劉魯強(qiáng),李維孟,何保煜,陳建國(guó)
(1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南寧 530023;2.廣西水利廳,南寧 530023)
巖溶區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的水利資源,在巖溶地區(qū)建設(shè)的水庫(kù),大都存在不同程度的滲漏,滲漏能夠誘發(fā)嚴(yán)重工程事故,據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)241座大型水庫(kù)發(fā)生的1000宗工程事故中,滲漏事故(包括管涌)有317宗,占事故總數(shù)的31.7%[1]。水庫(kù)滲漏嚴(yán)重影響工程效益的正常發(fā)揮,對(duì)工程安全造成極大危害。巖溶地區(qū)防滲處理技術(shù)中,水泥灌漿技術(shù)應(yīng)用較為普遍,取得了有效的防滲效果。由于工程地質(zhì)條件差異巨大,不同的灌漿工程具有不同的技術(shù)要求,在巖溶區(qū)水庫(kù)灌漿的施工工藝方面,廣西通過(guò)大量工程實(shí)踐已總結(jié)出一些有效的經(jīng)驗(yàn),如引濾反堵灌漿法、平壓過(guò)濾反堵灌漿法和通道追源灌漿法的施工方法,以及“反堵減壓,摻料沖填濃漿成幕、高壓補(bǔ)強(qiáng)”的工藝流程[2],但在新型灌漿材料方面的研究與應(yīng)用還比較欠缺[3]。
巖溶水庫(kù)堵漏一般都采用純水泥灌漿,雖然這種材料具有結(jié)石強(qiáng)度高、造價(jià)低、灌漿工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),但是水泥漿液也具有可灌性差、穩(wěn)定性差、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)、硬化過(guò)程體積收縮、抵御水庫(kù)環(huán)境水侵蝕能力差等缺點(diǎn)。巖溶水庫(kù)水泥灌漿存在的主要問(wèn)題有:漿液結(jié)石體凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng),集中滲漏流速較大,導(dǎo)致結(jié)石體凝固前被水稀釋沖走;結(jié)石體干縮性大,滲流通道封堵效果不佳;有的水庫(kù)水硬度小,水質(zhì)軟,對(duì)水泥結(jié)石具有腐蝕性。這些問(wèn)題僅僅使用純水泥灌漿材料是難以解決的。
本文針對(duì)廣西巖溶水庫(kù)滲漏水泥灌漿存在的問(wèn)題,選擇一些適當(dāng)?shù)耐饧觿┖蛽胶狭希捎脝螕交蚨鄵郊夹g(shù),來(lái)改善水泥灌漿的可灌性和穩(wěn)定性,提高漿體結(jié)石強(qiáng)度、抗?jié)B性能及抗侵蝕性能,減小漿體結(jié)石干縮,進(jìn)而提高水泥漿液結(jié)石體耐久性。
根據(jù)巖溶地區(qū)水庫(kù)水泥灌漿材料存在的問(wèn)題,首先,研究能改善水泥漿液流動(dòng)性和穩(wěn)定性,提高水泥漿體結(jié)石強(qiáng)度、抗?jié)B性能及抗巖溶水庫(kù)環(huán)境水侵蝕能力、減小水泥漿液結(jié)石干縮率的新型帷幕灌漿材料;其次,對(duì)巖溶水庫(kù)滲漏通道比較集中、流速較大而通常采用水泥+水玻璃快速堵漏灌漿材料存在的漿液結(jié)石體后期強(qiáng)度低、耐久性差等問(wèn)題,研究能提高其后期強(qiáng)度和耐久性,漿液凝結(jié)時(shí)間可調(diào)范圍大、流動(dòng)性好、適應(yīng)廣的新型快速堵漏灌漿材料。
新型帷幕灌漿材料試驗(yàn)研究分兩步進(jìn)行。第一步,優(yōu)選摻合料及外加劑的最佳摻量。新型帷幕灌漿材料選用的摻合料及外加劑為:粉煤灰、膨潤(rùn)土、HEA膨脹劑、硅粉、FDN-3000高效減水劑,對(duì)用量較大的粉煤灰、膨潤(rùn)土和HEA 膨脹劑進(jìn)行摻合料及外加劑最佳摻量的優(yōu)選,對(duì)用量較少的FDN-3000高效減水劑和硅粉,其摻量采用生產(chǎn)廠家推薦的摻量。第二步,保持摻合料及外加劑摻量不變,按單摻和多摻的不向組合進(jìn)行摻合料及外加劑品種最佳組合優(yōu)選試驗(yàn),通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析,最終優(yōu)選出能顯著提高水泥漿體結(jié)石強(qiáng)度、抗?jié)B性能及抗巖溶水庫(kù)環(huán)境水侵蝕能力,干縮率小,能改善漿液可灌性和穩(wěn)定性的新型帷幕灌漿材料。
新型快速堵漏灌漿材料試驗(yàn)研究同樣分兩步進(jìn)行。第一步,對(duì)選用的外加劑或摻合料(凝結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)劑、快凝劑、速凝劑、超早強(qiáng)劑、水下抗分散劑、水玻璃和S 型瞬凝水泥)進(jìn)行初選,初選試驗(yàn)采用水泥凈漿法,只須檢驗(yàn)?zāi)Y(jié)時(shí)間、安定性和膠砂強(qiáng)度;第二步,根據(jù)初選試驗(yàn)結(jié)果,選擇凝結(jié)時(shí)間較快、膠砂強(qiáng)度較高的外加劑進(jìn)行漿液性能及漿液結(jié)石體物理力學(xué)性能試驗(yàn),通過(guò)綜合分析比較,最終優(yōu)選出漿液凝結(jié)時(shí)間較快且可調(diào)范圍大、流動(dòng)性大,漿液結(jié)石強(qiáng)度高的新型快速堵漏灌漿材料。
2.1.1 摻合料及外加劑摻量?jī)?yōu)選試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)粉煤灰、膨潤(rùn)土和HEA膨脹劑摻量的優(yōu)選采用正交設(shè)計(jì)法,每個(gè)因素各選3個(gè)水平(摻量):粉煤灰(0、15%、30%)、膨潤(rùn)土(0、5%、10%)、HEA膨脹劑(0、5%、10%),進(jìn)行L9(34)正交試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括:①漿液性能(相對(duì)稠度、析水率、凝結(jié)時(shí)間和比重);②漿液結(jié)石體力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù))。
試驗(yàn)結(jié)果表明:①在保持相對(duì)稠度不變(以水灰比W/C=0.8 純水泥漿液的相對(duì)稠度為準(zhǔn))即可灌性相同的條件下,與純水泥漿液相比,對(duì)漿液凝結(jié)時(shí)間和水固比影響的主要因素是膨潤(rùn)土的摻量,隨著摻量的增加,漿液水固比顯著增大,凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng);②對(duì)于漿液的析水率,膨潤(rùn)土的摻量無(wú)顯著影響,雙摻粉煤灰和HEA 膨脹劑,漿液的析水率有所下降,即漿液的穩(wěn)定性得到改善;③對(duì)于漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù),隨著膨潤(rùn)土摻量的增加,漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度直線下降,滲透系數(shù)顯著增大;膨潤(rùn)土摻5%時(shí),與5%HEA 膨脹劑在雙摻的情況下,抗壓強(qiáng)度降低37%,滲透系數(shù)增加約10 倍。而摻HEA 膨脹劑,隨著摻量的增加,漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度增加,滲透系數(shù)減小,HEA膨脹劑摻10%時(shí),與30%粉煤灰雙摻的情況下,漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度提高18%,滲透系數(shù)減小約10倍;摻量達(dá)到80%左右,這種趨勢(shì)變緩。粉煤灰摻至30%與HEA 膨脹劑雙摻,對(duì)漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)無(wú)顯著影響。
可見(jiàn),膨潤(rùn)土不宜摻用,粉煤灰適宜摻量為30%,HEA適宜摻量為8%。
2.1.2 摻合料及外加劑品種最佳組合優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)摻合料及外加劑摻量?jī)?yōu)選試驗(yàn)結(jié)果,粉煤灰摻量為30%,HEA膨脹劑摻量為8%,硅粉按廠家推薦摻量為8%,F(xiàn)DN-3000高效減水劑按廠家推薦摻量為0.5%,固定摻合料及外加劑摻量,按單摻或多摻共組成10個(gè)不同組合漿液配合比。即純水泥、水泥+粉煤灰、水泥+粉煤灰+HEA 膨脹劑、水泥+粉煤灰+硅粉、水泥+粉煤灰+HEA膨脹劑+硅粉及以上組合均摻FDN-3000高效減水劑。分別進(jìn)行試驗(yàn):①漿液性能(相對(duì)稠度、析水率、凝結(jié)時(shí)間和比重);②漿液結(jié)石體性能(抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)、侵蝕深度、抗蝕系數(shù)和干縮率試驗(yàn))。其中評(píng)價(jià)漿液結(jié)石體抗侵蝕性能指標(biāo)侵蝕深度和抗蝕系數(shù)采用10%NaHCO3溶液模擬巖溶水庫(kù)侵蝕性環(huán)境水浸泡試件進(jìn)行測(cè)試。
試驗(yàn)結(jié)果表明:①在漿液相對(duì)稠度即可灌性相同的條件下,與純水泥漿相比,單摻粉煤灰的組合即水泥+粉煤灰(摻量30%),其漿液結(jié)石體的抗侵蝕性能顯著提高,其中90 d 齡期侵蝕深度減小16%、抗蝕系數(shù)提高9%,干縮率有所減小,但其漿液析水率較大,析水率增加20%,漿液穩(wěn)定性較差。②雙摻粉煤灰、HEA 膨脹劑的組合即水泥+精煤灰(摻量30%)+HEA膨脹劑(摻量8%),其漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能及抗侵蝕性能均顯著提高,其中90 d齡期抗壓強(qiáng)度提高28%,滲透系數(shù)減小約10 倍,侵蝕深度減小30%,抗蝕系數(shù)增加11.5%。其結(jié)石體早期能產(chǎn)生適度的膨脹,28 d齡期膨脹率為0.46×10-4,后期干縮率明顯降低,90 d齡期干縮率降低51%,漿液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性亦有所改善。③摻用硅粉的雙摻和多摻組合即水泥+粉煤灰+硅粉與水泥+粉煤灰+HEA 膨脹劑+硅粉,其漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能及抗侵蝕性能均顯著降低,其中90 d 齡期抗壓強(qiáng)度降低30%以上,滲透系數(shù)增加10 倍以上,侵蝕深度增加26%以上,抗蝕系數(shù)減小16.7%以上。在上述單摻或多摻不同組合的基礎(chǔ)上摻用FDN-3000高效減水劑均能改善漿液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性,提高漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B性能和抗侵蝕性能。
綜上所述,能顯著提高水泥漿液結(jié)石體抗侵蝕性能、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性能,改善水泥漿液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性,有效減小水泥漿液結(jié)石體收縮,避免漿液結(jié)石后產(chǎn)生殘留縫隙的新型帷幕灌漿材料為:水泥+粉煤灰(摻量30%)+HEA膨脹劑(摻量8%)與水泥+粉煤灰(摻量30%)+HEAH 膨脹劑(摻量8%)+FDN-3000高效減水劑(摻量0.5%)。
新型快速堵漏灌漿材料選用的外加劑為凝結(jié)時(shí)間調(diào)節(jié)劑、快凝劑、速凝劑、超早強(qiáng)劑、水下抗分散劑、水玻璃和S 型瞬凝水泥。對(duì)外加劑的初選采用水泥凈漿法,只須檢驗(yàn)?zāi)Y(jié)時(shí)間、安定性和膠砂強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果表明:摻用速凝劑、快凝劑和水玻璃的水泥漿,其凝結(jié)時(shí)間較快,但其膠砂強(qiáng)度較低。其中摻速凝劑其初凝時(shí)間為9 min,28 d抗壓強(qiáng)度僅為純水泥的54%。摻用超早強(qiáng)劑和水下抗分散劑其膠砂強(qiáng)度較高,但其凝結(jié)時(shí)間較慢,初凝時(shí)間在1 h以上。只有S型瞬凝水泥,其凝結(jié)時(shí)間較快且膠砂強(qiáng)度較高。其初凝與終凝時(shí)間分別為21 min 和26 min,其膠砂抗壓強(qiáng)度比純水泥提高5%,因此,初選S型瞬凝水泥進(jìn)行漿液性能試驗(yàn)。
為了便于比較,采用目前快速堵漏灌漿材料常用的水玻璃與初選的S 型瞬凝水泥,按不同摻量進(jìn)行漿液凝結(jié)時(shí)間、相對(duì)稠度及漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:隨著S 型瞬凝水泥摻量的增加,漿液的凝結(jié)時(shí)間顯著加快,其結(jié)石體抗壓強(qiáng)度有所提高,后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較大,90 d齡期抗壓強(qiáng)度比28 d 增長(zhǎng)60%。而隨著水玻璃摻量的增加,其結(jié)石強(qiáng)度顯著降低,漿液的凝結(jié)時(shí)間加快幅度較小,漿液的相對(duì)稠度明顯增大。后期強(qiáng)度降低,90 d 齡期抗壓強(qiáng)度比28 d 降低3%??梢?jiàn),與傳統(tǒng)的快速堵漏灌漿材料水泥+水玻璃相比,以水泥+S型瞬凝水泥組成的新型快速堵漏灌漿材料具有凝結(jié)時(shí)間快、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)范圍大,漿液可灌性好,漿液結(jié)石體強(qiáng)度高,后期強(qiáng)度增長(zhǎng)大,耐久性好,適應(yīng)性廣等特點(diǎn)。
(1)摻合料及外加劑優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果表明:水泥+粉煤灰(摻量30%)+HEA 膨脹劑(摻量8%)與水泥+粉煤灰(摻量30%)+HEAH膨脹劑(摻量8%)+FDN-3000高效減水劑(摻量0.5%)作為新型帷幕灌漿材料,能顯著提高水泥漿液結(jié)石體抗侵蝕性能、抗壓強(qiáng)度及抗?jié)B性能,改善水泥漿液的流動(dòng)性和穩(wěn)定性,有效減小水泥漿液結(jié)石體收縮,避免漿液結(jié)石后產(chǎn)生殘留縫隙。
(2)新型快速堵漏灌漿材料試驗(yàn)結(jié)果表明:水泥+S型瞬凝水泥作為新型快速堵漏灌漿材料,減小了凝結(jié)時(shí)間、擴(kuò)大了凝結(jié)時(shí)間可調(diào)范圍,提高了漿液可灌性、耐久性、適應(yīng)性和漿液結(jié)石體強(qiáng)度,增加了后期強(qiáng)度。