富水隧洞注浆用水泥水玻璃浆液室内配比试验研究

孙星亮，张岳峰

(石家庄铁道大学 土木工程学院，河北 石家庄 050043)

1 工程概况

2 试验思路

1)如何快速处理各类地质状况下的注浆加固是目前亟待解决的关键问题。尤其在富水隧洞注浆工程中，要根据涌水量大小、围岩破碎程度等情况适时调节注浆浆液配比，改变浆液性能，以满足在隧道涌水条件下可以速凝且胶凝时间可控、可注性好、不易被水冲散等工程要求[3-4]。

2)利用正交试验方法来指导试验可以实现用较少的试验因素达到科学覆盖的目标[3]。

3)速凝浆液的优选采取正交试验法，根据正交性从试验中挑选出部分有代表性的点进行分析，这些点具备“均匀分散，齐整可比”的特点[5-8]。根据选材范围，设计三因素三水平的正交试验。从浆液各组分反应机理[9]上分析，各外加剂相互不发生反应，可不考虑各试验因素的交互影响，按L9(33)正交表安排试验，只需作9次，大大减少了工作量。

4)分析缓凝剂单因素对水泥浆液胶凝性质的影响。

3 室内试验

3.1 试验材料和仪器

1)试验材料

普通硅酸盐水泥;水玻璃(波美度39 Be′，模数3.3);促凝剂A(铝酸钙);促凝剂B(聚丙烯酰胺);缓凝剂(磷酸二氢钠);萘系高效减水剂。

2)试验仪器

维卡仪;旋转黏度仪;300 mL烧杯;1 500 mL量杯;100 mL量筒;电子秤(精度1 g);三轴液压仪;模具(7.07 cm×7.07 cm);水桶;水盆若干。

3.2 正交试验因素及其水平的确定

针对试验目的，即优选促凝效果显著的混合浆液，选取促凝剂、减水剂、水玻璃作为试验因素。

3.2.1 水玻璃掺量范围的确定

图1 复合浆液胶凝时间随水玻璃掺量变化曲线,

由图1可见:水玻璃掺量从10%增至15%时胶凝时间急剧缩短;掺量15%以后，随着水玻璃掺量的增加胶凝时间进一步增长，但变化相对平缓。单从胶凝时间最短来看，水玻璃掺量在15%左右比较合理。

在此基础上测定不同水玻璃掺量下复合浆液凝结14 d结实体抗压强度,结果见图2。

图2 结实体抗压强度随水玻璃掺量变化曲线

由图2可见:在掺量20%时结实体抗压强度最大，所以正交试验水玻璃掺量这一因素的3个水平应以20%为中心，确定为15%，20%，25%。

实际工程中衬砌会分担相当一部分水压力，所以浆液速凝的工程意义更显著。与结实体抗压强度相比,胶凝时间是更主要因素。故正交试验中水玻璃掺量这一因素的3个水平确定为10%，15%，20%。

3.2.2 促凝剂和减水剂掺量范围的确定

从促凝剂和减水剂反应机理来看，其互相不发生反应，所以可不考虑其交互影响。采取水灰比1∶1，水玻璃掺量15%，分别测试促凝剂A(铝酸钙)掺量1%，2%，3%情况下和促凝剂B(聚丙烯酰胺)掺量1%，2%，3%情况下复合浆液的胶凝时间，结果见表1、表2。

表1 促凝剂A胶凝时间

表2 促凝剂B胶凝时间

由表1和表2可见:促凝剂A(铝酸钙)的胶凝时间与促凝剂B(聚丙烯酰胺)相差明显，故正交试验排除促凝剂A(铝酸钙)这一因素。

由于工程采用双液浆注浆，水泥和添加剂一路，水玻璃一路，故需保证每一路浆液的可注性[10]。在水灰比1∶1的水泥净浆基础上添加促凝剂B(聚丙烯酰胺，掺量分别为1.0%，1.5%，2.0%)，观察混合浆液流动性，结果见表3。

表3 促凝剂B对浆液流动性的影响

由表3可知：促凝剂B(聚丙烯酰胺)促凝效果显著，但随着掺量的增加，混合浆液黏度过大(大于1 500 mPa·s)，不满足稳定可注的要求，因此在充分保证促凝剂促凝效果的同时须要降低混合浆液初配黏度，掺加减水剂。从经济性方面考虑减水剂控制在3%以内。

由以上试验确定正交试验各因素及其水平，见表4。

表4 各试验因素及其水平

3.3 正交试验优选分析

各试验因素对浆液胶凝时间的影响及其极差分析结果分别见表5、表6。

表5 各试验因素对浆液胶凝时间的影响

表6 基于胶凝时间的极差分析结果

注：K为各因素水平对应的试验指标之和;k为K的均值。

各试验因素对结实体抗压强度的影响及其极差分析结果分别见表7、表8。

表7 各试验因素对复合浆液凝结后结实体抗压强度的影响

表8 基于抗压强度的极差分析结果

由表5—表8可知：

1)因素A(水玻璃掺量)对胶凝时间和抗压强度的影响都排在所有试验因素第1位，因素水平可取A2或A3，但取A2时凝结时间比取A3时缩短13.3%，抗压强度增大11.2%，考虑到凝结时间比抗压强度是更主要的因素，故取A2。同理B取B1。因素C可取C1或C2，但取C2时胶凝时间比取C1时缩短了2.0%，抗压强度增加了5.7%，故取C2。

2)因素B(促凝剂B掺量)不同因素水平对结石体抗压强度影响的极差分别为0.43，0.26，0.19，可见在不同促凝剂掺量下结石体抗压强度变化幅度十分有限，其促凝、增加流动性的作用相对更加显著。

最终确定的优组合为A2B1C2，即15%水玻璃，1%促凝剂B，2%减水剂。优组合为A2B1C2的混合溶液经电子黏度计测定，初配黏度为800 mPa·s(<1 200 mPa·s)，满足可注性要求。

3.4 缓凝剂效果试验

根据不同工程需求，有时需从可注性出发，延缓浆液胶凝时间，因此将缓凝剂作为单一外加剂并调整掺量，观测其对浆液性质的影响，结果见图3。

图3 胶凝时间随缓凝剂掺量变化曲线

由图3可见：随着缓凝剂掺量的增加胶凝时间呈递增趋势。在缓凝剂掺量n≤0.6%时胶凝时间增长不显著，n≥0.6%时随着缓凝剂掺量的增加，胶凝时间显著增长。

4 浆液配比方案

表9 稳定性浆液3种配比方案

5 结论

通过室内试验和正交极差分析，以胶凝时间和结实体抗压强度作为基本性能指标对混合浆液进行控制，得出以下结论：

1)对于混合水泥浆液，无论是胶凝时间还是结实体抗压强度，水玻璃掺量都是最主要的影响因素，但促凝剂、减水剂、缓凝剂对降低混合浆液胶凝时间有着显著效果，且胶凝时间对掺量的变化十分敏感。

2)综合考虑可注性好、不易被水冲散2项指标，提出了3种浆液配比方案，可根据工程实际情况如涌水量大小、是否为岩溶地质等灵活选用。