无机注浆材料—黏性土固化体强度特性试验研究★

臧德记 汪 滨 马广军 金先杰 左国龙

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.水文水资源与水利工程国家重点实验室，江苏 南京 210024； 3.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

1 概述

无机注浆材料是一种高水灰比的新型水泥基胶凝材料[1](也称无机高水速凝材料)，由硫铝酸盐水泥或高铝水泥熟料为基材,加入外加剂、石膏、石灰等材料制成，具有快速凝固、流动性好、固体具有一定的强度、绿色环保等优点，常用于矿山巷道填充、矿山封堵、堵漏等。20世纪70年代末，英国最先研发生产了第一代用于巷道填充的注浆材料[2,3]。我国于20世纪80年代末由中国矿业大学等单位开始研究矿山巷旁填充材料[4]。孙恒虎等[5]研究了矿山填充高水材料及填充技术；冯光明等研发了超高水材料[6]，固化体水的体积含量达97%，水灰比例可达10∶1以上。刘丹丹[7]对高水材料的水化硬化机理进行了研究。颜志平等[8]对高水速凝材料在加固软土地基方面开展了试验研究，发现该材料的加入形成了特殊的土骨架结构，根本上改变了土体的结构。侯林涛等[9]研究了添加碎石的无机注浆材料的抗压强度特性，并用于港口护坡的修复。

在水利工程中，堤坝在汛期等时段易在薄弱部位发生渗漏、塌陷等险情。如能利用该注浆材料可与水、土快速凝结、固化，形成具有一定强度和防渗性能的固化体，将能在堤坝抢险中发挥其优势。在淤泥质土中加入该无机注浆材料，可以增加土体强度、减小变形等特点，起到地基加固的作用。目前，罕有用于水利工程中的研究报道。为此，需要一系列试验研究。

2 试样制备

为研究无机注浆材料(以下简称“灰”)与黏性土、水搅拌形成的固化体的强度特性，开展了3种水灰土比例混合物的抗剪强度试验和抗压强度试验。水∶灰∶干黏土(以下简称“土”)的质量比例分别为1∶1∶1(试样P111)，3∶1∶1(试样P311)，4∶1∶1(试样P411)，每种比例的混合料分别进行了1 d，3 d，7 d，14 d和28 d的直剪试验和无侧限抗压强度试验。直剪试验试样尺寸为直径61.8 mm，高20 mm；无侧限抗压强度试样尺寸为直径40 mm，高80 mm。拌制试样时，先将无机注浆材料与干土粉末混合均匀，再加入水搅拌均匀后，倒入相应的试样盒内，磨平表面。放入湿度不小于90%的养护室内。在试验时拿出来称重，计算试样的密度，试验结束后测试其含水率，试样含水率、密度等如表1所示。

表1 试样制备

3 试验结果

3.1 直剪试验结果

如图1为3∶1∶1比例试样的制样各时刻的照片，发现水灰土混合搅拌后约30 min由液体悬浊液的状态变为淤泥状，45 min后变为可塑性固体状(表面已无水)，60 min后变为硬塑状态。

试验结果见表2。

表2 直剪试验结果

图2为垂直应力100 kPa下各比例试样的峰值剪应力与时间关系的图，试验结果表明，固化体初期强度增长很快，从最初的液体状态到1 d达到较高抗剪强度，3 d以后强度趋于稳定；1 d的抗剪强度可达到稳定抗剪强度的70%～80%，平均约75%；3 d抗剪强度达到稳定抗剪强度的85%～95%，平均约90%。说明早期强度上升快。

相同龄期，水灰土之间比例不同，抗剪强度差异很大，水分占比高，强度低，反之，则强度高。抗剪强度参数(凝聚力与内摩擦角)均随含水降低而显著增加。图2显示了不同水灰土比例的峰值剪应力差异。图3为凝聚力和内摩擦角与水灰比例的关系。在相同龄期下，P111试样的凝聚力和内摩擦角显著高于P311和P411试样，其中凝聚力是P311的约4.3倍、P411的约6.1倍；内摩擦角是P311的约5.6倍、P411的约8.7倍。而P311试样的凝聚力和内摩擦角分别是P411试样的1.4倍和1.5倍。说明水灰比例对抗剪强度影响很大。

水灰土混合后，水和无机注浆材料发生物理和化学反应，产生灰—土的凝结固化体。由表1可知试样的含水量很高，P111的为61%，P311的为133%，P411的为187%。固化体因水量比例不同，密度相差很大，比例为1∶1∶1的试样湿密度比4∶1∶1的试样高35%，其干密度比4∶1∶1的试样高138%，说明试样的水分占比低的试样，孔隙率相对较小，有发挥强度作用更多凝聚体物质，凝聚体物质多，颗粒更多，粘结性更强，在抗剪强度参数上表现为粘聚力更高，摩擦角更大。

图4为编号P111试样1 d和28 d的剪应力与剪切位移的曲线，各试样剪切过程均呈现剪胀性态，且在剪切力达到峰值后，试样剪断，剪切力陡然降低。图5为编号P311试样1 d和28 d的直剪试验，剪切过程均呈现剪缩性态，且在剪切力达到峰值后，剪应力缓慢降低；P411剪缩性状更加显著。这是因为P111水分占比小，试样较为密实，剪切时，固化体由于颗粒挤压、摩擦等作用聚集在相对较小的剪切带内，流动过程中发生竖向剪胀性状；在剪断后，剪切面上凝聚力已被破坏，只有摩擦力作用，固剪应力会陡然下降。而P311，P411试样水分占比高，试样中灰与土的占比小，试样中的孔隙较大，在一定竖向压力下，剪切时呈压缩性状；在达到峰值剪应力后，由于试样体积压缩压密，颗粒之间摩擦作用变大，故表现出的剪应力降低得较为缓慢。

3.2 无侧限抗压强度试验结果

无侧限抗压强度试验结果见表3，抗压强度与时间关系见图6。对于水灰土1∶1∶1的混合料，进行了1 h，2 h，18 h，24 h，3 d，7 d，14 d和28 d的龄期试验，结果表明，从最初的流动状态，经1 h强度为3.8 kPa、达到最终强度的3%，2 h强度达到19.9 kPa、达到最终强度的17%，18 h上升到29.2 kPa、达到最终强度的25%，24 h为31.4 kPa、达到最终强度的27%，3 d达到108 kPa、达到最终强度的91%，7 d强度几乎达到最终强度的100%，以后增长较少。P311，P411早期强度来得更快，其中P311的1 d强度达到了最终强度的62%，3 d强度达到最终强度的97%；P411的1 d强度达到最终强度的69%，3 d强度达到最终强度的88%，前3天强度基本达到几乎最高的数值，后期增长较少。

表3 直剪试验结果

不同水灰土比例，无侧限抗压强度随水的比例增加而降低。水灰比为1的试样的最终抗压强度是水灰比3的试样的6.8倍、是水灰比4的试样的10.9倍，水灰比3的试样最终抗压强度是水灰比4的试样的1.6倍。

4 结论

通过对无机注浆材料与水、黏性土固化体的强度特性试验，得到以下结论：

1)水灰土比例相同的情况下，固化体龄期不同，强度有差异，表现为初期强度增长很快，抗剪强度1 d强度能达到最终强度的约75%，3 d约达到90%。抗压强度3 d达到最终强度的90%以上。

2)相同龄期，水灰土之间比例不同，固化体强度差异很大，水分占比低，试样中的凝聚体颗粒越多，孔隙少，粘结作用和摩擦作用大，强度高，反之，则强度低。

3)变形方面，在水分占比高时，因试样孔隙较多，在竖向压力作用下，直剪试验呈现剪缩性态；当水分占比低时，试样相对较为密实，剪切面上颗粒挤压流动，试验呈现剪胀性态，且在剪切力达到峰值后，试样剪断，剪切力陡然降低。

开展无机注浆材料与黏性土固化体强度特性试验研究，为该材料用于应急抢险、地基加固等研究提供了基础数据与参考依据。