快硬丙烯酸盐水泥基复合浆液配比的试验研究

马鹏远，杨其新，蒋雅君

(1.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055;2.西南交通大学土木工程学院，成都 610031)

隧道及地下工程穿过溶洞、软弱地层、断层破碎带等不良地质时，需要注浆加固。由于工程施工工艺及工期等条件的限制，要求注浆材料能够在可控制的较短时间内胶凝并具有较高的凝胶强度。丙烯酸盐-水泥基复合浆液(简称复合浆液)是在丙烯酸盐灌浆材料的基础上研制出来的一种复合浆液。为了提高浆液加固地层的承载力，采用水泥替代丙烯酸盐浆液中的部分成分。复合浆液综合了丙烯酸盐浆材和水泥浆材的优点:丙烯酸盐作为有机化学浆材，具有粘度低、可灌性好的优点，并且丙烯酸盐增加了复合浆液固结体的弹性，吸水膨胀;水泥浆材大幅提高了复合浆液的抗压强度和粘结强度，并能够调整胶凝时间。

本文通过试验主要研究该复合浆液的胶凝时间和凝胶强度在不同配比条件下的变化规律。优化调整复合浆液各组份配比，使复合浆液能够基本满足早凝快硬的工程注浆使用要求，具有良好的注浆性能。

1 复合作用机理

水泥的复合作用机理大致可以归纳为以下几点［1-3］。

(1)均匀分散，可以防止或减少水分蒸发和防止干燥基体对水分的吸收，从而使水化作用更趋完善。

(2)丙烯酸盐的加入改善了凝胶材料与岩体界面的状况，增大了它们之间的粘结力，而粘结力对固结岩体的抗拉强度和抗压强度同时做出了贡献。

(3)丙烯酸盐与超细水泥同时起到胶凝作用，其结果增大了浆液固结结石的强度，使结石只有连续出现微裂纹后才会遭到压缩破坏。

(4)丙烯酸盐在水泥水化结构中均匀分布，并与水泥凝胶形成了立体三维网络，并且这两种网络形成相互贯穿，相互依托，组成空间的立体交叉结构。与此同时，由于有机、无机两相之间，发生一定程度的交联，增强了材料的复合效应，这是低水灰比聚合物水泥基复合材料中一种独特的优异结。

(5)水泥在凝结硬化过程中不可避免地会产生大量孔隙或微裂纹而在材料中形成薄弱部位，加入的丙烯酸盐分散并聚集于孔隙壁上，在孔隙壁上或微裂纹表面形成一层聚合物膜，对于这些薄弱部位产生增强作用。

2 胶凝时间

2.1 正交试验ZJ1

本文通过多次正交试验筛选得到影响因子为:丙烯酸盐溶液、水泥、水、过硫酸钠，其中丙烯酸盐溶液浓度36%～40%，复合浆液中过硫酸钠占丙烯酸盐溶液的1‰。通过L8(23)正交试验研究各因子对胶凝时间的作用大小并优选配方，该组试验编号为ZJ1，优化的正交试验结果见表1。

表1 复合浆液胶凝时间

2.2 结果分析

(1)试验结果表明，对复合浆液胶凝时间影响最大的因子是水，浆液的水灰比会对胶凝时间产生很大影响，因此水灰比是控制复合浆液凝结时间的重要指标。

(2)复合浆液胶凝时间在1～3 min范围波动，时间较短，适用于双液注浆，能够满足注浆快凝的要求。

(3)试验优选配方为A1B2C2D，即丙烯酸镁溶液60 mL，水泥 60 g，水 20 mL，过硫酸钠 0.06 g。

3 结石抗压强度

3.1 正交试验ZJ2、ZJ3

结石强度试验参照DL/T 5126—2001《聚合物改性水泥砂浆试验规程》之砂浆抗压强度试验方法进行，通过L9(34)正交试验研究复合浆液各因子对结石抗压强度的影响作用大小并优化配方。

设计第一组试验，编号为ZJ2，试验结果见表2。根据ZJ2组试验得到优选配方为A2B3C2D2，在该配方的因子水平基础上，进一步缩小因子水平范围，设计第二组试验，编号为ZJ3组，试验结果见表3。

3.2 结果分析

(1)ZJ2、ZJ3组试验结果表明，影响复合浆液结石强度的主要因素是复合浆液中水泥的含量，随着水灰比减小，复合浆液的结石抗压强度明显提高。因此水灰比也是控制复合浆液强度的重要指标。

(2)两组试验得出最优配方为A1B3C1D3，即丙烯酸镁溶液 70 mL，水泥 110 g，水 30 mL，过硫酸钠0.12 g;第二位的是 A2B3C2D2，即丙烯酸镁溶液80 mL，水泥100 g，水 40 mL，过硫酸钠 0.08 g;第三位的是A1B2C1D1，即丙烯酸镁溶液90 mL，水泥100 g，水30 mL过硫酸钠0.08 g。

表2 ZJ2组复合浆液结石抗压强度

表3 ZJ3组复合浆液结石抗压强度

(3)通过试验发现，虽然过硫酸钠对复合浆液结石抗压强度的影响最小，但是它又是复合浆液能够产生化学反应必不可缺的重要组份。

4 优化配比

通过以上试验分析可见，水灰比是影响复合浆液性能的重要指标。因此将试验数据按照水灰比、聚灰比(丙烯酸盐溶液:水泥)、水聚比(水:丙烯酸盐溶液)的变化，研究复合浆液胶凝时间和结石抗压强度的变化规律，并绘制曲线图。如图1、图2所示。

在试验研究的范围内，随着水灰比的增大，胶凝时间有先缩短后延长的趋势，复合浆液结石抗压强度明显提高。随着聚灰比的减小，复合浆液胶凝时间有缩短的趋势，结石抗压强度提高。

综合考虑复合浆液的胶凝时间和结石抗压强度两个指标，并保证复合浆液具有良好的流动性、可灌性及施工可行性，最终确定优化的复合浆液配比是，水 ∶丙烯酸盐溶液∶水泥=3∶6∶10，过硫酸钠占丙烯酸镁溶液的1‰，该复合浆液适用于双液法注浆，A组份水泥浆，B组份丙烯酸盐溶液混合过硫酸钠。浆液的胶凝时间2 min左右，30 min结石抗压强度能达到5 MPa左右。

图1 胶凝时间变化趋势

图2 结石抗压强度变化趋势

5 注浆模拟

为检验复合浆液在实际工程注浆中的可行性及效果，在试验室通过双组份注浆设备完成模拟注浆试验。

将粒径小于10 mm的碎石砂子装满塑料桶并压实，模拟破碎松散围岩(图3)。注浆压力控制在1～2 MPa，浆液从PVC管中注入，当浆液从顶部冒出时停止注浆(图4)。

图3 破碎松散围岩模拟试件

图4 模拟灌浆试验过程

完成注浆后3 min，剖开塑料桶后观察，灌浆浆液在碎石中的混合效果较好，能形成较为均匀的包裹和粘结效果(如图5、图6)。完成注浆30 min后，观察注浆体试样成型较好，用铁锹敲打其表面无变形和水泥块剥落的情况，强度较高，凿开试样上下端部位，可见试样内部复合浆液凝结均匀填充在碎石缝隙内，并具有较高的粘结强度(图7、图8)。

图5 灌浆结束1 min左右的试样表面

图6 桶内灌浆试样观察

图7 试件顶部粘结情况

图8 试件底部粘结情况

6 结论

(1)通过试验研究的丙烯酸盐-水泥基复合浆液的最优配比为，水 ∶丙烯酸盐溶液 ∶水泥=3∶6∶10，过硫酸钠占丙烯酸镁溶液的1‰。

(2)该复合浆液适用于双液法注浆，A组份水泥浆，B组份丙烯酸盐溶液混合过硫酸钠。浆液的胶凝时间2 min左右，30 min结石抗压强度能达到5 MPa左右。

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