膨胀土-超细水泥-粉煤灰灌浆材料性能试验研究

艾东　司春霞　吕士展　阎钶　王新志

摘要：为满足膨胀土地区输水渠边坡裂缝灌浆材料对流动性、稳定性和安全性的要求，利用当地弱膨胀土作为稳定剂，结合超细水泥与粉煤灰制备复合型灌浆材料，开展了复合浆液黏度、析水性、结石体强度和密度特性的试验研究。探究了不同水固比和材料配比对灌浆材料性能影响规律，结合SEM图像分析了结石体的微观结构，最后通过室内模拟试验探讨了灌浆后浆-土界面胶结情况。结果表明：固体材料中，膨胀土质量占比介于30%～70%、粉煤灰介于12%～24%之间时，水固比为1.0的浆液兼具良好的流动性和稳定性；降低水固比、提高膨胀土掺量可降低复合浆液析水率，改善浆液稳定性，添加粉煤灰能改善浆液流动性；灌浆后，浆液水分向土体渗透，伴随胶结物质迁移，在浆液和土体界面形成过渡层，有利于两者的黏结。研究结果可为膨胀土输水渠边坡裂缝灌浆材料的选取提供科学依据。

关 键 词：膨胀土； 裂缝； 灌浆材料； 超细水泥； 粉煤灰

中图法分类号： TV543

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.04.028

0 引 言

膨胀土因其特殊的吸水膨胀和失水收缩特性成为岩土工程的“麻烦土”［1］。膨胀土填方渠段边坡裂缝的形成将为降雨入渗和水分蒸发提供优势通道，加剧渠堤内部膨胀土的干湿循环和劣化程度［2］，成为威胁输水工程安全运行的潜在风险因素。因此，科学高效地处理膨胀土渠段边坡裂缝问题十分重要。

裂缝处置的目标在于高质量封堵裂缝空间，有效阻断渠坡内部膨胀土与外界环境的水汽交换优势通道。裂缝封堵材料与原土体的变形模量和（冷热、干湿）胀缩系数越接近，则长期封堵修复效果越好。众所周知，灌浆技术是封堵裂缝的最常用方法，但相较于常规灌浆工程，膨胀土输水渠段坡体裂缝灌浆时还需要考虑浆液构成材料的无毒环保性、膨胀土的强吸水性以及潜在地下水对浆液稳定性的影响［3］。因此，膨胀土渠段坡体裂缝灌浆工程对目标浆液关键性能的要求是无毒无害、高流动性和高稳定性，以尽可能提高裂缝填充的饱满度，同时使其具有一定抵御裂缝周边原位土体吸水和潜在地下水稀释冲刷的能力。

已有的常规灌浆材料往往存在缺陷，例如：普通水泥浆液存在稳定性较差（易离析，易被地下水稀释）、收缩率大、材料耗能大、造价高、细微裂缝填充效果差等不足［4-5］；不仅如此，纯水泥浆液固结后变形模量远高于土体，因此与周围土体变形协调性较差，易产生新的裂缝；20世纪普通堤防工程中常用的纯黏土浆液则存在“固化”浆液密实度低、强度低、易再次开裂、需要反复多次灌浆等问题；而常规化学浆液则又多含有对环境和人体不利的有害成分［6］，不宜作为输水渠渠堤的灌浆材料。

在常规灌浆工程中，为改善纯水泥浆液的稳定性，一般添加工业级膨润土作为浆液稳定剂。膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的层状硅铝酸盐材料，因吸水能力强而表现出强烈的遇水膨胀特性，具有良好的吸附性和造浆性［7-8］，被广泛应用于隧道、矿山以及水利灌浆工程。鉴于膨胀土渠段存在大量富含蒙脱石矿物的天然膨胀土，兼具吸水膨胀和分散吸附的功效，从原理上可推知，就地取材利用现场弱膨胀土代替工业级膨润土并与超细水泥结合形成复合浆液，不仅有望具备良好的稳定性和抗收缩能力［9-11］，还可避免膨润土生产运输带来的能源损耗及工业污染。

通常浆液稳定性与稠度呈正相关，而流动性则与稠度呈负相关，因此稳定性和流动性往往存在拮抗效应。添加弱膨胀土颗粒可以满足調控浆液稳定性的要求，但会导致流动性下降。粉煤灰是一种具有火山灰性质的工业废渣，在中国利用率较低。在水泥浆液中加入粉煤灰不仅可以改善浆液的流动性［12-13］，有利于部分胶凝物质的生成和黏结，同时可极大提高工业副产品的利用效率，减少对环境的影响。因此考虑添加粉煤灰以平衡浆液的流动性和稳定性要求。

综上，本文针对膨胀土输水渠段边坡裂缝灌浆处置需求，基于现场弱膨胀土、超细水泥和粉煤灰3种材料优缺点互补的特点，开展室内试验，探究不同水固比和材料掺量对浆液流动性、稳定性、结石体强度、结石率和结石体密度等基本性能的影响，结合扫描电镜和浆-土界面胶结性试验，初步探讨膨胀土-超细水泥-粉煤灰复合灌浆材料的作用机理。目标是提供一类以当地天然膨胀土为稳定剂，经济环保且兼具良好流动性与稳定性的灌浆材料配方，为膨胀土地区输水渠边坡裂缝灌浆治理工程材料优选提供新选择。

1 试验内容与方法

1.1 试验材料

选择弱膨胀土、1 340目超细硅酸盐水泥、I级粉煤灰和自来水按一定的比例配制浆液。

（1） 黏土：取自南水北调中线南阳段填方区某土料场，为弱膨胀黏性土，其主要化学成分为SiO2和Al2O3，比重为2.73，最大干密度为1.79 g/cm3。将弱膨胀土风干破碎，过2 mm筛。试验前对风干过筛的弱膨胀土颗粒加水浸泡24 h并充分搅拌。

（2） 水泥：蟠龙山牌1 340目超细硅酸盐水泥，其细度检测D90≤9.7 μm，D50≤3.9 μm，初凝时间、终凝时间分别为112 min和181 min，3 d和28 d抗压强度分别为51.2 MPa和73.5 MPa。

（3） 粉煤灰：铂润耐火材料有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，密度为2.55 g/cm3，5 μm方孔筛余为16%，主要化学成分为SiO2、Al2O3、CaO，其中SiO2含量为45.1%，Al2O3含量为24.2%，CaO含量为5.6%。

（4） 水：选用本地自来水。

1.2 试验方法及浆液配比

本文选取黏度、析水率、结石体抗压强度、结石率及结石体密度5个参数指标以表征浆液的工作性能。浆液黏度测试采用MLN-2型马氏漏斗黏度计，黏度的表征参数为一定体积（946 mL）的流体流过标准马氏漏斗的时间，时间越短表明液体黏度越小、流动性越好；浆液析水率测试方法为将搅拌均匀的浆液倒入250 mL高精度量筒中，用玻璃板密封，然后放在桌面上，直到2 h后记录液位；28 d龄期结石体抗压强度测试参考GB/T 17671-2020《水泥胶砂强度检验法（ISO法）》；结石率及结石体密度测试采用游标卡尺、电子天平测量浆液在70.7 mm立方体标准试模中硬化后试样的体积和质量变化。

如表1所列，按照不同的超细水泥与粉煤灰比例将试验浆液分为膨胀土-超细水泥浆液、膨胀土-超细水泥-粉煤灰（6∶4）浆液、膨胀土-超细水泥-粉煤灰（8∶2）浆液3类，为便于叙述，分别命名为A类浆液、B类浆液、C类浆液。每类浆液膨胀土掺量均按30%，50%，70%，80%和90%设计，共15种不同的配比，每种配比设计0.9，1.0，1.2三种水固比，以探究不同水固比对浆液性质的影响。

需要指出的是，水固比指浆液加水量与固体集料总质量之比，如式（1）～（2）所示；膨胀土掺量是指膨胀土颗粒质量相对于固体集料总质量的占比，如式（3）所示。

r=mw/ma（1）

ma=mc+mf+ms（2）

ωs=ms/ma（3）

式中：r为水固比；mw为浆液加水质量；ma为固体集料总质量；mc为水泥颗粒质量；mf为粉煤灰颗粒质量；ms为膨胀土颗粒质量；ωs为膨胀土掺量。

2 试验结果及分析

2.1 黏 度

不同类型及水固比的浆液黏度试验结果如图1所示。可以看出：

浆液黏度与水固比呈负相关关系，水固比越高，流动时间越短，黏度越小，流动性越好。浆液水固比为1.2，1.0，0.9时其流过马氏漏斗的时间分别为30～40 s，35～55 s，42～110 s。对比不同水固比的浆液黏度曲线形态可知，膨胀土掺量变化对水固比为0.9的浆液黏度影响程度较大，表现为曲线呈指数上升趋势，而对高水固比（1.2）浆液的黏度几乎没有影响。由此可见，水固比是控制浆液黏度的关键因素，低水固比条件下提高膨胀土掺量会降低浆液的流动性。

水固比相同时，不同类型浆液的黏度大小为：A类浆液＞C类浆液＞B类浆液，可见增大粉煤灰占比有助于减小复合浆液的黏度，改善浆液的流动性。水固比分别为1.2，1.0，0.9时，A、B两类浆液的黏度差值分别在1～3 s，6～18 s，10～30 s区间，表明粉煤灰对浆液流动性的改善作用在低水固比条件下更为显著。

张贵金等［14］研究表明，水固比为1.0时的黏土水泥浆材仍存在屈服应力，属于宾汉流体，而水固比超过1.5以后，浆材的流变曲线为接近于通过原点的直线，近似为牛顿流体。本次试验中黏度变化规律可以理解为：低水固比时，浆液存在的屈服应力较大，难以克服屈服应力发生流动；水固比的提高会减小屈服应力，降低了颗粒间的相互作用和内摩擦以改善浆液流动性。此外，由于膨胀土颗粒自身吸水膨胀而具有较大初始屈服应力，在膨胀土掺量较低时，复合浆液为具有剪胀性的幂律流体，掺量较高时为宾汉流体，致使不同配比的浆液流动性差异较大。

2.2 析水率

析水率反映了浆液的稳定性，析水率偏高会影响浆液的流动性和稳定性，表现为析水分层现象。浆液析水率测试结果如图2所示。由图2可知：

在水固比为1.2时，B、C类浆液析水率均在5%以上，且随着膨胀土掺量提高而降低；在水固比为1.0及以下时，复合浆液析水率均在2%以下，且其值随膨胀土掺量变化波动较小，这可能是因为在低水固比条件下膨胀土颗粒具有较强的吸水和吸附能力，与水泥浆液形成了悬浮稳定结构，改善了浆液析水率。除此之外，可以看出当水固比相同时，B类浆液析水率是A、C類析水率的2倍以上，说明粉煤灰占比过高会影响浆液的悬浮稳定性。膨胀土和超细水泥共同作用可以提高复合浆液稳定性，有利于浆液充分填充空隙，进而对注浆工程的有效性至关重要。

万泽恩等［15］指出，浆液发生离析、分层、泌水现象与浆液中自由水赋存形式有关，浆液中的一部分水以结合水形式与水泥参与化学反应，剩余的水绝大部分以游离形态存在于浆液中。相比于普通水泥，本次试验中使用的超细水泥具有更小的粒径和更大的比表面积，利于水化反应的进行。低水固比条件下，由于超细水泥与膨胀土颗粒的吸水作用，游离在浆液中的自由水较少，宏观表现为接近于0的析水率；水固比较高时，浆液中自由水含量较多，同时，随着B、C类浆液中粉煤灰掺量的提高，浆液固体集料颗粒与水分子的亲和性逐渐下降，导致更多的自由水向上溢出，析水现象也更明显。

2.3 结石体抗压强度

图3为复合浆液养护28 d时结石体单轴抗压强度试验结果。对比图3（a）～（c）可知：

结石体抗压强度大小与水固比、膨胀土掺量呈反比关系。水固比相同时，不同类型浆液结石体抗压强度值大小为A类＞C类＞B类；当水固比从0.9升高至1.2后，其28 d抗压强度值显著降低，最大降幅大于80%。在膨胀土掺量为30%时，A、B、C浆液结石体强度大多在2 MPa以上，最高值达9 MPa，而在膨胀土掺量为80%以上时，浆液结石体抗压强度均小于0.5 MPa。由此可见，水泥掺量决定了浆液结石体抗压强度的大小，使用适量膨胀土和粉煤灰替代部分水泥有利于改善纯水泥材料高强度带来的脆性破坏，提高与原位土体的变形协调性。

2.4 结石率及结石体密度

浆液结石率是指浆液凝结后的结石体体积与原浆液体积之比。在满足其他参数要求情况下，浆液结石率越高越好，灌入土体内部后填充程度高而不易产生孔隙。结石率与结石体密度试验结果如图 4所示。

如图4（a）所示，3类浆液具有良好的结石率，除水固比为1.2的B类浆液，浆液结石率均超过90%，最低值为85.86%，最高值接近99.4%，但水固比过高和粉煤灰掺量的增加会降低结石率。在相同条件下，浆液配比的改变对低水固比浆液的结石率影响不显著，均在1%～3%范围内波动；在水固比相同时，A、C类浆液的结石率明显大于B类浆液。

如图4（b）所示，水固比相同时，同种浆液结石体密度随着膨胀土掺量的减少而微增；水固比不同时，各配比浆液结石体密度大小与水固比呈反相关。固体颗粒掺量相似时（如A3、B3、C3对比），浆液类型变化对浆液结石体密度影响不显著。

分析认为，自由水的含量变化会显著影响结石率和结石体密度的大小，水固比增大后，结石体颗粒之间的不稳定自由水占据一定的体积，易析出产生孔隙，进而降低结石率和结石体密度；同时由于水泥分子的比重更大，减少膨胀土的掺量（增加水泥掺量）也会提高结石体密度。

3 微观结构与机理分析

结合SEM扫描图像，本文对配比差异较大的A、B类浆液结石体进行了微观结构观测，对其胶结形式、密实程度、孔隙大小等微观形态与强度、密度等宏观性质的联系进行了分析。试验前采用50 ℃低温对试样进行干燥处理。

图 5为养护标准养护28 d后水固比均为1.0的不同配比浆液结石体试样的SEM图像。可以看出，絮状、网络状的水泥水化产物将土颗粒和粉煤灰颗粒包裹形成团聚结构，并伴随部分孔隙。形态变化上，A2、B2浆液表面多为片状、针状、絮状水化产物与大颗粒团聚的结合体，其孔隙结构较大，密实度低；A5、B5浆液则多为网状、块状的紧密包裹结构，孔隙小，密实程度高。这是由于A2、B2等浆液水泥掺量较低，其浆液中粉煤灰和膨胀土颗粒的分散作用使得水泥水化程度不彻底，未反应的片状结构的Ca（OH）2居多；而A5、B5等水泥含量较高的浆液中水泥分子接触充分，水化反应更为彻底，生成了更多团簇状的C-S-H等胶凝物，相互交错搭接形成了更为致密的结构体，具有更高的强度和密实度。

图 6为养护28 d后不同水固比的浆液结石体SEM图像。可以看出相同固体集料配比的浆液水固比越小，其结石体微观结构越密实，孔隙越小。水固比为1.0时，A5、B5浆液结石体结构堆叠紧密，结晶体发育良好，出现块状、网络状的水化产物；水固比为1.2时，其结构疏松，搭接程度不理想，颗粒边界较为模糊，团聚物之间有明显的粗大孔隙存在，这可能是由于高水固比条件下固体颗粒间自由水含量高，在水化反应消耗有限的情况下，多余自由水填充在结构物间使得浆液固体颗粒搭接疏松，分散弱化了水化物之间胶结网络连接。因此，高水固比浆液表现出更高的析水率与更低的强度、结石体密度。

膨胀土-超细水泥-粉煤灰复合浆液作为一个多相悬浮分散体系，其反应过程主要包括各组分之间一系列的复杂物理化学作用。水泥的水化反应生成具有胶黏性质的C-S-H和Ca（OH）2，构成混合物强度的基本骨架。膨胀土颗粒充分吸水分散后，其表面的Na＋或K＋可与水泥水化产物中Ca2＋进行离子交换和凝硬反应，形成较大的团粒包裹结构。同时，粉煤灰与膨胀土表面吸附的胶态氧化物如SiO2和Al2O3等，逐渐与Ca（OH）2发生离子交换和凝硬反应，最终生成微晶产物，这些微晶化合物再通过重新结合构成结晶网状包裹结构，使得复合浆液中的水化产物相互胶结。

4 灌浆材料配比建议原则

综合现场输水渠边坡不同位置裂缝与室内不同配比复合型浆液的性能特点，可灵活筛选出适用不同位置裂缝的灌浆材料配比。

（1） 对于边坡内部的细小裂缝，需要低黏度（即高流动性）、低析水率和高结石率的浆液。因此，建议采用膨胀土掺量不超过70%，水固比1.0及以上的B、C类浆液，粉煤灰掺量可随裂缝分布深度增大而增多，但不宜超过固体集料总质量的24%。

（2） 针对边坡表面宽大且需增加土体强度的裂缝，宜采用结石率高、结构密实、结石体抗压强度高的浆液。为此，建议采用膨胀土掺量较少的A类、C类浆液，其水固比宜控制在1.0以下，水泥掺量宜大于50%。

5 浆-土界面胶结效果分析

裂缝灌浆效果的检测一直是一个未能得到很好解决的问题。现场通常采用探坑探槽、钻孔取芯、洛阳铲挖掘法等具有一定破坏性的方法较为粗糙地观察裂缝大体填充情况，由于裂缝往往具有复杂的空间展布形态，上述方法难以很好地检测浆液与裂缝周边土体的相互黏结情况。从灌浆材料封堵裂缝空间，阻断水汽交换通道的目标出发，本文认为灌浆效果的检验问题可以概化为浆液与裂缝土体在界面的相互作用效果问题。为此，设计内径50 mm、高度100 mm的圆柱体透明有机玻璃容器观测浆液与模拟裂缝的界面胶结情况。如图7（a）所示，先压制直径50 mm、高度100 mm的圆柱土样（最优含水率16.2%，压实度96%），随后加工成直径50 mm×高度100 mm圆柱体挖空1/4直截面、直径50 mm×高度50 mm圆柱体不规则斜截面、直径50 mm×高度50 mm圆柱体不规则横截面等3种不同形状的试样，将其放置于密封的有机玻璃容器中，并采用水固比为1.0的A3、A4、A5和C3、C4、C5浆液进行模拟灌浆试验（见图7（b）），随后观测浆液与土体交界面的形貌及含水率变化，最后，拆分试样以观测其内部界面的接触情况。

如图7（b）所示，在灌浆初期，观测到土体逐渐湿润，其顶部发生膨胀，证明土体吸收了浆液中的部分水分。此时浆液液面略有下降，需要及时进行补浆，这与工程现场多次灌浆类似。灌浆1 h后液面保持稳定状态，未出现空洞和离析分层现象，证明浆液在部分失水情况下仍具有良好的均匀性和稳定性。密封1～3 d期间，浆液逐渐凝固，与土体贴合紧密，无明显缝隙和镂空现象。如图7（c）所示，养护3 d后拆模，结合体试样仍保持良好的整体性，浆-土交界面处无自动松动滑脱和断裂现象。通过测量发现交界面处土体含水率上升5%～6%，证明浆液部分水分迁移至临近土体，这种渗透伴随部分水泥等可溶性胶结物质的迁移，利于浆液与不规则断裂面的嵌合，形成具有一定整体性的封堵体。如图7（d）所示，拆分结合体试样观察内部接触面发现浆液结石体不规则表面覆盖厚度为1～2 mm的土层，这说明浆液与土体颗粒充分接触，在凝结过程中相互咬合并在交界面形成了具有一定厚度的缓冲层，有利于灌浆材料与原位土体密闭黏结，减少由于不同材料的性质差异而产生的构造裂縫。

由此推测，在实际工程中浆液灌入渠坡裂缝后伴随着部分水分的迁移，致使裂缝两侧土体含水率升高。由于堤坝内原位土体的吸水膨胀，降低了其密实程度，加之在外部灌浆压力的共同作用下，有利于浆液填充裂缝并渗入到周围一定厚度的土体中。通过渗透、挤密、咬合的共同作用，浆液硬凝后与裂缝面附近土体产生嵌固胶结，在原有的裂缝空间形成新的网络骨架结构，填充裂缝空间的同时提高了渠坡的整体强度，可大大降低大气降雨入渗对内部土体的潜在弱化影响。

6 結论与展望

本文针对膨胀土输水渠边坡裂缝灌浆材料的优选问题，就地取材，尝试了利用现场弱膨胀土进行制浆，系统开展室内试验，研究膨胀土、超细水泥、粉煤灰3种材料所配制的复合浆液其基本特性，得出主要结论如下：

（1） 在膨胀土-超细水泥-粉煤灰灌浆材料体系中，水固比、固体颗粒掺量是影响浆液宏观性质的关键因素，其中：弱膨胀土使浆液具有良好的保水性和稳定性；超细水泥是浆液结石体胶结强度的主要来源；粉煤灰可以提高浆液流动性的可调控程度，提高可灌性。当水固比为1.0，膨胀土掺量为30%～70%，粉煤灰掺量为12%～24%，复合浆液兼具良好的流动性和稳定性。可结合现场实际情况适度灵活改变材料配比以达到工程所需性能要求。

（2） SEM结果表明：浆液水固比增大将导致其结石体孔隙变大，结构疏松，密实度降低；膨胀土掺量直接影响水化产物间胶结的密实程度，其掺量较低时，膨胀土颗粒被水泥胶凝产物和粉煤灰包裹形成致密嵌合结构。

（3） 浆液灌入裂缝后会发生水分迁移，伴随着胶结物质的流动，在浆液和土体界面形成一定厚度的胶结过渡层，浆液的渗透和不规则裂缝面咬合的共同作用有利于浆液与裂缝周边土体的黏结和稳定。

本文通过室内试验探究了不同配比和水固比条件下膨胀土-超细水泥-粉煤灰复合浆液的工程特性，后续将在室内试验结果基础上开展现场灌浆试验以验证浆材的适用性和实际灌浆效果。

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（编辑：胡旭东）

Experimental study on properties of expansive soil-ultrafine cement-fly ash grouting material

AI Dong1，SI Chunxia2，LYU Shizhan3，YAN Ke3，WANG Xinzhi3

（1.School of Urban Constriction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China； 2.The Yellow River Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Zhengzhou 450040，China； 3.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering，Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

Abstract：

In order to meet the requirements of fluidity，stability and safety of grouting materials for cracks in canal slopes in expansive soil areas，a composite grouting material was prepared by using local weak expansive soil as the stabilizer，combining with ultrafine cement and fly ash.The viscosity，water separation，stone strength and density characteristics of the composite slurry were studied.The influence of different water-solid ratio and material ratio on the performance of grouting materials were explored；and the micro structure of the stone body was analyzed by SEM scanning.The cementation of the slurry-soil interface after grouting was discussed by indoor simulation test.The results showed that the slurry with the water-solid ratio of 10 has good fluidity and stability when the mass ratio of expansive soil is between 30 % and 70 % and fly ash is between 12 % and 24 %.Reducing the water-solid ratio and increasing the content of expansive soil can reduce the drainage rate of composite slurry and improve the stability of slurry.Adding fly ash can improve slurry fluidity；after grouting，the slurry water penetrates into the soil，accompanied by the migration of cementing materials，forming a transition layer at the interface between the slurry and the soil，which is conducive to the bonding between the two.The research results can provide a scientific basis for the selection of crack grouting materials for expansive soil canal slope.

Key words： expansive soil；crack；grouting material；ultrafine cement；fly ash

收稿日期：2022-04-24

基金項目：国家自然科学基金项目（41702350）

作者简介：艾 东，男，硕士研究生，研究方向为膨胀土工程特性。E-mail：1339237024@qq.com

通信作者：吕士展，男，助理研究员，博士，主要从事岩土介质颗粒形貌表征及工程特性研究。E-mail：szlv@whrsm.ac.cn