全风化花岗岩地层膨润土-超细水泥浆液滤失特性研究

孙谞， 李建中*， 黄松， 高宇豪， 汪志韬

(1.有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室， 长沙 410083； 2.中南大学地球科学与信息物理学院， 长沙 410083)

全风化花岗岩广泛分布广泛，在各种因素如地形环境、温湿度、底层深度等影响下易发生不均匀风化[1]，对于其物理力学和工程特性，许多学者进行了相关研究，周小文等[2]从孔径分布、颗粒级配特征、土样破坏形态与强度、结构性等方面对全风化花岗岩与花岗岩残积土进行了比较分析。在物理力学方面，李建新等[3]进行了崩解实验，得到其遇水极易崩解的结论；姚纪华等[4]结合现场原位测试和室内土工试验，研究了溪头水库大坝坝基全风化花岗岩的物理力学特性及变化规律，并计算了坝体的抗滑稳定性；张树坡等[5]采用矿物成分和微观结构分析、强度特征和破坏模式研究，分析了赣南花岗岩风化带岩土体边坡失稳破坏的5种模式，以坡面冲刷破坏最常见。此外还有室内流变试验，张素敏等[6]研究发现全风化花岗岩具有明显的软岩流变特征；陈裕等[7]检测了原状样和注浆后试样的微观结构、矿物成分、比表面积和孔径分布，并进行了对比分析；陈爱云[8]研究发现，华东、华南的黑云母花岗岩全风化层具有裂隙发育、自稳能力差的特点，在地下工程建设中易失稳垮塌。Liu等[9]对花岗岩地层的渗流-侵蚀特性进行了研究，并建立了渗流-侵蚀耦合突水模型。对于全风化花岗岩结构被严重破坏，微小裂隙极度发育，遇水极易软化崩解的问题，工程上常采用灌浆的方法对全风化花岗岩地层进行防渗加固处理[10]。

为寻找适合全风化花岗岩地层防渗加固的灌浆体系，中外学者开展了相关研究。浆液扩散方面，徐强等[11]提出了基于离散元的裂隙岩体注浆渗流应力耦合计算方法，发现了各因素对浆液扩散的影响规律；浆液黏度对注浆加固效果的也有影响，杨磊等[12]研究了不同黏度浆液的扩散规律；Zhang等[13-14]进行了注浆模拟试验，研究了不同粒径分布和注浆压力下的注浆扩散规律。劈裂灌浆工艺方面，谢超等[15]探究了多个因素对起劈压力的影响；Yun等[16]提出了确定起裂压力、劈裂长度、厚度及压滤现象的解析解。工程应用上，Zheng等[17]通过强度、渗透性、抗冲刷等多项试验评价充填比、龄期、水流对效果影响，来确定注浆材料的最优参数；Dou等[18]提出了钻孔注浆与注浆相结合的脉动注浆方法，并结合黏土-水泥浆材料对水库坝肩进行了注浆试验。浆液材料方面，朱浩龙等[19]推导出高固相离析浆液在注浆过程中的扩散方程；赵钰等[20]采用室内模拟试验研究了该浆液的加固机理和效果；卢书明等[21]采用水泥-水玻璃双液注浆来解决隧道开挖的渗水问题；张健等[22]开展了全风化花岗岩地层单、双液浆加固试验的研究。针对黏土水泥、湿磨水泥和超细水泥，蒋煌斌等[23]、张贵金等[24]研究了此类材料的防渗加固机理和效果。综上，学者们在注浆技术、注浆材料以及实际工程应用方面开展了大量研究，但相关特性对注浆效果产生影响尚鲜见报道。

湖南省岳阳市平江抽水蓄能电站建造场地内的全风化花岗岩地层，受到强烈的蚀变作用，地层内存在从几毫米到几微米的大小贯通裂隙，根据前期灌浆试验研究，发现采用普通水泥浆材则无法实现有效灌注，若采用超细水泥浆材也存在一些问题：地层中存在超细水泥也无法进入的裂隙，且地下水位较低，在非饱和的地层中灌浆时，浆体内的水分随裂隙扩散，但水泥颗粒无法进入一些微小裂隙，导致固结体因水化不足而出现防渗加固效果不佳的问题，因此，提升浆材的抗滤失性是相关灌浆加固工程中急需解决的问题。而在对膨润土-水泥灌浆材料配方的前期研究中，发现浆液的滤失特性会受到浆液配比的影响，其中主要为膨润土和超细水泥，鉴于此，开展进一步的试验研究，设置更全面的配比来测定浆液的滤失特性，并选取其中较为典型的配比下滤失泥饼进行微观结构的检测，从微观角度来分析造成其滤失性质不同的原因，最后再结合多孔介质的有限元模拟，进一步研究泥饼中抗滤失结构及其分布情况对此方面特点的贡献，以期揭示该浆液滤失特性变化规律，后续在地下水位以上相对干燥的全风化、强蚀变花岗岩地层中进行注浆施工时，能够通过调整各组分的掺入量，或者结合研究成果选取更合适的材料，来减少浆液中水分的滤失，保证加固体的充分水化、凝结，为地层注浆加固工程项目提供指导。

1 试验设备与试验材料

1.1 试验设备

如图1所示，首先采用 Mastersizer3000激光粒度分析仪对材料的粒径进行测定，得到材料的粒径级配曲线，判断材料的粒径分布特征；然后采用ZNS-2型中压失水仪测定材料中主要起到抗失水作用的膨润土的滤失特性，根据前期配方实验，找到适合体现滤失量变化规律的配比，进行滤失量测定，最后选取合适的试验组，采用TESCAN公司的MIRA3型扫描电镜，对滤失试验中形成泥饼的侧断面进行微观结构检测，从微观角度分析滤失特性变化原因。

图1 试验设备Fig.1 Test equipment

1.2 试验材料

试验根据工程需要和全风化花岗岩的地层特性，采用普通硅酸盐水泥掺入一定量超细水泥增加可灌性，并加入膨润土调节黏度、降低析水率、增强浆液稳定性和抗滤失性，一方面满足全风化花岗岩地层的灌浆要求，另一方面也需要配合灌浆工艺进行具体参数的调控。材料具体信息如下：①普通硅酸盐水泥：选用湖南娄底涟源水泥厂生产的海螺牌普通硅酸盐水泥(P.O.42.5水泥)；②超细硅酸盐水泥：选用山东康晶新材料科技有限公司生产的K1340级别超细水泥；③膨润土：选用山东华潍膨润土有限公司生产的800目商品钠基膨润土，有机物含量小于3%，75 μm筛余量不超过3.2%。

首先针对3种材料，使用Mastersizer3000激光粒度分析仪进行了粒径分布测试，计算出的相关粒径曲线参数如表1所示，计算得到材料的颗粒级配曲线如图2所示。

数据表明，膨润土级配较好，粒径均匀，从零点几微米到几十微米都有分布。相比于普通硅酸盐水泥，超细水泥的平均粒径更小，粒径范围更集中。地层的可灌比可用地层颗粒尺寸与注浆材料颗粒尺寸表示，即可灌比M，其计算公式为[23]

(1)

式(1)中：d15为地层中小于某粒径尺寸的颗粒含量占总质量的15%；D85为注浆材料中小于某粒径尺寸的颗粒含量占总质量的85%。

该全风化花岗岩地层的d15约为0.1 mm，通过对粒径级配进行计算，得到了不同超细水泥掺入比下的可灌比，结果如图3所示。

发现普通水泥中加入该超细水泥能够有效地提升可灌比，浆液更容易进入花岗岩地层的微小裂隙。针对该膨润土，前期试验进行了不同浓度下膨润土浆液的马氏漏斗黏度和滤失量测定试验，得到的结果如图4所示。

表1 普通硅酸盐水泥、超细水泥、膨润土级配参数Table 1 Grading parameter of ordinary portland cement, ultrafine cement and bentonite

图2 普通硅酸盐水泥、超细水泥、膨润土级配曲线Fig.2 Grading curves of ordinary portland cement, ultrafine cement and bentonite

数据表明，该膨润土的抗滤失特性较好，较低浓度下也能有效阻止浆体内水分滤出，形成的泥皮薄而韧，折后不形成裂纹，如图5所示。随着膨润土浓度提升，滤失量明显减小，但黏度提升也十分显著，基本呈指数型增长，因此需要控制其掺入量。

图3 各超细水泥掺入量下浆液的可灌比Fig.3 Grouting ratio of grout with different ultrafine cement content

图4 膨润土滤失量和马氏漏斗黏度曲线Fig.4 Filtration curve and Marsh funnel viscosity curve of bentonite

图5 膨润土抗滤失泥皮Fig.5 The bentonite mud cake to resist filtration

2 滤失试验及微观检测

2.1 滤失试验

首先根据前期试验，在膨润土含量为6%～10%范围内浆体的滤失特性变化较明显，又由于倒入容器的浆液体积有限，水固比小于1.2时，浆液水分含量较少，易发生喷气现象，气压无法维持稳定而急剧降低，当水固比大于1.4时，浆液结石体强度又不满足工程需要，因此调整水固比为1.2、1.3、1.4，最后改变超细水泥的含量进行试验。

调配浆液时，首先根据试验用量来量取清水，根据水固比计算出所需固体重量，再根据材料的掺入比分别称取备好。配浆过程中，首先使用玻璃棒边搅拌边加入膨润土，全部加入后再使用泥浆搅拌机对膨润土浆液进行偏心高速搅拌，让其完全分散、充分水化，偏心搅拌法能够促进容器底部的膨润土结块分散，搅拌时间不低于10 min；待膨润土浆液搅拌均匀后加入超细水泥，先用玻璃棒搅拌，使干粉消失后再用泥浆搅拌器进行偏心高速搅拌，搅拌时间不低于10 min；最后加入普通水泥，同样先用大玻璃棒搅拌，使干粉消失后再用小型手持水泥搅拌器进行搅拌，使浆液达到均匀的状态，搅拌时间不低于10 min。

进行滤失试验时，先将均匀浆液倒入滤失杯至刻度线，后将胶圈放置好、杯口铺上泥浆滤失专用滤纸，再盖上杯盖固定好，使倒置容器浆液不流出。将滤失杯安装在失水仪上，加压至0.69 MPa，接通加压部分与滤失杯中间的端口，气压进入滤失杯瞬间开始计时，实验过程中注意气压降低情况，及时补充压力，使其稳定在0.69 MPa，计时到达7 min 30 s后取走量筒读取滤失量[25]。得到数据如表2所示。

表2 滤失量测定数据Table 2 The measurement data of filtration

根据试验数据，可以发现以下规律。

(1)对比不同膨润土掺入比下的滤失量数据，发现随着膨润土含量增大，滤失量显著降低：当膨润土含量为6%时，大部分的试验组都无法完成7 min 30 s的滤失试验而提前出现喷气现象，即在此浓度下，浆液的抗滤失性很差，无法保持浆体内的水分；当膨润土含量为10%时，不同水固比下浆液的滤失量都较低，且变化范围也不大，即膨润土较多时，其水化形成的胶体网络能够很好地阻止浆体内水分滤出。浆液的失水特性主要由膨润土决定。

(2)一定范围内加入超细水泥颗粒有利于减少滤失量，各水固比、各膨润土浓度下，滤失量基本都在超细水泥为10%左右时达到最低，但随着超细水泥持续增加，失水也逐渐增大，甚至超过不加超细水泥时的水平。

2.2 微观结构检测

根据滤失试验数据结果，1.4水固比、8%膨润土、不同超细水泥含量下浆液的滤失量变化最大，因此选取了该条件下0、10%、50%超细水泥掺入量下的滤失泥饼，试验后马上烘干阻止水泥水化，后掰开泥饼，取侧断面进行处理，采用TESCAN公司的MIRA3型扫描电镜观测其微观结构，得到泥饼照片和电镜扫描照片如图6所示。

从图6(a)可以看出，泥饼表面光滑，在膨润土胶结作用下较完整，表面不存在大裂缝作为泄水通道，发挥一定的抗失水特性。

从图6(b)可以看出，泥饼断面上存在表层轻微水化的水泥颗粒、膨润土水化胶结物以及最大能够达到20 μm的孔隙等。胶结产物的主要以包裹细小颗粒黏附在大颗粒表面的形式存在，当不加入超细水泥时，细颗粒含量非常少，黏附在大颗粒上的胶体十分常见，但由于膨润土含量较少，胶体难以连结起来，也无法填充颗粒间的孔隙，更不能形成一个完整的抗滤失胶体面，因此水泥颗粒本身的孔隙和颗粒之间的孔隙成为了浆体内水分泄出的通道，导致膨润土的抗滤失性质没有得到很好发挥。

图6 滤失泥饼断面10 000倍镜下微观结构Fig.6 Microscopic structure of mud cake section at 10 000 magnification

对滤失量最小实验组的微观结构进行观察，从图6(c)可以看出，大颗粒之间的间隙有许多被胶体包裹的细颗粒填充，导致孔隙变小让孔隙的透水性减弱；由于膨润土胶体包裹了细颗粒形成块状、球状的胶结体，体积更大，难以附着在大颗粒表面，而是在压力水流驱动下进入裂隙，不同胶结体之间的相互黏结也更常见，稍大的抗滤失膜更易形成，滤失量进一步下降。由于试样是在干燥情况下观察的，使得颗粒间以及颗粒本身的孔隙比较明显，如图中下部红圈，但在饱水状态下，膨润土水化胶体吸水膨胀几倍到几十倍，形成网状结构，包裹超细水泥颗粒填充孔隙，能有效减少浆体内水分从孔隙中的滤出，让滤失量达到该膨润土掺入量下的最小。

观察图6(d)发现，在超量加入超细水泥时，断面上铺满超细水泥颗粒及其表面的水化产物，即细颗粒反过来包裹了胶体，阻止其相互连结，虽然原本存在的大孔隙也被细颗粒填充，完全不见，但是水泥颗粒在水化前非常松散，并不能连接成一个完整的、密实的抗滤失膜来阻止水分滤出，同时也不具备蒙脱石吸水膨胀进而形成凝胶的特性，甚至其本身就存在大量微小的孔隙，这些微小孔隙连贯形成的贯通微裂隙网作为滤水通道，如图中方框所示，导致滤失量明显增加，甚至超过不加入超细水泥的试验组。

综上，通过微观结构观察，可以发现以下规律。

(1)在膨润土-水泥浆液中，根据各种材料特性分析，灌浆过程中，起到抗滤失作用的成分主要是膨润土，依靠蒙脱石吸水膨胀形成胶体网络结构，附着在未水化或正在缓慢水化的水泥颗粒上，填充在大水泥颗粒之间的孔隙里，阻止水分滤出。

(2)不加入超细水泥时，膨润土含量较少，形成的胶体主要附着在大颗粒表面，无法填充裂隙，滤失量较大；适量加入超细水泥时，增加了细颗粒含量，胶体包裹细颗粒后形成球状，体积更大，难以黏附在大颗粒表面，更易进入大颗粒之间的裂隙，填充度提高，滤失量降低；超量加入超细水泥时，胶体反而被细颗粒包裹，虽然裂隙的填充度达到最佳，但膨润土没有起到抗失水作用，导致水泥颗粒本身的微小孔连贯起来成为滤水通道，滤失量达到最大。

3 多孔介质渗流数值模拟

浆体内水分渗流经泥饼流出的过程可采用有限元软件中常用计算流体力学中的多孔介质模块进行数值模拟研究。对于此类多孔介质中的缓流，可采用达西定律接口，在设定的进出口压力(速度)、流体黏度、介质渗透率等参数下，对渗流场进行计算，得到其流动参数和特征。

分析可知，膨润土水化形成胶体的形态和分布决定了泥饼抗滤失性能好坏，数值模拟也将从这个方面展开，模型如图7所示。

模型根据ZNS-2型中压失水仪的浆液容器建立，容器内径即为模型宽度，约76.2 mm，容器深度为模型长，约65.1 mm。流体入口设置为模型的顶边，压力设置为0.69 MPa；出口则是模型底边，设置为自由出口，外界压力为0；设置重力g，方向向下。而针对滤失形成的泥饼，取厚度为15 mm，为了更清晰地展示渗流情况，两边各延长1 mm，在该尺寸下，进一步将其分割为6行5列共30个更小的区域，能够进一步通过设置不同区域的渗透率来区分胶结部分与非胶结部分。如图8所示，将胶结物的形态与分布分为4种类型，分别为完整膜状、小孔隙状、大孔隙状、分散块状。

流体入口设置为模型的顶边(蓝线)，压力设置为0.69 MPa； 出口是模型底边(黄线)，设置为自由出口，外界压力为0图7 多孔介质泥饼模型Fig.7 Porous media model of mud cake

图8 多孔介质泥饼内胶结物的形态分布Fig.8 Morphological distribution of colloid in the porous media model

数值模拟具体参数根据室内试验结果和相关参数选取，其中关键参数如表3所示，对此模型进行计算，得到各形态胶结物存在下多孔介质泥饼内的渗流情况如图9所示。

从图9可知,多孔介质泥饼内的渗流主要由渗透率较小的胶结体形态和分布决定。从图9(a)看出，当胶结体呈现完整膜存在时，流体难以从泥饼渗出，整体的渗流速度非常小，压力分布也非常均匀；图9(b)表明，当胶结体相互的胶结效果一般时，细小裂隙存在并作为渗流通道，渗流就会从其中流向下方出口，胶结体上下的压力差非常大，即渗流经过小孔隙后压力急剧减小，变化过程很短，导致经过孔隙后渗流的较大速度仍保持一段距离；图9(c)中的胶结体相互胶结更差，存在尺寸更大的孔隙，这就决定了渗流的主要流动方向，为追求最易流动路径，速度云图中甚至出现了闪电状的转折，该情况下的流体压力则在流动过程中逐渐减小；图9(d)中，分散块状胶结体中没有流动，但渗流被阻挡后沿着胶结物的侧边流出模型，由于胶结体没有有效地阻止渗流流动，流体压力释放很早，在遇到胶结体之前就开始下降。

图9 各形态胶结物的多孔介质泥饼内渗流速度场与压力场Fig.9 Velocity field and pressure field of seepage in porous media with different Morphological distribution of colloid

此外，还计算了出口上的最大速度与线流率，数据结果如表4所示。

表3 数值模拟参数Table 3 Numerical simulation parameters

表4 模型出口最大流速和线流率Table 4 The maximum flow velocity and maximum linear flow rate at the outlet of the model

可以看出，不同胶结物形态的最大流速与线流率差别巨大，完整膜状胶结物的抗滤失性能最佳，水分滤出量相对来说极小；结合前面分析，胶结体虽然改变了流动方向，但只要存在孔隙，就无法有效阻止渗流在多孔介质内的流动，其最大渗出速度就达到了完整膜状模型中速度的上万倍；随着孔隙变大，抗滤失效果也越差，模型出口的线流率也呈现倍数增长。

4 结论

通过对膨润土-水泥浆液的一系列试验、检测，关于该花岗岩灌浆材料的抗滤失特性得出如下结论。

(1)该浆液体系采用普通水泥混合超细水泥的方式，能够有效提升该浆液中细颗粒的含量，增强对微小裂隙的填充性能。浆液中主要起到抗滤失作用的成分是膨润土。

(2)采用确定水固比、膨润土含量和超细水泥含量的方法进行了多组浆液滤失实验，发现膨润土含量决定了滤失量大小，而相同膨润土含量下，适量加入超细水泥也能有效提升浆液的抗滤失性。但超细水泥的掺入量持续增大时，滤失量也会增加，甚至超过不加入超细水泥的试验组。

(3)通过对抗滤失泥饼断面的微观结构观察，发现滤失量最低的试验组中，适量增加的细颗粒含量，能够让胶体包裹细颗粒后形成球状，体积更大，更易进入大颗粒之间的裂隙，提高填充度，滤失量降至最低；而不加入和超量加入超细水泥的试验组，都因为膨润土水化形成胶体的形态与分布不佳，而导致滤失量增大。

(4)对不同胶结体形态与分布情况下泥饼内的渗流情况进行了有限元数值模拟研究，发现在相同边界条件下，不同胶结体形态分布决定了渗流的流动：胶结体间的间隙决定了渗流的方向，胶结体成膜的完整性和孔隙大小决定了渗流速度及其流率的大小。