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摘要:为研究动水条件下抗分散注浆材料的工程特性，室内对不同配比的非水泥基注浆材料展开了单轴抗压强度试验、抗冲刷效果试验以及扫描电子显微镜(SEM)试验。研究发现，胶凝材料的掺量为300g时，注浆块石的抗压强度最大，为41.05MPa;动水冲刷下非水泥基水下抗分散注浆材料的抗动水冲蚀性良好。研究成果为水利工程注浆修复提供了借鉴作用。
关键词:水利工程;注浆修复;注浆材料;水下抗分散;非水泥基
传统的水泥基材料，在未形成胶凝体前，在强动水条件下浆液容易发生流失，治理效果差，质量难以保证，因此采用非水泥基抗分散注浆材料对底板及边墙进行加固处理具有良好的应用前景［1］。王学伟等［2-3］基于研究工程项目，指出非水泥类胶凝材料在水利工程注浆加固中的应用，并详细对比了水泥基注浆材料和非水泥基注浆材料各自的优势和劣势，多角度验证了非水泥基注浆材料在水利工程注浆工作中的特殊优势。部分学者也试图通过引入其他材料对水泥基注浆材料的工程性能进行改良，并且取得了一定的效果，但改良后的水泥基注浆材料仍存在一定的局限性，反映出了水泥基注浆材料的共性问题，如水下抗分散性差［4-5］。综上所述，水泥基注浆材料和非水泥基注浆材料均存在一定的应用局限性，本次研究在室内制备了不同配比的非水泥基水下抗分散注浆材料，并对其展开了单轴抗压强度试验、抗冲刷效果试验以及扫描电子显微镜(SEM)试验，深入研究了动水条件下抗分散注浆材料的工程特性。
1工程背景
本次研究以新疆塔里木河流域某地排水沟道加固工程为研究对象，对不同配比的新型非水泥基水下抗分散注浆材料的现场应用性能展开了研究。根据现场勘察结果，该排水沟加固工程的主体结构为浆砌块石。排水沟的浆砌块石在长时间动水冲刷作用下，其底板及边墙出现了严重的损伤问题;此外，在水流冲刷下，胶结物逐渐流失并失去胶凝作用，内部块石裸露。因此，为保持该工程的长期安全性，需要及时开展工程治理工作，对排水沟底板及边墙结构进行修补加固。此外，通过对流域某处的水体进行取样测试，发现水的pH值为8～8.3，呈现弱碱性。现场实测动水平均流速约为0.65m/s，动水流速高。
2现场浇筑与试验检测
2.1现场浇筑
基于现有关于水下抗分散注浆材料，室内制备了5种不同配比的注浆材料，且控制变量为注浆胶凝材料的掺量。根据现有关于水下抗分散注浆材料的试验研究，可知非水泥基注浆材料的主要成分为胶凝材料、水、水玻璃和黄原胶，且最佳质量比为水:胶凝材料:水玻璃:黄原胶=300∶657.3∶240∶2.7。本次试验中，控制水、黄原胶和水玻璃质量不变，设计5组不同的注浆材料中的胶凝材料的质量分别为250、275、300、325和350g(A1～A5)，且所使用的非水泥基胶凝材料为糯米灰浆。试验场地为开放场地，现场材料配置好后，采用浇筑方式对块石表面进行加固，无需特殊设备进行灌浆，将材料均匀地铺摊在块石表面后整平。
2.2试验检测
为研究不同配比条件下非水泥基水下抗分散注浆材料的综合工程性能，本次共设计了3组不同试验研究，分别为单轴抗压强度试验、抗冲刷效果试验以及扫描电子显微镜(SEM)试验。①单轴抗压强度试验。首先，利用岩石取芯设备在注浆养护28d后的块石上取样，取得高度为100mm、直径为50mm的标准岩芯试样。其次，室内利用岩石力学万能试验机对其开展单轴压缩试验，采用位移控制模式，加载速度为0.1mm/min。每个配比的试样分别开展5次单轴压缩试验，筛选去除不合理数据后取平均值，得到注浆结石块体的单轴抗压强度均值。②抗冲刷效果试验。对岩石块体进行注浆结块，并在注浆24h和72h后观察注浆结石块体的表面形态以及注浆材料的流失情况，确定非水泥基注浆材料的水下抗分散效果。③微观电镜扫描试验。利用S-4800型场发射扫描电子显微镜对单轴压缩破坏后的结石块体断裂面进行扫描和观测，了解非水泥基水下抗分散注浆材料加固块石及抗水动力冲刷能力的微观机理。
3注浆加固性能分析
3.1抗压强度分析
为分析非水泥基抗分散注浆材料动水加固效果，室内对不同配比注浆材料注浆养护后的块石开展了单轴压缩力学试验，得到如图1所示的试验结果。从图中可以看出，非水泥基抗分散注浆材料注浆加固后的岩石块体的单轴抗压强度较高，不同配比下块体的单轴抗压强度分别为35.35、37.26、41.05、38.11、36.33MPa。这表明，随着注浆材料中胶凝材料含量的增加，注浆加固后块石的抗压强度呈现出先逐渐增大后慢慢变小的变化趋势。注浆加固后，块石的最大抗压强度为41.05MPa，此时胶凝材料的掺量为300g;块石的最小抗压强度为35.35g，此时胶凝材料的掺量为250g。分析认为，当胶凝材料含量较少时，其在注浆加固过程中不能起到有效的凝结作用，因此加固后的块石强度低;而当胶凝材料含量过高时，其流动性变差，不能有图1注浆结石块体单轴抗压强度效地充填块石中的缝隙，因此，注浆加固后的块石的单轴抗压强度也会降低。综上所述，当注浆材料中胶凝材料掺量为300g时，其对块石的注浆加固效果最好、力学性能最强。
3.2抗冲刷效果分析
基于单轴压缩试验结果，对A3组试样展开动水条件下注浆材料的水下抗分散试验，将试验材料浇筑在块石表面后，将其置于动水(流速为0.65m/s)条件下，分别经过24h和72h的冲刷后，对其表观形态进行观测。由图2可知，在动水的持续冲刷下，成型后的注浆材料在外观形貌上未发生明显改变。由此可见，动水冲刷下非水泥基水下抗分散注浆材料具备优秀的抗动水冲蚀能力，其能够为注浆加固后的块石提供较好的基础参数。
3.3微观结构分析
为了解非水泥基水下抗分散注浆材料加固块石及抗水动力冲刷能力的微观机理，对单轴压缩破坏后的A3组试样进行取样、切割并展开扫描试验，得到断面的微观扫描结果，如图3所示。从断面的微观扫描结果可以看出，A3组非水泥基水下抗分散材料能够有效填充块石层空隙，且胶结物致密。分析认为，非水泥基水下抗分散材料在水下的良好注浆效果主要来自浆液吸附和浆液充填作用。非水泥基水下抗分散材料具有很高的抗动水冲蚀能力，且其注浆后对块石层加固效果较好，能够形成水下正常的结石体;此外，浆液结石体具有微膨胀性，因此硬化浆体能对块石层孔隙充填紧密。
4结论
(1)随着注浆材料中胶凝材料含量的增加，注浆加固后块石的抗压强度呈现出先逐渐增大后慢慢变小的变化趋势。注浆加固后，块石的最大抗压强度为41.05MPa，此时胶凝材料的掺量为300g。(2)经过动水24h和72h的持续冲刷后，成型后的注浆材料在外观形貌上未发生明显改变。微观试验结果表明，非水泥基水下抗分散材料在水下的良好注浆效果主要来自浆液吸附和浆液充填作用。(3)本次研究仅对少数参数开展了试验，而未对注浆材料的凝结时间、流动性等参数开展研究，下一步研究应当考虑更多方面的因素。
作者：周翔 单位：塔里木河流域工程建设处