劉寧愷，潘東江，溫時(shí)雨，劉海寧，周建軍，李治國(guó)

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001; 2.華北水利水電大學(xué)巖土工程與水工結(jié)構(gòu)研究院，河南 鄭州 450046；3.中鐵開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650200)

0 引言

軟巖因其低強(qiáng)度、強(qiáng)流變、破碎、易風(fēng)化等復(fù)雜特性，長(zhǎng)期以來(lái)都是工程建設(shè)中關(guān)注的重點(diǎn)[1]，在具有高地應(yīng)力、高溫、高水壓等復(fù)雜環(huán)境特點(diǎn)的隧道工程中更是不可忽視的難題[2]。例如：滇中引水工程香爐山隧洞穿越泥巖、頁(yè)巖、砂巖等軟弱地層，在施工過(guò)程中涉及的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等問(wèn)題較多，施工難度較大[3-4]。在軟巖地層中進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí)，會(huì)引起圍巖應(yīng)力重新分布，導(dǎo)致出現(xiàn)大體積的塌方和變形，嚴(yán)重威脅施工設(shè)備和人員安全，且隧道建成后的潛在隱患較多，使用壽命大幅縮短[5-8]。

注漿加固是解決軟巖失穩(wěn)的有效方法，而注漿材料的選擇至關(guān)重要。目前，市面上的注漿材料大體分為水泥注漿材料、水泥-水玻璃注漿材料和高分子化學(xué)注漿材料3大類(lèi)[9]。泥質(zhì)軟巖存在自愈合性[10]，受到工程擾動(dòng)時(shí)，裂隙會(huì)變得更加細(xì)微[11]，而粒徑較大的水泥注漿材料存在滲濾效應(yīng)[12-14]，無(wú)法對(duì)泥質(zhì)軟巖進(jìn)行均勻有效加固；水泥-水玻璃漿材在承受長(zhǎng)期荷載時(shí)，強(qiáng)度會(huì)有所降低，耐久性差[15]；高分子化學(xué)注漿材料具有低初始黏度、良好的滲透性等特點(diǎn)，但具有毒性，施工過(guò)程中容易造成水污染，目前在我國(guó)已不再使用[16]。

硅溶膠具有納米粒徑、低初始黏度、高滲透性等突出特點(diǎn)[17]，滿(mǎn)足泥質(zhì)軟巖加固要求，且硅溶膠為二氧化硅的水溶液，本身無(wú)臭無(wú)味無(wú)毒；但硅溶膠早期強(qiáng)度較低(小于0.1 MPa)，無(wú)法滿(mǎn)足工程需求，必須對(duì)其進(jìn)行改性以提高自身強(qiáng)度。鋁酸鹽水泥具有早期強(qiáng)度高、抗侵蝕性強(qiáng)、耐高溫等特點(diǎn)，但可注性較差[18-19]，可利用多種組分性能的超疊效應(yīng)(即1+2≥3)[20]，充分發(fā)揮其優(yōu)良特性的組合效果，克服單一品種的性能缺陷。因此，將硅溶膠與鋁酸鹽水泥復(fù)合，來(lái)提高硅溶膠固結(jié)體強(qiáng)度，同時(shí)相對(duì)于純鋁酸鹽水泥漿來(lái)說(shuō)可注性也得以改善。但是，初步試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，直接將硅溶膠與鋁酸鹽水泥復(fù)合會(huì)出現(xiàn)結(jié)石率低、固結(jié)體收縮開(kāi)裂等問(wèn)題，導(dǎo)致漿材本身對(duì)泥質(zhì)軟巖的加固作用較弱。

綜上，本文提出一種納米硅溶膠-鋁酸鹽水泥復(fù)合漿材設(shè)計(jì)思路，并開(kāi)展試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化，研究不同摻加劑對(duì)漿材結(jié)石率和開(kāi)裂性能的影響特征；同時(shí)，進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)和凝膠時(shí)間試驗(yàn)，得出各摻加劑對(duì)復(fù)合漿材強(qiáng)度和凝膠時(shí)間的影響規(guī)律。在結(jié)石率低和干縮開(kāi)裂問(wèn)題得到解決的前提下，以強(qiáng)度為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)、凝膠時(shí)間為次要評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合得出優(yōu)化漿材性能的外加劑種類(lèi)和推薦摻量；最后，選取滇中引水工程香爐山隧洞的泥巖進(jìn)行顯微硬度試驗(yàn)，評(píng)價(jià)優(yōu)化后的漿材對(duì)泥巖的加固效果。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 漿材基體

漿材基體包括納米硅溶膠和鋁酸鹽水泥2部分。其中，納米硅溶膠如圖1所示，型號(hào)為JN30，平均粒徑為8～15 nm，二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29%～31%，pH值為9～11，密度為1.2 g/cm3。鋁酸鹽水泥如圖2所示，采用回轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn)，型號(hào)為CA50-A900，氧化鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%～60%，比表面積為400～450 m2/kg。

圖1 納米硅溶膠

圖2 鋁酸鹽水泥

1.1.2 提高結(jié)石率試驗(yàn)材料

葛延明等[21]研究發(fā)現(xiàn)硅酸鈉需要消耗自由水來(lái)參與水泥水化反應(yīng)，且水化產(chǎn)物有絮凝作用，同樣可以減少體系中的自由水，從而降低析水率，提高結(jié)石率。在鋁酸鹽水泥中加入微量普通硅酸鹽水泥會(huì)使體系中水化反應(yīng)加劇，漿液內(nèi)部顆粒劇烈運(yùn)動(dòng)，也可提高結(jié)石率[22-23]。因此，本文選取硅酸鈉和硅酸鹽水泥來(lái)進(jìn)行提高結(jié)石率的相關(guān)試驗(yàn)。其中，硅酸鈉為AR分析純，呈白色粉末狀；硅酸鹽水泥為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

1.1.3 防治開(kāi)裂試驗(yàn)材料

硅灰平均粒徑為0.1～0.2 μm，加入泥漿中具有填充效應(yīng)，可起到防治開(kāi)裂的效果。氧化鎂加入到漿液中水化生成氫氧化鎂晶體[24]，填充到裂縫中，可對(duì)干縮裂縫起到防治作用。氧化鈣在泥漿中發(fā)生水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣晶體，造成固相體積增加，且水化產(chǎn)物聚集時(shí)會(huì)導(dǎo)致漿材體積膨脹，能達(dá)到防止開(kāi)裂的目的。可再分散乳膠粉加入到水泥中，可以在水泥水化物表面形成一種聚合物薄膜，可以有效吸收裂紋擴(kuò)展時(shí)需要的能量，從而改善水泥收縮開(kāi)裂性能。綜上，選取硅灰、氧化鎂、氧化鈣和可再分散乳膠粉進(jìn)行防治開(kāi)裂試驗(yàn)。

其中，硅灰的二氧化硅質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96%；氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)在98%以上，相對(duì)分子質(zhì)量為56.08，純度規(guī)格為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 凝膠時(shí)間試驗(yàn)方法

凝膠時(shí)間的測(cè)量依據(jù)GB/T 22235—2008《液體黏度的測(cè)定》，采用倒杯法。測(cè)試步驟為：1)快速按照配比配置200 mL的漿液，倒入A杯中，并開(kāi)始計(jì)時(shí)；2)手持A、B 2杯，將漿液反復(fù)倒杯，直到漿液不再流動(dòng)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間為凝膠時(shí)間。

1.2.2 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

抗壓強(qiáng)度測(cè)量依據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，將漿材制備成40 mm×40 mm×160 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，然后用CMT4504型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定每一組試樣的3 d抗壓強(qiáng)度。

1.2.3 結(jié)石率試驗(yàn)方法

結(jié)石率的測(cè)定方法為：按照配比制備200 mL注漿液，倒入量程為250 mL的玻璃量筒中，然后用保鮮膜將量筒口密封，在室溫條件下靜置觀察，待72 h后讀取量筒中下部結(jié)石體的刻度和最終總刻度，再根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)石率P。

(1)

式中：V為下部結(jié)石體的體積，mL；V0為最終結(jié)石體加析出液體的總體積，mL。

1.2.4 開(kāi)裂試驗(yàn)方法

在開(kāi)裂試驗(yàn)方面，目前沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)范試驗(yàn)可參考。實(shí)驗(yàn)室較為常用的方法為人工法，即人工觀測(cè)開(kāi)裂裂紋的長(zhǎng)度、走向等，并以此為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)開(kāi)裂性能。隨著數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，也有學(xué)者將圖像技術(shù)運(yùn)用于檢測(cè)裂紋中，但這種檢測(cè)方法只能用于已經(jīng)開(kāi)裂的房屋、橋梁、路面等的裂縫評(píng)價(jià)。此外，還有平板試驗(yàn)方法，該方法主要反映四邊約束條件下混凝土早期開(kāi)裂情況[25-26]。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件和試驗(yàn)本身需求，本文決定采用人工法進(jìn)行開(kāi)裂試驗(yàn)。

先按照設(shè)計(jì)配合比配制漿液，然后倒入40 mm×40 mm×160 mm的模具中，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)72 h，成型脫模，進(jìn)行人工觀察，統(tǒng)計(jì)試塊表面裂縫長(zhǎng)度。以裂縫長(zhǎng)度為指標(biāo)進(jìn)行防治開(kāi)裂效果評(píng)價(jià)。

1.2.5 界面過(guò)渡區(qū)試驗(yàn)方法

采用OU2562型全自動(dòng)顯微硬度計(jì)進(jìn)行界面過(guò)渡區(qū)試驗(yàn)。將現(xiàn)場(chǎng)取樣的整體巖塊擊碎成平均塊度5 mm的碎塊，放入尺寸為50 mm×100 mm的圓柱形模具中，之后按照配比制備足量注漿液注入模具中，直至將模具完全灌滿(mǎn)，隨后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。試樣固結(jié)成型后，將底面進(jìn)行磨平、拋光等程序，使底面平整且類(lèi)似于鏡面。在巖-漿界面附近適宜位置，以20 μm等間距從巖體向漿體進(jìn)行打點(diǎn)，測(cè)定顯微硬度和界面過(guò)渡區(qū)寬度。

1.3 試驗(yàn)方案和設(shè)計(jì)配比

按照1.1節(jié)中選取的外加劑，在合理范圍內(nèi)設(shè)置摻量梯度，設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案探究各類(lèi)外加劑對(duì)復(fù)合漿材的性能優(yōu)化效果。針對(duì)提高結(jié)石率的試驗(yàn)配比方案見(jiàn)表1，針對(duì)干縮開(kāi)裂防治的試驗(yàn)配比方案見(jiàn)表2。

表1 提高結(jié)石率試驗(yàn)配比

表2 防治開(kāi)裂試驗(yàn)配比

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 提高結(jié)石率相關(guān)試驗(yàn)

2.1.1 提高結(jié)石率相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果

在結(jié)石率達(dá)到100%的前提下，以3 d強(qiáng)度為主要參考指標(biāo)、凝膠時(shí)間為次要參考指標(biāo)，綜合優(yōu)選出適宜的提高結(jié)石率的添加劑種類(lèi)和摻量。

根據(jù)表1中的試驗(yàn)配比，配制足量的漿材，參照1.2節(jié)中的結(jié)石率試驗(yàn)原理開(kāi)展結(jié)石率測(cè)定試驗(yàn)，如圖3所示。同期，按照1.2節(jié)中的原理進(jìn)行凝膠時(shí)間試驗(yàn)、力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 結(jié)石率測(cè)定試驗(yàn)

表3 提高結(jié)石率相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3試驗(yàn)結(jié)果得到外加劑摻量-結(jié)實(shí)率關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖4)、外加劑摻量-3 d抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖5)和外加劑摻量-凝膠時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖6)。

圖4 外加劑摻量-結(jié)石率關(guān)系曲線(xiàn)

圖5 外加劑摻量-3 d抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)

圖6 外加劑摻量-凝膠時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)

2.1.2 提高結(jié)實(shí)率相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.2.1 結(jié)石率試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖4可知，隨著硅酸鈉和普通硅酸鹽水泥的摻量增加，漿材結(jié)石率均逐漸升高。當(dāng)硅酸鈉或普通硅酸鹽水泥摻量達(dá)到鋁酸鹽水泥的1%時(shí)，結(jié)石率達(dá)到100%。對(duì)摻加硅酸鈉和硅酸鹽水泥使得結(jié)石率升高的原因進(jìn)行分析，一是外加劑消耗泥漿中的自由水來(lái)參與水化反應(yīng)，使得漿材析水率降低，結(jié)石率提高；二是加入外加劑以后，由于水化放熱加劇，導(dǎo)致漿材內(nèi)部的分子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)更加劇烈，從而在一定程度上降低了漿材的析水率，使得結(jié)石率明顯提高。

2.1.2.2 3 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖5可知，隨著硅酸鈉的摻量增加，漿材固結(jié)體的3 d抗壓強(qiáng)度整體呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明硅酸鈉的摻入會(huì)降低復(fù)合漿材的早期強(qiáng)度。硅酸鈉的摻入使得泥漿液內(nèi)部分子劇烈運(yùn)動(dòng)，水化產(chǎn)物快速沉淀凝膠，未完全緊密結(jié)合，所以造成早期抗壓強(qiáng)度衰減。當(dāng)硅酸鈉摻量為1%及以上時(shí)，結(jié)石率達(dá)到100%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的3 d抗壓強(qiáng)度為0.65～1.3 MPa。隨著硅酸鹽水泥的摻量增加，3 d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，說(shuō)明在鋁酸鹽水泥中加入微量的硅酸鹽水泥可起到提高早期強(qiáng)度的作用。摻入硅酸鹽水泥以后，水化反應(yīng)產(chǎn)物含有一定量的C-S-H凝膠，這些凝膠填充在水化物的晶體間，使得漿液的密實(shí)度增加，從而起到提高早期強(qiáng)度的作用。當(dāng)滿(mǎn)足結(jié)石率為100%時(shí)，即硅酸鹽水泥摻量為1%及以上時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度為0.39～0.5 MPa。

2.1.2.3 凝膠時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖6可知，隨著外加劑摻量增加，凝膠時(shí)間呈下降趨勢(shì)，硅酸鈉和普通硅酸鹽水泥在復(fù)合漿材中起到促凝的作用。隨著外加劑摻量的增加，漿材中的水化反應(yīng)愈發(fā)激烈，導(dǎo)致硅酸鈣、水化鋁酸三鈣等水化產(chǎn)物迅速增多并快速沉淀，使得漿液凝膠時(shí)間越來(lái)越短。

2.1.3 提高結(jié)石率相關(guān)試驗(yàn)小結(jié)

經(jīng)過(guò)結(jié)石率試驗(yàn)可知，當(dāng)硅酸鹽水泥或者硅酸鈉的摻量達(dá)到1%及以上時(shí)，注漿液的結(jié)石率達(dá)到100%。由力學(xué)試驗(yàn)得出，在滿(mǎn)足100%結(jié)石率的條件下，摻加硅酸鈉的漿材固結(jié)體的強(qiáng)度比摻加硅酸鹽水泥時(shí)高；且從凝膠時(shí)間考慮，添加硅酸鈉時(shí)對(duì)應(yīng)的凝膠時(shí)間比添加硅酸鹽水泥時(shí)長(zhǎng)，更接近實(shí)際工程操作時(shí)間。綜上所述，決定采用硅酸鈉來(lái)提高結(jié)石率，且推薦摻量為鋁酸鹽水泥的1%。

2.2 防治開(kāi)裂相關(guān)試驗(yàn)

2.2.1 防治開(kāi)裂相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果

在開(kāi)裂問(wèn)題得到完全解決的前提下，以3 d抗壓強(qiáng)度為主要參考指標(biāo)、凝膠時(shí)間為次要參考指標(biāo)，綜合優(yōu)選出適宜的添加劑種類(lèi)和摻量。

在進(jìn)行收縮開(kāi)裂的防治試驗(yàn)時(shí)，考慮前期在結(jié)石率方面進(jìn)行的性能優(yōu)化，將試驗(yàn)確定的硅酸鈉1%摻量作為常規(guī)配比，用于后續(xù)試驗(yàn)；再結(jié)合表2配比，制備漿材進(jìn)行防治開(kāi)裂相關(guān)的各項(xiàng)試驗(yàn)。制備的開(kāi)裂試驗(yàn)試塊如圖7所示。

圖7 開(kāi)裂試驗(yàn)試塊

根據(jù)開(kāi)裂試驗(yàn)原理，在漿材制樣72 h后進(jìn)行人工觀察，統(tǒng)計(jì)每個(gè)配比下固結(jié)體表面的裂縫長(zhǎng)度；并按照1.2節(jié)中的試驗(yàn)方法，分別對(duì)每個(gè)配比下的注漿液進(jìn)行3 d力學(xué)試驗(yàn)和凝膠時(shí)間試驗(yàn)，作為輔助參考。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 防治開(kāi)裂相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果

由表4試驗(yàn)結(jié)果得到外加劑摻量-裂縫長(zhǎng)度關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖8)、外加劑摻量-3 d抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖9)和外加劑摻量-凝膠時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)(見(jiàn)圖10)。

2.2.2 防治開(kāi)裂相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.2.1 開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖8(a)可知，隨著硅灰和可再分散乳膠粉的摻量增加，裂縫長(zhǎng)度呈較為明顯的下降趨勢(shì)，摻加硅灰的固結(jié)體裂縫由33 mm下降至17 mm，摻加可再分散乳膠粉的固結(jié)體裂縫由36 mm下降至18 mm；2種外加劑防治裂縫有較積極作用但未完全防治。硅灰為納米級(jí)粒徑，可填充于混凝土孔隙中，起填充功效，因此對(duì)注漿液的干縮開(kāi)裂有一定作用。而可再分散乳膠粉在水泥漿中可形成一種聚合物，這種聚合物包圍在水泥水化物表面，吸收了水泥生成裂紋時(shí)所需要的能量，從而減緩其干縮開(kāi)裂。

由圖8(b)可知，摻加氧化鎂的試驗(yàn)組出現(xiàn)裂縫時(shí)長(zhǎng)度為4 mm或6 mm，在摻加量為0.5%～0.6%時(shí)，未出現(xiàn)裂縫，但當(dāng)摻量繼續(xù)增加時(shí)裂縫又重新出現(xiàn)。氧化鎂加入到泥漿中早期水化反應(yīng)生成氫氧化鎂晶體，后期晶體間結(jié)晶力導(dǎo)致混凝土進(jìn)一步膨脹，晶體填充和體積膨脹共同促進(jìn)泥漿固結(jié)體裂縫愈合；但是，過(guò)多的氧化鎂會(huì)導(dǎo)致膨脹過(guò)大，裂縫再次出現(xiàn)，因此氧化鎂摻量存在最優(yōu)范圍。氧化鈣試驗(yàn)組均未出現(xiàn)裂縫，裂縫長(zhǎng)度為0。氧化鈣加入泥漿后，水化生成極其微小的CH晶體，填充到漿體結(jié)構(gòu)的空隙中，其中一部分游離的CH晶體還會(huì)使?jié){材體積膨脹，導(dǎo)致漿材自身收縮裂縫得以治愈。

(a)

2.2.2.2 3 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖9(a)可知，隨著硅灰的摻量增多，3 d抗壓強(qiáng)度總體呈上升趨勢(shì)。分析其原因，一是硅灰比表面積大，漿材內(nèi)部的毛細(xì)水被約束，減少了泌水，提高了泥漿之間的黏結(jié)；二是硅灰粒徑較小，可填充到水泥顆?？障叮沟媒Y(jié)構(gòu)更加密實(shí)，造成強(qiáng)度增大。隨著可再分散乳膠粉的摻量增加，試塊3 d抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。其原因?yàn)榭稍俜稚⑷槟z粉可以誘導(dǎo)空氣進(jìn)入漿液，使?jié){液中存在微小氣孔，改變了漿材密實(shí)度，延緩了水泥水化，造成漿材早期強(qiáng)度降低。

由圖9(b)可知，隨著氧化鎂的摻量增加，漿材固結(jié)體的3 d抗壓強(qiáng)度先是下降，隨后又逐漸上升；但是摻量最小和最大時(shí)的強(qiáng)度值基本持平，由此判斷氧化鎂對(duì)復(fù)合漿材的強(qiáng)度無(wú)明顯影響。其原因?yàn)檠趸V在漿材中參與水化反應(yīng)生成氫氧化鎂晶體填充水泥孔隙的同時(shí)，也會(huì)使?jié){材發(fā)生膨脹，增加多余的孔隙，因此2方面因素互補(bǔ)，使得漿材的早期強(qiáng)度無(wú)變化。氧化鈣摻量從0.3%增加到0.6%的過(guò)程中，試塊的3 d抗壓強(qiáng)度逐漸升高，之后又逐漸降低；氧化鈣摻量為0.6%時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。前期氧化鈣摻量較少時(shí)水化反應(yīng)生成的聚合物封堵水泥漿的孔隙，使得密實(shí)度增加，強(qiáng)度上升；但是，隨著摻量再增加，氧化鈣的微膨脹作用起主導(dǎo)地位，使得泥漿中新生的孔隙增多，密實(shí)度下降，強(qiáng)度下降。

(a)

2.2.2.3 凝膠時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖10可知，隨著硅灰替換鋁酸鹽水泥量增加，凝膠時(shí)間呈升高的趨勢(shì)，其原因?yàn)殡S著硅灰替換鋁酸鹽水泥的量增加，漿材中初期參與水化反應(yīng)的水泥量減少，降低了初期水化熱，減少了初期溫度對(duì)凝膠時(shí)間的影響，導(dǎo)致凝膠時(shí)間升高。而可再分散乳膠粉、氧化鎂和氧化鈣這3種外加劑，隨著摻量增加，凝膠時(shí)間呈下降的趨勢(shì)，其原因?yàn)檫@3種外加劑摻入水泥中發(fā)生水化反應(yīng)，使得泥漿溫度升高，導(dǎo)致泥漿中分子活動(dòng)速率升高，凝膠時(shí)間縮短。

(a)

2.2.3 防治開(kāi)裂相關(guān)試驗(yàn)小結(jié)

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，防治開(kāi)裂效果最好的配比為：1)氧化鎂摻量0.5%或0.6%；2)氧化鈣摻量0.3%及以上。氧化鎂摻量為0.5%和0.6%時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度分別為0.885 MPa和1.225 MPa；氧化鈣摻量為0.3%及以上時(shí)，3 d抗壓強(qiáng)度為0.5～0.9 MPa。相對(duì)來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度最大的是氧化鎂摻量為0.6%試驗(yàn)組。氧化鎂摻量為0.5%時(shí)凝膠時(shí)間為6.4 min；氧化鎂摻量為0.6%時(shí)凝膠時(shí)間為6.13 min；氧化鈣試驗(yàn)組的凝膠時(shí)間為3.02～1.6 min。以早期強(qiáng)度為主要因素，結(jié)合凝膠時(shí)間，最終采用氧化鎂來(lái)防治復(fù)合漿材干縮開(kāi)裂，且推薦摻量為鋁酸鹽水泥的0.6%。

2.3 泥巖加固效果界面過(guò)渡區(qū)研究

在確定納米硅溶膠-鋁酸鹽水泥復(fù)合漿材配比之后，基于顯微硬度試驗(yàn)和界面過(guò)渡區(qū)(interfacial transition zone，簡(jiǎn)稱(chēng)ITZ)理論開(kāi)展泥巖加固效果評(píng)估。界面過(guò)渡區(qū)是漿體與巖體之間的微觀薄弱結(jié)合面，該區(qū)域水化產(chǎn)物的組成及形貌與基體部分不同，其結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，且強(qiáng)度較低，在外界因素作用下，該區(qū)域易出現(xiàn)裂紋，對(duì)注漿加固巖體的力學(xué)性能和耐久性有顯著影響。基于顯微硬度試驗(yàn)和界面過(guò)渡區(qū)理論，能夠從微觀角度評(píng)估漿材對(duì)泥巖加固效果[27-28]。

泥巖取自滇中引水工程香爐山隧洞，標(biāo)號(hào)DL156+075，整體巖塊單軸抗壓強(qiáng)度約為35 MPa。經(jīng)過(guò)XRD測(cè)試分析得出其礦物成分為：綠泥石44.7%，云母33.6%，石英18.7%。

所制備的試樣尺寸、泥巖質(zhì)量和注漿量見(jiàn)表5。處理后的試樣待測(cè)面如圖11所示。在400倍光學(xué)顯微鏡下觀察到的巖-漿界面如圖12所示。

表5 顯微硬度試驗(yàn)試樣信息

共選取3條測(cè)線(xiàn)測(cè)試巖-漿界面顯微硬度，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖13所示。由圖可知，從巖體向巖-漿界面運(yùn)移過(guò)程中，顯微硬度逐漸降低，在巖-漿界面處顯微硬度值最小，之后顯微硬度又逐漸升高，最后趨于穩(wěn)定。第1條測(cè)線(xiàn)測(cè)得界面顯微硬度為42～63 MPa，界面過(guò)渡區(qū)寬度約為96 μm；第2條測(cè)線(xiàn)測(cè)得界面顯微硬度為44～69 MPa，界面過(guò)渡區(qū)寬度約80 μm；第3條測(cè)線(xiàn)測(cè)得界面顯微硬度為49～69 MPa，界面過(guò)渡區(qū)寬度約為90 μm。在與巖石接觸時(shí)由于微區(qū)泌水效應(yīng)影響，導(dǎo)致接觸面附近的漿材和易性變差，降低了界面過(guò)渡區(qū)范圍內(nèi)顆粒之間的結(jié)合力，因此造成顯微硬度降低。本文優(yōu)化后的漿材加固泥巖后形成的界面過(guò)渡區(qū)寬度平均僅為88.6 μm，顯微硬度下降幅度較小。常規(guī)凝膠材料與巖體之間的界面過(guò)渡區(qū)寬度一般為80～130 μm[29]，相比之下，本文優(yōu)化后的漿材加固泥巖界面過(guò)渡區(qū)寬度較小。此外，如圖12所示，在顯微鏡下觀察到分界面附近不存在氣孔，結(jié)構(gòu)較致密。總體來(lái)講，優(yōu)化后的漿材與泥巖結(jié)合處微結(jié)構(gòu)較緊固，加固泥巖效果良好。

圖13 巖-漿界面顯微硬度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論與討論

本文提出一種納米硅溶膠-鋁酸鹽水泥復(fù)合漿材設(shè)計(jì)思路，通過(guò)單因素控制變量試驗(yàn)，探討了不同外加劑對(duì)納米硅溶膠-鋁酸鹽水泥復(fù)合漿材的性能影響，對(duì)結(jié)石率和干縮開(kāi)裂方面的性能進(jìn)行了優(yōu)化，并選取滇中引水工程香爐山隧洞的泥巖為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行了優(yōu)化后漿材加固泥巖的顯微硬度試驗(yàn)。得出如下結(jié)論：

1)通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，分析了硅酸鈉和硅酸鹽水泥對(duì)復(fù)合漿材結(jié)石率的影響規(guī)律。在硅酸鈉摻量為1%時(shí)，漿材的結(jié)石率達(dá)到100%，且此時(shí)早期強(qiáng)度和凝膠時(shí)間性能表現(xiàn)較優(yōu)。因此，選取硅酸鈉作為優(yōu)化復(fù)合漿材結(jié)石率性能的外加劑，且摻量為鋁酸鹽水泥的1%。

2)經(jīng)過(guò)結(jié)石率優(yōu)化后，又設(shè)計(jì)試驗(yàn)分析了硅灰、氧化鎂、氧化鈣和可再分散乳膠粉對(duì)復(fù)合漿材開(kāi)裂性能的影響。最終確定氧化鎂為最適合防治收縮開(kāi)裂的外加劑，且摻量應(yīng)為鋁酸鹽水泥的0.6%。此時(shí)復(fù)合漿材的力學(xué)強(qiáng)度和凝膠時(shí)間表現(xiàn)較優(yōu)。

3)將優(yōu)化后的漿材與滇中引水工程香爐山隧洞泥巖相結(jié)合，研究了界面過(guò)渡區(qū)寬度和顯微硬度。試驗(yàn)結(jié)果表明，巖-漿界面過(guò)渡區(qū)寬度平均僅88.6 μm，顯微硬度下降幅度較小，巖-漿結(jié)合處微結(jié)構(gòu)較緊固。

本文設(shè)計(jì)優(yōu)化的一種納米硅溶膠-鋁酸鹽水泥復(fù)合漿材在結(jié)石率和防治開(kāi)裂方面取得了比較優(yōu)異的成果，且界面過(guò)渡區(qū)研究表明，泥巖注漿界面微結(jié)構(gòu)較為牢固；但早期強(qiáng)度提高程度仍略顯不足，限制了該復(fù)合漿材的進(jìn)一步推廣使用。下一步將依據(jù)材料復(fù)合原理，深入研究組分間的超疊效應(yīng)，以期大幅提高復(fù)合漿材的早期強(qiáng)度。