低碱性外掺剂对帷幕注浆浆液性能的影响

袁胜超

(1.华北有色工程勘察院有限公司， 河北 石家庄 050021；2.河北省矿山地下水安全技术创新中心， 河北 石家庄 050021)

帷幕注浆技术在大水矿山水患治理、保证井下作业安全、减少矿山排水成本等方面具有重要作用，已在国内众多水患矿山成功实施并取得了良好效果。由于目前使用的注浆材料多为黏土、水泥以及水玻璃等物质，其反应后的产物为水化硅酸钙、氢氧化钙、水化铝酸钙等碱性物质[1−3]，使得地下水pH 值升高，人为地破坏了地下水环境。另外，该地下水作为污染源随着矿山开采排放注入河床，将进一步污染地表水资源，同时破坏周边生态环境。为降低浆液pH 值，前期研制出了低碱性外掺剂，为证明加入外掺剂后浆液性能能够满足注浆需求，需对浆液结石体的力学性质进行研究。

1 自然养护条件下浆液结石体强度分析

根据前人的研究成果，黏土水泥混合浆液结石体强度的增长与纯水泥浆液结石体强度存在差异。通常认为纯水泥浆液结石体28 d 后强度基本稳定，为最终强度[4−5]；而黏土水泥混合浆液（尤其高水固比浆液）的结石体强度在56 d 趋于稳定[6−8]，故强度测定需较长时间。耐久性测试通常是在结石体强度稳定后进行，因此本研究计划对其养护56 d后，进行耐久性能的测试。

黏土水泥浆的配比为黏土基浆（密度为1.20 g/cm3）:水泥为12:1～4:1。为改变浆液碱性而不至于影响其力学性质，本次试验引入SPJ 外加剂（专利保护），其中的SPJ2#为改酸性硫酸类，该材料可以与水泥中的C2S、C3S 反应生成C-S-A-H，改变体系中的水化产物组成与结构，此外其酸性可与水泥的碱性发生中和作用；SPJ3#为改性聚合物，该材料具有链式结构，可以吸附体系中的水泥颗粒，降低水泥的水化速率，改善浆液碱性的延时增长特性；SPJ4#为稳定剂，可以提高浆液的分散性，降低析水率，提高结石率，同时具有吸附重金属离子的作用。

根据工业化注浆配比，将SPJ 外加剂按2#:3#:4#=6:3:2 的配比制成试样，脱模后养护至56 d 测试其无侧限抗压强度，结果如图1 所示。大部分加入外掺剂的样品抗压强度略低于未加外掺剂试样，强度下降幅度为4～20 kPa，说明低碱外掺剂对浆液56 d 抗压强度影响较小。

图1 不同现场配比的低碱浆液56 d 抗压强度

2 岩芯抗压强度分析

将现场取出的添加外掺剂后凝固的岩芯切割成10 cm 长的圆柱样（见图2），养护至56 d 后进行无侧限抗压强度试验，其试验结果见表1。

表1 岩芯抗压强度结果

图2 试验样品

由表1 可知，现场注浆所取岩芯抗压强度存在较大差异，最大抗压强度为28 MPa，最小抗压强度为18.2 MPa，最大差值为9.8 MPa，平均抗压强度为23.2 MPa。通过分析，岩芯抗压强度存在差异的主要原因可能是试样不均一性。从岩芯试样断面可以看出（见图2），断面呈现“年轮状”的圈层分布，从边缘向内部黏土的含量逐渐降低，最终在岩芯内部形成直径为3～5 cm 的水泥结石体。不同深度的“年轮”分布存在差异，在进行抗压强度试验时，黏土含量高的结石体首先发生破裂，应力逐渐向内部扩展，最终导致破裂。而黏土含量低的部分，其结石体结构密实，胶结强，起始应力高，所以最终抗压强度大。总体而言，结石体的抗压强度在18 MPa 以上，能够满足工程需求。

3 岩芯直剪强度分析

将现场取出的岩芯切割成直径为50 mm、高为50 mm 的圆柱试样，养护至56 d 后使用YDS-2 多功能直剪试验仪进行结石体直剪强度测试。采用快剪法进行试验，试验过程调节法向应力，分级施加剪切荷载（每级0.2 MPa），记录下每级荷载下的剪切位移，直至试件破坏，记录破坏时的最大值。

试验采用3 种正应力，分别为1 MPa、2 MPa、3 MPa，采取竖直放置和水平放置两种方法进行直剪，直剪强度试验结果见表2 和图3。

表2 直剪试验结果

图3 为低碱性浆液结石体不同正应力下剪应力-剪应变曲线。在相同正应力下，剪应变随着剪应力增加而增加，达到峰值强度后，剪应力逐渐降低，试件破坏后峰残应力降值较大。试样B3 在剪切破坏时，残余强度降值达6.64 MPa；水平放置的A3试样在3 MPa 正应力下抗剪强度达14.44 MPa，而竖直放置的B3 试样在3 MPa 正应力下强度为11.81 MPa；竖直放置的样品峰值强度均小于水平放置的样品，改性浆液结石体竖直方向抗剪强度均大于相同正应力下结石体水平方向上的抗剪强度，产生这一现象的原因为：高压注浆后浆液分层凝结，中间为水泥结石体，外围包裹有凝结后的黏土，材质分布不均匀；竖直方向进行剪切，摩擦力仅由水泥结石体提供，水平方向剪切摩擦力由水泥和黏土提供，摩擦系数小于前者，因此抗剪强度较低。

图3 低碱性浆液结石体剪切应力应变曲线

由图3 可以看出，两种放置方式进行剪切，低碱性注浆材料均表现出如下剪应力-剪切位移规律：

（1）加载初期，曲线的斜率较小，剪应力增加缓慢而剪应变增加较快，这一阶段试样内开始产生张裂纹，但并不一开始就沿着剪切面发生破坏。

（2）峰前阶段，随着剪应力的增加，剪切变形以明显的弹性变形为主，在剪应力峰值处有一个明显折拐点，即快达到峰值强度时曲线斜率逐渐由陡变缓达到峰值强度。

（3）峰值强度之后，剪应力急剧下降，曲线斜率急剧变陡，由正变负，产生了应力跌落的现象。

根据图4 所示低碱性浆液结石体的抗剪强度曲线，求得结石体的强度参数c，φ值分别为：截面水平于地面时为4.05 MPa，73.72°；截面竖直于地面时为5.55 MPa，64.61°。浆液结石体黏聚力高，且内摩擦角大，表明低碱性浆液结石体能够承受较大的剪应力，且结石体在地下环境中较稳定，不易被破坏。

图4 低碱性浆液结石体的抗剪强度曲线

4 岩芯耐久性研究

将现场取出的岩芯切割成10 cm 长的圆柱试样，养护至56 d 后进行干湿循环试验，试样在90℃的风干箱内风干4 h，待冷却后真空饱和4 h，每个循环观测试样的形态变化，每5 个循环测定一次强度变化。

第1 个干湿循环后，全部样品产生轻微裂纹，有一个样品产生崩裂，后续循环中无其他崩裂现象产生，样品表面部分松散黏土层脱落，样品裂纹变得更为明显，第50 个循环后，样品仍无明显崩坏。

通过耐久性试验发现，岩芯的耐久性存在一定的差异，对于岩芯内部水泥含量大的岩样，其抗干湿循环的能力优于黏土含量高的。试样经干湿循环后，进行了抗压强度测试，抗压强度的变化如图5所示。

图5 干湿循环次数与抗压强度的关系

通过多组试样的耐久性测试发现，其耐久存在差异，50 次循环最大抗压强度损失48.6%，最小抗压强度损失17.1%，平均22.85%。强度损失的差异性主要是由于试样的差异所引起的，试样中黏土含量越大，其基础抗压强度越低，耐久性损失越大；而水泥含量高的起始抗压强度大，耐久性损失小。

除测试干湿循环对浆液结石体抗压强度的影响外，还需探究对结石体抗剪性能的影响，进行干湿循环50 次后对试块进行直剪试验，直剪结果见表3，得到抗剪强度曲线如图6 所示。

表3 干湿循环后试块直剪结果

图6 干湿循环50 次后试块的抗剪强度

由表3 可知，在相同正应力下，剪应变随着剪应力增加而增加，达到峰值强度后，剪应力逐渐降低，试件破坏后峰残应力降值较大。且经历50 次干湿循环后，试件应力应变曲线仍具有未进行干湿循环的规律，表明浆液结石体在干湿循环后结构并未发生破坏，具有较好的稳定性和耐久性。

试样在3 MPa正应力下峰值强度为10.96 MPa，试样破坏后，残余强度为6.36 MPa。对比表2 的直剪试验结果，相同正应力下干湿循环后的试件峰值强度略有下降。根据图6 可求得干湿循环后试件的黏聚力c=3.76 MPa，内摩擦角φ=67.42°，对比图4可知，50 次冻融循环使试样黏聚力损失7.16%，内摩擦角损失8.54%，虽均有降低，但仍具有较强的抗剪强度，能够满足工程要求。

5 结论

通过对加入低碱性外掺剂的黏土水泥混合浆液结石体力学性质进行研究，得出如下结论：

（1）自然条件下低碱性外掺剂对浆液56 d 抗压强度影响较小。

（2）高压条件下结石体的抗压强度在18 MPa以上，满足施工需求。

（3）低碱性浆液结石体能够承受较大的剪应力，且结石体在地下环境中较稳定，不易被破坏。

（4）低碱性浆液结石体在50 次干湿循环后结构并未发生破坏，抗压强度值、抗剪强度值虽有所下降，但能满足施工需求，仍具有较好的稳定性和耐久性。