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摘要:為研究動水條件下抗分散注漿材料的工程特性，室內對不同配比的非水泥基注漿材料展開了單軸抗壓強度試驗、抗沖刷效果試驗以及掃描電子顯微鏡(SEM)試驗。研究發現，膠凝材料的摻量為300g時，注漿塊石的抗壓強度最大，為41.05MPa;動水沖刷下非水泥基水下抗分散注漿材料的抗動水沖蝕性良好。研究成果為水利工程注漿修復提供了借鑒作用。
關鍵詞:水利工程;注漿修復;注漿材料;水下抗分散;非水泥基
傳統的水泥基材料，在未形成膠凝體前，在強動水條件下漿液容易發生流失，治理效果差，質量難以保證，因此采用非水泥基抗分散注漿材料對底板及邊墻進行加固處理具有良好的應用前景［1］。王學偉等［2-3］基于研究工程項目，指出非水泥類膠凝材料在水利工程注漿加固中的應用，并詳細對比了水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料各自的優勢和劣勢，多角度驗證了非水泥基注漿材料在水利工程注漿工作中的特殊優勢。部分學者也試圖通過引入其他材料對水泥基注漿材料的工程性能進行改良，并且取得了一定的效果，但改良后的水泥基注漿材料仍存在一定的局限性，反映出了水泥基注漿材料的共性問題，如水下抗分散性差［4-5］。綜上所述，水泥基注漿材料和非水泥基注漿材料均存在一定的應用局限性，本次研究在室內制備了不同配比的非水泥基水下抗分散注漿材料，并對其展開了單軸抗壓強度試驗、抗沖刷效果試驗以及掃描電子顯微鏡(SEM)試驗，深入研究了動水條件下抗分散注漿材料的工程特性。
1工程背景
本次研究以新疆塔里木河流域某地排水溝道加固工程為研究對象，對不同配比的新型非水泥基水下抗分散注漿材料的現場應用性能展開了研究。根據現場勘察結果，該排水溝加固工程的主體結構為漿砌塊石。排水溝的漿砌塊石在長時間動水沖刷作用下，其底板及邊墻出現了嚴重的損傷問題;此外，在水流沖刷下，膠結物逐漸流失并失去膠凝作用，內部塊石裸露。因此，為保持該工程的長期安全性，需要及時開展工程治理工作，對排水溝底板及邊墻結構進行修補加固。此外，通過對流域某處的水體進行取樣測試，發現水的pH值為8～8.3，呈現弱堿性?，F場實測動水平均流速約為0.65m/s，動水流速高。
2現場澆筑與試驗檢測
2.1現場澆筑
基于現有關于水下抗分散注漿材料，室內制備了5種不同配比的注漿材料，且控制變量為注漿膠凝材料的摻量。根據現有關于水下抗分散注漿材料的試驗研究，可知非水泥基注漿材料的主要成分為膠凝材料、水、水玻璃和黃原膠，且最佳質量比為水:膠凝材料:水玻璃:黃原膠=300∶657.3∶240∶2.7。本次試驗中，控制水、黃原膠和水玻璃質量不變，設計5組不同的注漿材料中的膠凝材料的質量分別為250、275、300、325和350g(A1～A5)，且所使用的非水泥基膠凝材料為糯米灰漿。試驗場地為開放場地，現場材料配置好后，采用澆筑方式對塊石表面進行加固，無需特殊設備進行灌漿，將材料均勻地鋪攤在塊石表面后整平。
2.2試驗檢測
為研究不同配比條件下非水泥基水下抗分散注漿材料的綜合工程性能，本次共設計了3組不同試驗研究，分別為單軸抗壓強度試驗、抗沖刷效果試驗以及掃描電子顯微鏡(SEM)試驗。①單軸抗壓強度試驗。首先，利用巖石取芯設備在注漿養護28d后的塊石上取樣，取得高度為100mm、直徑為50mm的標準巖芯試樣。其次，室內利用巖石力學萬能試驗機對其開展單軸壓縮試驗，采用位移控制模式，加載速度為0.1mm/min。每個配比的試樣分別開展5次單軸壓縮試驗，篩選去除不合理數據后取平均值，得到注漿結石塊體的單軸抗壓強度均值。②抗沖刷效果試驗。對巖石塊體進行注漿結塊，并在注漿24h和72h后觀察注漿結石塊體的表面形態以及注漿材料的流失情況，確定非水泥基注漿材料的水下抗分散效果。③微觀電鏡掃描試驗。利用S-4800型場發射掃描電子顯微鏡對單軸壓縮破壞后的結石塊體斷裂面進行掃描和觀測，了解非水泥基水下抗分散注漿材料加固塊石及抗水動力沖刷能力的微觀機理。
3注漿加固性能分析
3.1抗壓強度分析
為分析非水泥基抗分散注漿材料動水加固效果，室內對不同配比注漿材料注漿養護后的塊石開展了單軸壓縮力學試驗，得到如圖1所示的試驗結果。從圖中可以看出，非水泥基抗分散注漿材料注漿加固后的巖石塊體的單軸抗壓強度較高，不同配比下塊體的單軸抗壓強度分別為35.35、37.26、41.05、38.11、36.33MPa。這表明，隨著注漿材料中膠凝材料含量的增加，注漿加固后塊石的抗壓強度呈現出先逐漸增大后慢慢變小的變化趨勢。注漿加固后，塊石的最大抗壓強度為41.05MPa，此時膠凝材料的摻量為300g;塊石的最小抗壓強度為35.35g，此時膠凝材料的摻量為250g。分析認為，當膠凝材料含量較少時，其在注漿加固過程中不能起到有效的凝結作用，因此加固后的塊石強度低;而當膠凝材料含量過高時，其流動性變差，不能有圖1注漿結石塊體單軸抗壓強度效地充填塊石中的縫隙，因此，注漿加固后的塊石的單軸抗壓強度也會降低。綜上所述，當注漿材料中膠凝材料摻量為300g時，其對塊石的注漿加固效果最好、力學性能最強。
3.2抗沖刷效果分析
基于單軸壓縮試驗結果，對A3組試樣展開動水條件下注漿材料的水下抗分散試驗，將試驗材料澆筑在塊石表面后，將其置于動水(流速為0.65m/s)條件下，分別經過24h和72h的沖刷后，對其表觀形態進行觀測。由圖2可知，在動水的持續沖刷下，成型后的注漿材料在外觀形貌上未發生明顯改變。由此可見，動水沖刷下非水泥基水下抗分散注漿材料具備優秀的抗動水沖蝕能力，其能夠為注漿加固后的塊石提供較好的基礎參數。
3.3微觀結構分析
為了解非水泥基水下抗分散注漿材料加固塊石及抗水動力沖刷能力的微觀機理，對單軸壓縮破壞后的A3組試樣進行取樣、切割并展開掃描試驗，得到斷面的微觀掃描結果，如圖3所示。從斷面的微觀掃描結果可以看出，A3組非水泥基水下抗分散材料能夠有效填充塊石層空隙，且膠結物致密。分析認為，非水泥基水下抗分散材料在水下的良好注漿效果主要來自漿液吸附和漿液充填作用。非水泥基水下抗分散材料具有很高的抗動水沖蝕能力，且其注漿后對塊石層加固效果較好，能夠形成水下正常的結石體;此外，漿液結石體具有微膨脹性，因此硬化漿體能對塊石層孔隙充填緊密。
4結論
(1)隨著注漿材料中膠凝材料含量的增加，注漿加固后塊石的抗壓強度呈現出先逐漸增大后慢慢變小的變化趨勢。注漿加固后，塊石的最大抗壓強度為41.05MPa，此時膠凝材料的摻量為300g。(2)經過動水24h和72h的持續沖刷后，成型后的注漿材料在外觀形貌上未發生明顯改變。微觀試驗結果表明，非水泥基水下抗分散材料在水下的良好注漿效果主要來自漿液吸附和漿液充填作用。(3)本次研究僅對少數參數開展了試驗，而未對注漿材料的凝結時間、流動性等參數開展研究，下一步研究應當考慮更多方面的因素。
作者：周翔 單位：塔里木河流域工程建設處