固定转杆抬升.旋转控制是采用调速器来进行调整，最高转速为120 r·min-1，在试验中调整最佳转速为60 r·min-1，注浆孔尺寸为φ5，水泥浆料是均匀地渗入孔隙内.它将原有松散的珊瑚砂颗粒固结起来.操作步骤通过钻孔到达预定深度→下喷管加压→喷注挤压土体→装置反转提升均匀注入→设备冲洗→成型.两种不同设备注浆情况如图5(设备1：英利设备，设备2：实验室制作装置)所示:

通过实验室制作的设备效果(图3-b)对比与广州英利机械制造产生产的YL-PJ03型注浆设备，试验室研发的注浆设备注浆压力可达到1.0 MPa，与广州英利机械制造厂的注浆设备对比，实验室制作的设备具上配有二联动气压控制阀门可调整进瓶端处压力，在注浆过程中可较好保证水泥基改性注浆材料有良好的动力，可以将压力均匀布置在所需砂体周围，并掺搅周围砂层提高周围砂体强度.在不降低浆料水灰比的同时，配合浆体材料形成珊瑚砂砂浆或混凝土拌合物，达到预定强度，并固化砂层.通过设备之间的对比，实验室制作的注浆设备，在机械贯入过程中配合改性水泥注浆材料固化砂质层的能力来说，产生的压力更加稳定，端头挤出压力更加均匀.

3 结 论

本文将珊瑚砂作为骨料，制备了砂浆，并根据固化珊瑚砂层的技术要求，研制一种新型的注浆装置，对该装置旋转以及加压注浆的工艺进行了模拟试验研究.在空气动力加压下，使用该装置输送特种注浆材料于珊瑚砂层中，注浆后能够起到固化珊瑚砂的作用.实验室自主设计的室内模拟注浆设备具有1.0 MPa的加压注浆能力，并可以通过浆体挤压及螺旋钻头破碎珊瑚砂层，起到固化珊瑚砂的效果.利用该注浆技术可对珊瑚砂体进行模拟固化，达到对珊瑚砂体缺陷处加固处理的目的.这种通过机械旋转以及加压注浆的新工艺技术，在工程中具有一定的应用前景，值得进一步研究和推广.

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[11] 中华人民共和国建设部.GB17671—1999水泥胶砂强度检验方法[S].北京：中国标准出版社，1999.

[12] 中华人民共和国建设部.GB/T50123—1999土工试验[S].北京：中国标准出版社，1999.

[13] GB/T 2419—2005，水泥胶砂流动度测定方法[S].

Solidification Technology of Coral Sand

Fang Jingchao, Chen Tao，He Yandong, Wang Junfeng

(College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

In the report, to solve the gap, depression and some other problems of the loose coral sand, cement slurry and a special inject equipment were used and the special cement slurry was injected into the coral sand layer under specific air pressure, coral sand was used as aggregate and slurry cementing materials were prepared. According to the technology requirements of solidification coral sand layer, the inject equipment was designed and the simulation test was performed. The results indicated that the obtained optimum conditions were as follows: diameter of rotating rod is φ5 mm, the lifting speed of rotating rod is 0.03 m·s-1, the rotating speed is 60 r·min-1. The cement slurry can be injected with this inject equipment to solidify the loose coral sand layer.

coral sand； cement slurry； inject equipment； solidification of coral sand

2016-06-13

中西部计划

房靖超(1990-)，男，海南海口人，海南大学土木建筑工程学院，2013级硕士研究生，752937034@qq.com

汪峻峰(1963-)，男，海南海口人，海南大学土木建筑工程学院，教授，E-mail：drjunfengwang2010@163.com

1004-1729(2016)03-0264-06

TQ 638

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2016.0040