强渗透涌水地层注浆新材料的配制与工程特性研究

康正斌，李小强，巩越

（1.民航机场建设工程有限公司，天津 300456；2.山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590）

0 前言

我国现今的岩土与地下工程建设规模快速扩大，施工过程中经常会遇到结构松散、固结程度低、孔隙大、承载力低、渗透性强、且经常伴有动水环境的复杂强渗透地层，为了保证工程建设的顺利进行，往往要对这类地层进行注浆加固和防渗处理，使复杂强渗透地层地基能够满足工程建设的要求。

注浆材料分为无机和有机材料2大类。无机注浆材料以水泥为主，具有来源广泛、价格低、性能稳定、耐久性强、无毒无害的优点，但其凝结时间过长，易被动水冲散，且浆液收缩性大，不适用于动水环境下强渗透地层的加固与封堵[1-3]。有机类注浆浆液可注性好，凝结时间短，但成本高，储存要求高，结石体强度低于水泥强度，且存在较大的环境安全问题，在动水环境下强渗透地层封堵工程中受到较大的限制[4-7]。

为解决这一问题，研发了一种新型水泥基注浆材料，辅加高分子添加剂，使其适用于动水环境下的强渗透地层，具有凝固时间在一定范围内可调、可注性强、抵抗动水冲刷、堵水防渗效果好、成本低、无毒性等特点。研发的浆液能够为动水环境下的强渗透地层防渗加固工程的设计与实施提供新的思路与材料。

1 试 验

1.1 原材料

聚丙烯酰胺：一种线型高分子聚合物，常温下有胶液、胶乳和白色粉粒、半透明珠粒和薄片等规格，根据强渗透地层特点对注浆材料的需要，最终选取规格为2500 w阴离子型的聚丙烯酰胺材料，其干燥晶体及溶解后性质如图1所示。由于分散相粒子彼此纠缠形成网状结构，聚丙烯酰胺溶液表现为具有较高黏度的聚合体[8]，可用于解决水泥基浆液在动水环境中易被冲散的问题，同时能够使浆液稳定附着于卵石表层。

图1 聚丙烯酰胺晶体及溶解后性质对比

水性聚氨酯：以水代替有机溶剂作为分散介质的新型聚氨酯体系，能与水以任意比互溶，并快速形成胶凝体，具有无污染、安全可靠、机械性能优良、相容性好、易于改性等优点[9]。根据强渗透地层特点对注浆材料的需要，最终选取规格为MF-669Ⅰ型水性聚氨酯材料。

水泥：强度等级不低于42.5级普通硅酸盐水泥。同时在针对动水环境下强渗透地层注浆材料中加入混凝土材料中常见的硫酸亚铁降低浆液析水率，加入氯化钠作为早强剂，加入柠檬酸作为催化剂，按照室内试验要求，硫酸亚铁、氯化钠均使用分析纯。

1.2 试验方案

本试验通过控制变量法，将硫酸亚铁、聚丙烯酰胺、水性聚氨酯、柠檬酸掺量及水灰比为变量（以水泥500 g为固定单位进行配比），对浆液进行析水率试验，通过浆液的存留量分析浆液在动水环境强渗透地层的抗冲刷效果。如试验说明或图中不进行特别标注，浆液的水灰比即为0.9，聚丙烯酰胺与水的质量比为4∶1，氯化钠掺量为5 g，硫酸亚铁掺量为10 g，聚丙烯酰胺掺量为10 g，柠檬酸掺量为聚丙烯酰胺的5%。对固水率、流动度和凝胶时间进行室内试验研究分析。选取较优的配合比方案进行抗冲刷模拟试。

2 结果与分析

2.1 水性聚氨酯固水性能

水性聚氨酯与水的质量比（酯水比）对固水率与凝胶时间影响如表1所示。催化剂对聚氨酯固水率与凝胶时间的影响如表2所示，为确保测得柠檬酸对水性聚氨酯固水速率的影响是相对明显的，同时考虑降低试验时间成本，试验时将酯水比设置为1∶4。

表1 酯水比对水性聚氨酯固水率与凝胶时间的影响

表2 催化剂对水性聚氨酯固水率与凝胶时间的影响

由表1、表2可知：（1）凝胶时间随酯水比的减小而不断延长，当酯水比小于1∶10后，凝胶时间会显著延长；（2）当酯水比为4∶1～1∶17时，固水率均为100%，当酯水比小于1∶17后，固水率出现骤降的现象；（3）柠檬酸掺量对水性聚氨酯的固水率没有影响；（4）随着柠檬酸掺量的增加，凝胶时间逐渐延长。

2.2 浆液的析水率

浆体析水率是浆液达到初凝时，由于水泥颗粒沉淀作用析出水分体积占浆体总体积的百分率，反映了浆液的保水性能，会影响水泥凝结硬化效果、浆液与物面的粘结力[10]。

图2为浆液析水率试验的过程。图3～图5分别为硫酸亚铁掺量（固定水灰比为1.0）、水灰比、聚丙烯酰胺掺量（固定水灰比为1.0）对析水率的影响。

图2 浆液析水率试验过程

图3 硫酸亚铁掺量对析水率的影响

图5 聚丙烯酰胺掺量对析水率的影响

由图3可见，硫酸亚铁掺量对浆液析水率具有较大影响，随着硫酸亚铁掺量增加，浆液的析水率先减小后增大，当硫酸亚铁掺量为水泥质量的1%时，浆液的析水率最低，约为浆液总体积的1.4%。主要是因为过量硫酸亚铁使水泥颗粒悬浮于水中而不是附着于聚丙烯酰胺与水反应生成的网状结构上，无法形成具有良好稳定性的浆液。

由图4可见，浆液析水率与水灰比呈正相关趋势，但3种水灰比下析水率均低于5%，属于稳定浆液[11-12]。

图4 水灰比对析水率的影响

由图5可见，浆液析水率与聚丙烯酰胺掺量呈负相关，且影响显著，当聚丙烯酰胺掺量小于10 g时，浆液为不稳定浆液。

2.3 浆液流动度

试验采用截锥圆模，按照GB/T 8077—2012《混凝土外加剂均质试验方法》的规定进行流动度试验，图6、图7分别为聚丙烯酰胺掺量和水灰比对浆液流动度的影响。

图6 聚丙烯酰胺掺量对浆液流动度的影响

图7 水灰比对流动度的影响

由图6、图7可见：

（1）浆液的流动度与聚丙烯酰胺掺量呈负相关，在聚丙烯酰胺占水泥质量1.5%～2.0%时，对浆液流动度的影响最明显。但当浆液中聚丙烯酰胺掺量超过水泥质量2.5%后，其对浆液流动度的影响效率降低。主要是因为聚丙烯酰胺的有效溶解量逐渐趋于饱和，新网状结构增加量减少，对浆液流动度的影响效率逐渐降低。

（2）水灰比与浆液流动度呈正相关。在实际工程中可以根据实际地层情况对浆液渗透性与流动度的要求，通过对水灰比的调整实现浆液流动度的有效改变。

2.4 浆液凝胶时间

浆液的凝胶时间是测试浆液从混合到形成胶凝体所用时间。动水环境下强渗透地层注浆工程中对浆液的凝胶时间有着更加严格的要求[13]，浆液凝胶时间的测定方法主要有倒杯法及黏度计法。倒杯法由于其简单易操作和适用对象广泛的特点，在施工现场和试验室中经常使用，故本试验采用倒杯法进行试验[14]。表3、表4分别为酯水比、柠檬酸掺量对浆液凝胶时间的影响。

表3 酯水比对浆液凝胶时间的影响

表4 催化剂掺量对浆液凝胶时间的影响

由表3、表4可知：

（1）水性聚氨酯掺量越多，浆液的凝胶时间越短，最快可以在200 s左右形成胶凝体；在相同水性聚氨酯掺量下，水灰比越大，浆液凝胶时间越长。

（2）浆液的凝胶时间与柠檬酸掺量呈正比，但不呈线性关系，随着柠檬酸掺量的增加，其对浆液凝胶时间的延长效率逐渐降低。因此，柠檬酸掺量为聚氨酯质量的2.5%时为较合理比例，此时浆液的凝胶时间为680 s。

3 抗冲刷性能试验及浆液配比分析

3.1 抗冲刷性能试验与效果分析

为探究注浆后浆液抵抗动水冲刷的性能，采用如图8所示的混合粒子流冲击试验装置（专利号CN 201710526013.6）对浆液的抗冲刷性能进行了测试。受仪器功率限制，水槽中动水流速为1.67 m/s。将水灰比、聚丙烯酰胺掺量、水性聚氨酯掺量作为变量，通过浆液的存留量分析浆液在动水环境强渗透地层的抗冲刷效果。测试方法如下：

图8 混合粒子流冲击试验装置

（1）卵石在试验前7 d浸入水中，保证试验时卵石已经完全饱水。

（2）将待试验的浆液按要求进行配制，置于电子秤称量浆液与搅拌盆总质量W1。取部分浸泡后的卵石置于搅拌盆中与浆液充分混合。

（3）将混合后的卵石与浆液置于盛浆篮中，称量其冲刷前的质量W3，搅拌盆及其中剩余浆液的质量W2。

（4）接通电源打开水泵，使水槽中形成一定速度的水流。迅速将称重完成的盛浆篮放置于水槽中进行冲刷，让水流连续冲刷30 min，浆液此时已经完全胶凝，最后将盛浆篮拿出称量冲刷后的总质量W4。

（5）在动水条件下比较其留存在槽中浆液占原始浆液的百分含量（浆液留存率），浆液存留率按式（1）计算。

水灰比、聚丙烯酰胺与水性聚氨酯掺量对浆液留存率影响如表5所示。

表5 浆液留存率试验结果

由表5可知：

（1）在动水流速为1.67 m/s时，浆液最高留存率为91.62%。浆液留存率理想，能够稳定填充于地层孔隙间抵抗动水冲刷，不被冲散或稀释。

（2）水灰比与浆液留存率呈负相关趋势。水灰比越大浆液中胶体含量越少，浆液中水与聚丙烯酰胺反应生成具有黏性的网状结构密度较低，同时更多的水使得浆液的凝胶时间相应延长，增加了浆液在动水中被冲刷走的量。

（3）聚丙烯酰胺掺量与浆液留存率呈正相关。原因是聚丙烯酰胺越多，浆液中黏性网状结构越多，浆液稳定性与黏度也就越高，在动水冲刷中被冲刷走的量越少。

（4）3种不同聚氨酯掺量对浆液留存率影响不明显。在增加聚氨酯掺量的过程中，浆液留存率出现了下降的趋势。原因是聚氨酯与水可以任比例互溶，过量的聚氨酯降低了水灰比，凝胶时间也因此被延长，在动水冲刷中被冲刷走的量也就越多。与浆液凝胶时间的测试中得到的规律可以相互验证。

3.2 浆液配比分析

综合考虑浆液的成本与施工难度，确定了动水环境下强渗透地层注浆材料建议配比如表6所示。

表6 动水环境强渗透地层注浆材料建议配比 g

表6的配比区间能满足多种强渗透地层防渗加固工程。但在不同的施工环境中，由于孔隙比、动水流速、级配情况等均具有特殊性，因此浆液的具体配比需要在此基础上进行适当的调整，达到适应具体工程环境的效果。

4 结论

（1）硫酸亚铁与聚丙烯酰胺的掺加显著提高了水泥基注浆材料的保水性能，当硫酸亚铁掺量为水泥质量的1%，聚丙烯酰胺质量为水泥质量的4%时，能够使析水率降低至1.4%左右。

（2）浆液流动度随水灰比增大而增大，随聚丙烯酰胺掺量的增加而降低，在聚丙烯酰胺掺量为水泥质量1.5%～2.0%时对浆液流动度的影响最明显。

（3）聚氨酯的掺加使浆液最快可以在200 s左右形成胶凝体，实现堵水防渗；同时，浆液的凝胶时间可以根据施工工况的实际要求，通过添加柠檬酸等方法延长凝胶时间至680 s左右。

（4）在动水流速为1.67 m/s时，材料最高留存率为91.62%。但根据实际工程中的数据记录，在强渗透涌水地层中动水的流速一般在0.5 m/s以下，此时的浆液留存率将远高于90%。因此浆液完全可以满足抗强渗透地层动水冲刷的需求。

（5）浆液能够有效填充动水环境强渗透地层，形成结石体后可以解决结构松散、孔隙大、伴有动水环境等工程问题，显著提高地基承载力，实现堵水防渗，能够为动水环境下的强渗透地层防渗加固工程的设计与实施提供新的思路与材料。