速凝水泥基注浆材料及其耐腐蚀性

马召林 阳勇福 焦雷 王玉江

1中铁隧道勘测设计研究院（471009）2洛阳理工学院材料科学与工程学院（471023）3河南省特种防护材料重点实验室（471023）

速凝水泥基注浆材料及其耐腐蚀性

马召林1阳勇福2,3焦雷1王玉江2,3

1中铁隧道勘测设计研究院（471009）2洛阳理工学院材料科学与工程学院（471023）3河南省特种防护材料重点实验室（471023）

厦门本岛至翔安海底隧道采用普通水泥单液浆加固围岩。为提高围岩的抗渗性能，改善耐海水腐蚀性能，采用普通水泥浆液掺加无碱外加剂的形式制备耐腐蚀速凝注浆材料。试验结果表明，在水灰比0.65～1.0范围内，调整浆液配合比，浆液流动度可达到230～270 mm，初凝时间小于2 h，具有良好施工性能；注浆材料结石体早期强度发展快，后期强度高且无倒缩现象。注浆材料具有微膨胀特性，内部孔径细化，具有良好的抗渗性能，抗渗等级大于P8，满足工程抗渗需求，具有良好的耐海水腐蚀性能。

水泥基注浆材料；速凝；抗渗性能；耐海水腐蚀性；流动度

福建厦门本岛至翔安过海通道是我国大陆地区第一座海底隧道，也是当今世界最大断面的钻爆法海底隧道。二衬支护结构设计寿命为100年，为保证支护结构混凝土良好的耐久性能，采用水泥基注浆材料加固围岩，要求混凝土外围围岩注浆材料结石体在具有良好的抗压强度的同时，还要求水泥基注浆材料具有良好的抗渗性能，阻止或延缓地下水向支护结构的渗透，起到第一层保护作用。水泥基注浆材料可分为普通水泥单液浆和普通水泥-水玻璃双液浆[1]。普通水泥单液浆材料来源丰富，价格低廉，但其胶凝时间不易调节，存在强度低、收缩大等现象，易出现裂缝而成为渗漏通道；普通水泥-水玻璃双液浆具有胶凝时间可控等优点，但胶结体后期强度低，耐久性差，受水长期浸泡容易分解，不适合长期堵水和加固围岩[2-3]。

1 试验

1.1 试验原材料

水泥采用普通硅酸盐水泥（P·O42.5），水泥比表面积为360 m2/kg。采用无碱速凝剂（Setting Accelerator，SA）调节浆液凝结时间，速凝剂为液体，固含量23%，pH值约为2。采用聚丙烯酰胺（PAM）改善浆液结石体孔结构，其分子量约为500万，配制成1%的水溶液备用。采用聚羧酸减水剂（PCE）改善浆液流动性，其固含量约为40%。

1.2 试验方法

以P·O42.5水泥为基材,研制高抗渗注浆材料，进行相关物理性能的检测。

1.2.1 凝结时间与流动度

称取500 g水泥,按设定水灰比量取拌合水，并将无碱速凝剂、减水剂及聚丙烯酰胺均溶于拌合水中，用水泥净浆搅拌机快速搅拌浆体60 s，然后分别测定注浆液的凝结时间和流动度。注浆材料的凝结时间参照GB/T 1346《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测定，流动度参照GB/T 8077《混凝土外加剂均质性试验方法》中的“水泥净浆流动度”进行检测。

1.2.2 强度

强度测试试件分为两类：一类为空白样，即水泥、水及保水剂配制的浆液结石体。为防止空白样水泥浆体泌水，搅拌净浆时掺入适量保水剂，以保证试块体积完整性。另一类为注浆材料，即水泥、水及外加剂（无碱速凝剂、聚羧酸减水剂和聚丙烯酰胺）配制的浆液结石体。将浆液成型为40 mm×40 mm× 160 mm的试块，硬化后拆模，并测算浆液的结石率（结石体体积与浆液体积之比）。拆模后的试块首先放在20±2℃的淡水中养护，28 d后取出一组（3个试块）置于厦门海域海水（人工海水）中养护。参照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》分别测定试块不同龄期的强度,每个龄期一组3个试块，取其平均值。

1.2.3 抗渗性

参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的“抗水渗透试验”方法成型浆体试块，每组6个试块。脱模后试块在标准养护箱内（温度20±1℃，相对湿度RH≥90%）养护28 d，然后进行抗水渗透试验。采用逐级加压法加压至0.9 MPa（设计抗渗等级≥P8）来测试试块的抗渗性能,并将端面未出现渗水情况的试块劈裂，进行渗水高度测量。

1.2.4 膨胀特性

将浆液成型为40 mm×40 mm×160 mm的试块，试块两端固定有钉头。试件在（20±1）℃、相对湿度RH≥90%的环境养护，空白样2 d后拆模，注浆材料1 d后拆模，分别测定基准长度，然后试块置于人工海水中养护，在规定龄期测定棱柱体的变形量。试块变形量测定时环境温度保持稳定（20±1℃），每组共3个试块，计算结果取平均值。试件各龄期的线膨胀率计算公式如下。

式中：εt为试件在t天龄期的膨胀率，%；Lt为试件在t天龄期的长度，mm；L0为试件的基准长度，mm；L为试件的有效长度，棱柱体试件的有效长度为150 mm。

2 试验结果与讨论

2.1 外加剂的优化选择

为了加快凝结速度，在注浆材料中加入无碱速凝剂，同时，为保证浆液的可注性，加入减水剂以提高浆液流动度。试验以凝结时间和浆液流动度为考察指标，根据表1所示试验方案开展了大量试验工作，对外加剂进行优化选择。

表1 外加剂优化选择试验方案

在水灰比0.5～1.0范围内,速凝剂的掺入对浆液流动度的影响非常大。随着速凝剂掺量的增加，浆液流动度大幅降低，凝结时间缩短。减水剂的掺入可有效增大浆液的流动度，但凝结时间延长。根据不同配比下浆液的流动度和凝结时间，得到最终优化结果如表2所示。

表2 优化选择的注浆材料的工作性能

试验选择3个注浆常用水灰比，浆液流动性良好，可保证浆液的可注性。同时，浆液的初凝时间小于2 h，终凝时间小于3 h，可满足不同部位工程施工需求。

2.2 注浆材料的性能

试验中选用了3个水灰比配制浆液，水灰比分别为0.65、0.8和1.0。空白样中掺入适量保水剂以保证试块具有较高的结石率，注浆液掺入外加剂。

1）结石率

浆液结石率将影响注浆填充效果。空白样分为两组，一组掺有一定量的保水剂，保证浆液结石体体积的完整性，用于结石率及强度检测；一组不掺保水剂，仅检测浆液结石率。

随着水灰比增大，空白样浆液越容易出现泌水现象，浆液结石率下降。注浆材料具有良好的结石率，即使水灰比为1.0时，浆液结石率也在99%以上。结石率高，浆液稳定性好，则有利于改善填充效果，减少外来有害物质的渗透，提高抗渗性能。

2）抗压强度

水灰比增大，结石体的强度降低，而随着养护时间的延长，空白样结石体与注浆材料结石体的抗压强度均不断增长，且在同水灰比条件下，注浆材料的抗压强度高于空白样。外加剂的掺入对注浆材料结石体早期强度的提高非常明显：空白样在1 d时尚不能拆模，强度非常低；而掺有外加剂的注浆材料Z0.65、Z0.8和Z1.0结石体的1 d抗压强度分别为7.8 MPa、4.7 MPa和2.3 MPa。Z0.65、Z0.8和Z1.0结石体28 d抗压强度分别达到23.5 MPa、15.9 MPa和9.7 MPa，相比于同水灰比的空白样结石体，28 d时抗压强度分别增长24.3%、8.9%和61.7%。后期（28～90 d）结石体抗压强度的增长缓慢，基本保持稳定。区别于淡水养护条件下结石体的强度发展趋势，后期（28～90 d）海水养护条件下结石体的抗压强度均有较大增长。90 d时，海水养护注浆材料Z0.65、Z0.8和Z1.0结石体的抗压强度分别为29.9 MPa、21.0 MPa和12.3 MPa，相比于淡水养护90 d时同水灰比结石体的抗压强度分别增大6.0 MPa、5.0 MPa和2.0 MPa。

3）抗渗性

参照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的“抗水渗透试验”方法成型顶面直径175 mm、底面直径185 mm、高度150 mm的浆体试块，每组6个试块，进行抗水渗透试验。

水灰比对试件的抗水渗透性能影响较大。随着水灰比增大，试块平均渗水高度增大，端面渗水试块个数变多。注浆材料的抗渗性能优于同水灰比的空白样。空白样C0.8在水压0.9 MPa下已有2个试块端面出现渗水现象，4个端面未渗水试块的平均渗水高度达到了143.9 mm，抗渗等级为P8；空白样C1.0的6个试块端面均已渗水，抗渗等级低于P8。而对于注浆材料试块而言，即使是水灰比达到1的Z1.0试块，其抗渗等级也高于P8。

注浆材料抗渗性能的提高与其气孔结构的改善有关。对淡水养护28 d的试块根据阿基米德原理采用静力称重法测定，计算其体积、密度、气孔率及吸水率[5]。

4）体积稳定性

体积稳定性是评价注浆材料耐久性的一个重要指标。通过测定海水养护条件下不同龄期的浆液结石体的体积变形，来评价注浆材料的耐久性。如果浆液结石体在海水长期浸泡下，体积产生较大收缩,很可能会在岩体裂隙中产生新的渗水通道，堵水效果下降；如果浆液结石体在海水长期浸泡下体积产生过大膨胀,则浆液结石体内部形成膨胀性产物，也可能导致开裂产生渗水通道。海水养护下空白样结石体及注浆材料结石体的膨胀率如图1所示。

图1 海水养护下结石体的膨胀率

结石体在早期快速膨胀，且注浆材料的膨胀率大于同水灰比的空白样。空白样的早期膨胀可能是由于结石体的湿胀所致，而注浆材料的膨胀除了湿胀外，还有结石体内形成钙矾石引起的膨胀。在后期，空白样体积不断收缩，而注浆材料体积基本保持稳定，具有微膨胀特性。注浆材料结石体的微膨胀有利于地层孔洞空间的密实填充,提高其抗渗性。

在沿海地表区域，受到海水浸渍和溯河倒灌作用，在蒸发作用下，土壤表层含盐量超过盐渍淤泥，地下水矿化度也因蒸发浓缩而增高。注浆浆液结石体在海水中受到侵蚀的主要离子为Mg2+，为了加速结石体的破坏过程，将在淡水中养护28 d的结石体试块浸泡在MgSO4饱和溶液中，观察其体积变形，结果如图2所示。

图2 饱和MgSO4溶液养护下结石体的变形

从图2可以看出，MgSO4饱和溶液养护时,注浆材料结石体与空白样结石体在早期均有一定程度的收缩，但注浆材料的收缩程度更大。在后期，试块均表现出快速膨胀：高水灰比结石体的膨胀速率大，而同水灰比条件下空白样结石体的膨胀速率较大。MgSO4饱和溶液与海水相比，Mg2+的浓度大大提高，加速了试块的侵蚀，前面孔隙率检测结果显示虽然注浆材料结石体的孔隙率较大，但其连通孔较空白样结石体少，内部孔径细化，抗渗性良好，Mg2+不容易渗透进入结石体内部发生侵蚀反应，因而其耐久性得到改善。

3 结论

1）注浆液的流动性与凝结速度呈矛盾关系。工程注浆时,在水灰比0.65～1.0范围内，根据施工面层情况调整浆液配合比，注浆液流动性良好，初凝时间小于2 h，终凝时间小于3 h，可满足不同部位工程施工需求。2）无碱速凝剂与水泥浆液快速反应生成钙矾石，降低体系自由水量，促进水泥水化硬化。因此，注浆材料浆液结石率高，早期强度快速增长，后期强度稳定。3）注浆材料气孔孔径减小、封闭孔的形成及结石体的微膨胀特性有利于注浆材料抗渗性能的提高,从而改善注浆材料耐海水腐蚀性能。

[1]刘文永.注浆材料与施工工艺[M].北京：中国建材工业出版社,2008.

[2]杨建康,陆海军,李继祥,等.水泥-水玻璃双液注浆材料工程性能及孔隙结构[J].大连理工大学学报,2016,56(3)： 252-256.

[3]豆海军.复合水泥基-水玻璃双液注浆材料性能及微观特性研究[D].北京：中国地质大学（北京）,2014.

[4]沈威.水泥工艺学[M].武汉：武汉理工大学出版社,2005.

[5]李方文,吴建锋,徐晓虹,等.成型压力对基体体积密度、吸水率和显气孔率影响的探讨[J].中国陶瓷,2007,(4)：25-27.