高抗渗注浆材料研究

马召林，阳勇福，焦 雷，王玉江，林海燕

(1.中铁隧道勘测设计研究院,河南 洛阳 471009；2.洛阳理工学院 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023;3.河南省特种防护材料重点实验室，河南 洛阳 471023)

高抗渗注浆材料研究

马召林1，阳勇福2,3，焦 雷1，王玉江2,3，林海燕2,3

(1.中铁隧道勘测设计研究院,河南 洛阳 471009；2.洛阳理工学院 材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023;3.河南省特种防护材料重点实验室，河南 洛阳 471023)

为提高围岩的抗渗性能，采用普通水泥浆液掺加无碱外加剂制备高抗渗注浆材料。试验结果表明，在水灰比0.65～1.0范围内，调整浆液配合比，浆液流动度可达到230 mm～270 mm，初凝时间小于2 h，具有良好的施工性能；注浆材料结石体早期强度发展快，后期强度高且无倒缩现象。注浆材料具有微膨胀特性，内部孔径细化，具有良好的抗渗性能，抗渗等级大于P8，满足工程抗渗需求。

注浆材料；抗渗性能；流动度；凝结时间；抗压强度

水泥基注浆材料可分为普通水泥单液浆和普通水泥-水玻璃双液浆。普通水泥单液浆材料胶凝时间不易调节，存在强度低、收缩大等现象，易出现裂缝而成为渗漏通道；普通水泥-水玻璃双液浆具有胶凝时间可控等优点，但胶结体后期强度低，耐久性差，受水长期浸泡容易分解，不适合长期堵水和加固围岩[1-5]。基于厦门过海通道工程性能需求，本文采用普通水泥单液浆为基材，研制了具有高抗渗、快凝特性的注浆材料，以满足工程施工及耐久性要求。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥采用普通硅酸盐水泥，水泥比表面积为360 m2/kg。采用自主研发的无碱速凝剂调节浆液凝结时间。采用聚丙烯酰胺(PAM)改善浆液结石体孔结构。采用聚羧酸减水剂(PCE)改善浆液流动性，其固含量约为40%。

1.2 试验方法

以水泥为基材制备高抗渗注浆材料，注浆材料的凝结时间与流动度参照GB/T 1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行检测。注浆材料结石体强度参照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》进行。注浆材料结石体抗渗性参照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》方法，进行抗水渗透试验，采用逐级加压法来测试试块的抗渗性能，并将端面未出现渗水情况的试块劈裂，进行渗水高度测量。

注浆材料的膨胀特性试验方法：将浆液成型为40 mm×40 mm×160 mm的试块，试块两端固定有钉头。试件在20±1℃、相对湿度RH≥90%的环境养护，根据凝结时间和早期强度不同，确定空白样2 d后拆模，注浆材料1 d后拆模，分别测定基准长度，然后试块置于人工海水中养护，在规定龄期测定棱柱体的变形量。

2 试验结果分析

2.1 外加剂的优化选择

为了调节凝结速度，在注浆材料中加入无碱速凝剂。同时，为保证浆液的可注性，加入减水剂以提高浆液流动度。试验以凝结时间和浆液流动度为指标，外加剂优化选择试验方案如表1所示。根据表1所示试验方案开展了大量试验工作，对外加剂进行优化选择。

表1 外加剂优化选择试验方案

在水灰比0.5～1.0范围内，速凝剂的掺入对浆液流动度的影响非常大。随着速凝剂掺量的增加，浆液流动度大幅降低，凝结时间缩短。减水剂的掺入可有效增大浆液的流动度，但凝结时间延长。根据不同配比下浆液的流动度和凝结时间，得到最终优化结果如表2所示。

表2 优化选择的注浆材料的工作性能

试验选择3个注浆常用水灰比，浆液流动性良好，可保证浆液的可注性。同时，浆液的初凝时间小于2 h，终凝时间小于3 h，可满足不同部位工程施工需求。

2.2 注浆材料的性能

试验过程中选用了3个水灰比配制浆液，水灰比分别为0.65、0.8和1.0。空白样中掺入适量保水剂以保证试块具有较高的结石率；注浆液掺入外加剂，其配比如表3所示。

表3 注浆液配比

(1)结石率。

浆液结石率将影响注浆填充效果。空白样分为两组，一组掺有一定量的保水剂，保证浆液结石体体积的完整性，用于结石率及强度检测；一组不掺保水剂，仅检测浆液结石率。空白样及注浆材料浆液的结石率如表4所示。

表4 浆液的结石率

随着水灰比增大，空白样浆液易出现泌水现象，浆液结石率下降。注浆材料具有良好的结石率，即使水灰比为1.0时，浆液结石率也达到99%以上。结石率高，浆液稳定性好，则有利于改善填充效果，减少外来有害物质的渗透通道，提高抗渗性能。

(2)抗压强度。

结石体抗压强度如图1所示。图1中淡水养护条件下空白样(编号C，数字表示水灰比，下同)与注浆材料(编号Z)结石体在不同龄期的抗压强度。

图1 淡水养护下结石体的抗压强度

从图1可看出，水灰比增大，结石体的强度降低，而随着养护时间的延长，空白样结石体与注浆材料结石体的抗压强度均不断增长，且在同水灰比条件下，注浆材料的抗压强度高于空白样。外加剂的掺入对注浆材料结石体早期强度的提高非常明显。

(3)抗渗性。

成型顶面直径175 mm、底面直径185 mm、高度150 mm的浆体试块，每组6个试块，进行抗水渗透试验，其结果如表5所示。

表5 抗水渗透试验结果

水灰比对试件的抗水渗透性能影响较大。随着水灰比增大，试块平均渗水高度增大，端面渗水试块个数变多。注浆材料的抗渗性能优于同水灰比的空白样。空白样C0.8在水压0.9 MPa下已有2个试块端面出现渗水现象，4个端面未渗水试块的平均渗水高度达到了143.9 mm，抗渗等级为P8；空白样C1.0的6个试块端面均已渗水，抗渗等级低于P8。而对于注浆材料试块而言，即使是水灰比达到1的Z1.0试块，其抗渗等级也高于P8。

注浆材料抗渗性能的提高与其气孔结构的改善有关。对淡水养护28 d的试块采用静力称重法测定、计算其体积密度、气孔率及吸水率[8]，结果如表6所示。

表6 结石体的体积密度、气孔率及吸水率

图2 海水养护下结石体的膨胀率

从表6可以看出，相同水灰比时，注浆材料试块的气孔率高于空白样，但注浆材料的抗渗性优于空白样，说明注浆材料内孔径细化，大孔数量减少，由此使其抗渗性能提高。

(4)膨胀特性。

海水养护下空白样结石体及注浆材料结石体的膨胀率如图2所示。

结石体在早期快速膨胀，且注浆材料的膨胀率大于同水灰比的空白样。空白样的早期膨胀可能是由于结石体的湿胀所致，而注浆材料的膨胀除了湿胀外，还有结石体内形成钙矾石引起的膨胀。在后期，空白样体积不断收缩，而注浆材料体积基本保持稳定，具有微膨胀特性。注浆材料结石体的微膨胀有利于地层孔洞空间的密实填充，提高其抗渗性能。

3 结 语

(1)注浆液的流动性与凝结速度呈矛盾关系。工程注浆时，在水灰比0.65～1.0范围内，根据施工面层情况调整浆液配合比，注浆液流动性良好，初凝时间小于2 h，终凝时间小于3 h，可满足不同部位工程施工需求。

(2)无碱速凝剂与水泥浆液快速反应生成钙矾石，降低体系自由水量，促进水泥水化硬化。因此，注浆材料浆液结石率高，早期强度快速增长，后期强度稳定。

(3)注浆材料气孔孔径减小、封闭孔的形成及结石体的微膨胀特性有利于注浆材料抗渗性能的提高。

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Study on High Anti-permeability Grouting Material

MA Zhaolin1,YANG Yongfu2,3,JIAO Lei1,WANG Yujiang2,3,LIN Haiyan2,3

(1.Research Institute of Railway Tunnel Group,Luoyang 471009,China;2.Luoyang Institute of Science and Technology,Luoyang 471023,China;3.Henan Key Laboratory of Special Protective Materials,Luoyang 471023,China)

Cement-based grouting material is used to reinforce surrounding rocks of the subsea tunnel from Xiamen to Xiang′an. In order to improve the anti-permeability of the grouting material,alkali-free admixtures were mixed into the cement grouting material and the performance of materials was studied. Water cement ratio (w/c),the mixing amount of setting accelerator and water reducing agent were adjusted in the experiments,and the results showed that the initial setting time of the grout is less than 2 h while the grout flow ability ranges from 230 mm to 270 mm which indicating good workability. The grouting materials are characteristic of high early strength,stable long-term strength and micro dilatancy performance. The permeability grades of grouting materials (with the w/c of 0.65,0.8 and 1.0,respectively) are higher than P8,which superiors to the contrast sample with no admixture. The improvement of anti-permeability is due to the thinning of pore size of grout stone.

grouting material;anti-permeability;flow ability;setting time;compress strength

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.004

TU528

A

1674-5403(2017)03-0012-04

2017-06-30

马召林(1980-)，男，山东滕州人，本科，高级工程师，主要从事建筑材料方面的研究.