高流动性及水下抗分散改性砂浆研究

周建华，赵卫全，赵明华，路 威

(1.中国水利水电科学研究院， 北京 100038；2.北京中水科工程集团有限公司， 北京 100044；3.中国水电基础局有限公司， 天津 301700；4.天津市地基与基础工程企业重点实验室， 天津 301700)

堰塞体通常由滑坡、崩塌、泥石流和碎屑流等方式形成，可以看作是一种特殊形式存在的土石坝，其具有物质成分复杂、材料不均匀系数分布范围广、结构松散零乱、部分架空、稳定性差、抗渗透性能弱等特点，一旦遭遇强降雨、地震等恶劣自然条件，极易发生滑坡、管涌等模式的破坏[1-4]，严重危及人民群众生命和财产安全。为开发利用堰塞体，改造堰塞湖为控制性水库，达到减灾兴利的目的，必须进行防渗加固改良处理。目前对于堰塞体的再利用技术及相应加固防渗机理研究较少。国内仅有小南海水库地震堰塞体(帷幕灌浆解决堰塞体渗漏问题)和红石岩堰塞体(混凝土防渗墙解决堰塞体渗漏)等少量改造案例，相应防渗加固处理技术并不完善[5-6]。

分析堰塞体组成特点可知，各区域材料颗粒级配和密实条件不同，孔隙率分布不同，上下游存在水头差，渗透水流存在一定流速，对加固材料可灌性(流动性能)及水下抗分散性能要求均较高。对堰塞体改良处理方法主要有[7-10]：(1) 普通水泥浆灌注，浆材耗量大、工效低；(2) 常规膏浆材料灌注，需采用特制搅拌机及灌浆泵、施工专业化要求及成本高；(3) 常规水泥砂浆灌注，砂浆水下易离析、固结效果可靠性能较差；(4) 自流可控砂浆自流灌注，虽能改善孔隙发育条件，但达不到防渗要求，需结合帷幕灌浆处理。目前对于松散堆积体加固处理，通常采用水泥砂浆灌注，但砂浆材料具有水下易离析或流动性不足缺点，严重影响堰塞体水下部分的防渗加固效果。研发高流动性及水下抗分散砂浆材料，对于堰塞体防渗加固具有十分重要的意义。

通过开展室内改性砂浆流动度正交试验，确定合适的体积水粉比、体积砂率、复合外加剂掺量，并优选出不同流动性的三组配合比，对其水下分散性、固结体力学及抗渗性能进行研究，并通过模型试验，验证了改性砂浆对于堰塞体改良处理的适用性和有效性。

1 改性砂浆流动度正交试验

1.1 试验原材料

(1) 钻牌普通硅酸盐水泥，标号P.O42.5，主要性能指标见表1。

表1 普通硅酸盐水泥主要性能指标

(2)普通河砂，粒径级配见表2。细度模数2.20，细砂，表观密度2 160 kg/m3。

表2 河砂粒径分布

(3)复合外加剂，由减水剂、增黏剂、稳定剂、促凝剂及自制水下抗分散剂组成。结合相应研究成果[11-14]，综合考虑各类外加剂改性作用、外加剂间及与水泥浆液间相容性、价格、材料来源、环保性能等，确定复合外加剂中各组分掺量，具体如表3所示。水下抗分散剂是由聚丙烯酰胺、硅藻土、纤维素醚及高岭土按照一定比例配制而成。

表3 复合外加剂基本配比

1.2 流动性影响因素及水平

针对不同级配和密实条件下松散堰塞体，研发具有不同流动性的改性砂浆材料，对于堰塞体防渗加固处理是至关重要的，不仅能够保证不同配比材料的扩展度和充填效果，而且可以节省材料用量和提高改良处理工效。

结合相应研究成果[13-15]，选择体积水粉比(水体积Vw与所有粉体材料体积Vp之比，以w/p表示)、体积砂率(扣除砂含粉与砂含水后纯干砂体积VS与砂浆体积VM之比，以S/M表示)、复合外加剂掺量(复合外加剂用量与所有粉体材料的质量比，以CAD表示)作为流动性正交试验研究的影响因素，并确定每个影响因素具有三个水平。改性砂浆流动性正交试验影响因素与水平见表4。

表4 流动度影响因素与水平

1.3 流动性正交试验结果统计

相应配比下改性砂浆不同时间内流动性试验结果见表5。分别对各试验指标进行分析，得出三种影响因素主次顺序和优化方案，见表6。

表5 流动度正交试验方案与结果

表6 流动度正交试验数据统计与计算

对上述流动性正交试验结果分析可知：

(1) 体积水粉比对初始、20 min及60 min流动性极差最大，分别为53.3、51.7和43.3，是最重要影响因素，在确定优先水平时应重点考虑，体积水粉比越大，相应时间平均流动性越好，坍落扩展度越大，应用时应根据堰塞体结构孔隙特点，选择合适体积水粉比。

(2) 外加剂掺量对初始、20 min及60 min流动性极差较大，分别为38.3、34.3和30.0，是第二影响因素。试验用量范围内，复合外加剂掺量越大，相应时间平均流动性最好，应用时还应考虑各类外加剂的作用机理，根据改性砂浆具体应用环境及性能要求，确定综合外加剂合理掺量。

(3) 体积砂率对初始、20 min及60 min流动性极差相对较小，分别为13.3、11.7和10.0，是次要因素。由于体积砂率变化幅度通常较小，一般取45%～55%，流动性处于较为合理水平，且可以节省水泥用量，因此体积砂率对与改性砂浆性能影响程度相对较小。

(4) 过程中各配比砂浆均无明显析水、沉淀现象，证明各配比砂浆具有良好稳定性。

1.4 改性砂浆配合比优选

结合流动度正交试验结果，初步优选出以下3组改性砂浆配合比，如表7所示。

表7 优选改性砂浆配合比

三组改性砂浆配比初始流动性为355 mm、385 mm、415 mm，60 min流动性为340 mm、360 mm、385 mm，流动性良好，经时损失小，且流动性分布范围广，能够满足不同孔隙灌浆充填需求，可充分提高工效，保证防渗加固效果。

2 改性砂浆基本性能试验

2.1 水下抗分散性能试验

为验证改性砂浆的水下抗分散能力，采用配制好的改性砂浆分别进行标准环境及水下环境浇模、养护，观察模块水中形态，检测固结体质量损失，并与标准模块相应指标进行对比，以此定量评价砂浆水下抗分散能力。改性砂浆水下浇模、养护及固结体拆模后形态如图1、图2所示。相应配比砂浆水下浇模后质量损失结果如表8所示。

图1 改性砂浆水下浇筑

图2 水下养护拆模后固结体状态

表8 不同配比砂浆固结体质量损失率

分析砂浆水下环境试验过程及数据可知：

(1) 各配比改性砂浆水下环境浇模时，水体均轻微变混，浑浊程度较低，试模仍可见；固结后养护箱中残留少量固结体；试模表面比较光滑，无明显蜂窝麻面，体积变化不明显，整体性保持较好。

(2) 3种配合比改性砂浆水下试模质量损失率最大为9.2%，最小为6.5%，标准条件下相应质量损失为2.5%～4.0%，水下质量损失率最大为5.2%，质量损失较小。

(3) 改性砂浆具有良好的水下抗分散能力，水下环境对于改性砂浆稳定性能影响不大，能够满足水下灌浆应用需求。

2.2 固结体力学性能试验

测试标准和水下环境模块3 d、7 d及28 d龄期抗折、抗压强度，定量评价改性砂浆固结体相应环境下力学性能。固结体抗折、抗压强度及强度差值随龄期变化过程如图3—图5所示。

图3 标准、水下SK1固结体力学强度及差值变化曲线

图4 标准、水下SK2固结体力学强度及差值变化曲线

图5 标准、水下SK3固结体力学强度及差值变化曲线

分析试验数据，可知：

(1) 各配比改性砂浆力学性能随龄期增加而增大，养护初期强度增长较快，后期增长相对较慢，3 d力学强度约占28 d指标的55%～60%。

(2) 一定范围内，改性砂浆固结体抗折、抗压力学性能随体积水粉比、综合外加剂掺量增加而减小，随体积砂率的增加而增大；体积水粉比对力学强度的影响最大，外加剂掺量是次要影响因素，体积砂率变化范围较小，影响也最小。

(3) 与标准条件相比，相应龄期3种配比砂浆水下固结体力学强度存在一定损失，28 d抗折强度最大损失率11.7%，抗压强度最大损失率10.4%，流动性越好，水下抗折、抗压强度损失率越大，施工时应选用流动性合适的改性砂浆。

(4) SK1砂浆力学强度最高，SK3砂浆力学强度相对较小，标准试模28 d龄期抗压强度49 MPa，抗折强度9.6 MPa，水下试模抗压强度43.5 MPa，抗折强度8.5 MPa，标准及水下环境，相应龄期力学强度均较高，也可说明改性砂浆具有较好的水下抗分散能力。

2.3 固结体抗渗性能试验

改性砂浆抗渗性能可以通过固结体抗渗压力及渗透系数进行评价，抗渗压力越大，渗透系数越小，抗渗性能越好。各配比砂浆抗渗性能试验结果如表9所示。

表9 改性砂浆固结体抗渗性能试验结果

分析表9可知，各配比砂浆固结体渗透压力为0.6 MPa，渗透系数均在10-9m/s量级，而对大孔隙结构或地层，灌浆处理后渗透系数约为10-6m/s量级，故改性砂浆抗渗性能满足堰塞体改良加固工程需求。

3 室内模型试验研究

3.1 室内模型试验技术路线

采用砂砾石制作堰塞体模型，开展室内模拟试验，研究改性砂浆对于水下一定级配砂砾石的灌浆固结效果，从而验证改性砂浆对于堰塞体改良加固工程的适用性和有效性。考虑到堰塞体物质成分胶结不良、不均匀系数分布范围大、堆积松散等结构特点，采用全级配砂砾卵石料作堰塞体模型材料，颗粒粒径分布范围为0.075 mm～150.000 mm，一次将模型填满，不进行压实，使充填材料孔隙率尽可能接近材料自然堆积时的孔隙率，以模拟宽级配堰塞体结构特点。砾卵石、砂颗粒级配如表10所示。

表10 砾卵石、砂颗粒级配

模型制作具体步骤：(1) 采用透明有机玻璃加工1#模型，四周侧壁及底部开孔，采用有机玻璃主要是便于观察灌浆过程中模型内浆液扩散情况，采用混凝土钢模制作2#模型，模型尺寸均为0.5 m×0.5 m×0.5 m；(2) 将1#模型放入尺寸1.0 m×1.0 m×1.0 m的有机玻璃水箱中；(3) 在模型正中间位置预埋灌浆管，直径25 mm，长度60 cm，端部距底面5 cm，分别在距离端部5 cm、15 cm、25 cm、35 cm处布设出浆孔，出浆孔沿圆周均匀分布，灌浆管用常温PVA水溶膜包裹，即能保证预埋过程中不会被堵塞，也可保证出浆孔顺利打开；(4) 将全级配砂砾卵石料按比例混合均匀后，一次性填满整个模型，充填材料自然堆积，不进行压实处理；(5) 充填完毕，向1#模型水箱注水，控制水位为40 cm。

采用灌浆泵对2个模型灌注3种配比改性砂浆，先灌注流动度较低、力学强度高的砂浆，再灌注流动度较高的砂浆，当灌浆管中改性砂浆下浆较慢时，则变换下一种配比砂浆；当流动性能最高的砂浆10 min不下浆后，停止灌浆。采用低压力慢灌的方式进行灌注，注浆过程中控制最大注浆压力不超过0.2 MPa。灌浆结束后，1#模型在水箱中养护至模型固结，然后移出水箱，与2#模型一起，在标准条件下养护至相应龄期。

3.2 模型试验过程及结果

模型试验灌浆及效果检测过程见图6—图8。

图6 1#模型灌浆过程及填充情况

图7 2#模型灌浆过程及填充情况

1#模型及2#模型耗浆量及相应龄期下芯样抗压强度试验结果如表11所示。

图8 1#、2#模型取芯情况

表11 模型耗浆量及芯样抗压强度

分析模型灌浆试验过程及数据，可知：

(1) 改性砂浆对两模型充填效果均较好，砂浆扩散到模型全部区域，模型基本胶结为完整结石体；芯样完整情况良好，表面光滑，无明显蜂窝麻面，抗压强度均较高，28 d抗压强度大于24 MPa，满足加固工程对于结石体强度需求。

(2) 取芯过程顺利，无塌孔、孔底沉渣现象，芯样孔返水较多，取样后孔内水位无变化，说明模型具有了良好的抗渗性能，松散结构得到了较大程度改善。

(3) 相比于2#模型，1#模型水下灌浆过程中产生了少量跑浆，模型外部水箱中水体轻微变混，水位升高，底部出现少量沉积物，耗浆量增加12.5%，芯样抗压强度平均损失6.5%，说明改性砂浆能够将模型中水排出模型外部，具有良好抗分散性能，水下环境对于改性砂浆稳定性及力学性能影响不大。

4 结 论

(1) 通过砂浆流动性正交试验优选出三组体积水粉比、复合外加剂掺量、体积砂率的改性砂浆配合比，该系列改性砂浆初始流动度为355 mm、385 mm、415 mm，1 h流动度为340 mm、360 mm、385 mm，流动性良好、经时损失小，流动分布范围广；水下质量损失率最大为5.2%，28 d固结体抗折强度最大损失率11.7%，抗压强度最大损失率10.4%，质量及力学强度损失率小，水下抗分散性能良好；渗透压力为0.6 MPa，渗透系数均在10-9m/s量级，固结体防渗性能高。

(2) 标准环境及水下环境中改性砂浆对全级配砂砾石均具有较好充填效果，灌后模型松散结构、抗渗性能得到了较大程度改善，芯样完整情况良好，28 d抗压强度大于24 MPa，相比于标准灌浆，水下灌浆耗浆量增加12.5%，芯样抗压强度损失6.5%，水下环境对改性砂浆稳定性及结石体力学性能影响不大。