新型绿色OHC注浆材料在水利工程中的应用研究

2022-03-24吐尔洪肉斯旦

水利技术监督 2022年3期

吐尔洪·肉斯旦

(塔里木河流域干流管理局，新疆库车 843200)

岩体裂隙漏水是导致水利工程破坏的常见威胁因素，而长时间的漏水，会导致水利工程内部产生大量破坏，影响其工程性能和长期安全性[1- 3]。此外，现有注浆材料中由于使用了大量的水泥等工业产品，一方面，水泥等工业产品的生产会导致大量的资源耗费以及碳排放问题，不符合当前的“碳中和”政策[4- 5]；另一方面，工业产品会污染地下水和土壤，导致区域生态问题[6- 7]。因此，研究开发有效、绿色环保的新型注浆材料对于解决我国水利工程及环境保护问题具有重要意义。针对此问题，部分学者积极开展了新型绿色环保注浆材料方向的研究。张毅等[8]基于室内试验指出，利用红黏土弃渣作为基本材料，通过掺入水泥、粉煤灰等材料植被的新型注浆材料，不仅具有流动性好、填充性好、强度适中、造价低廉等优势，对土壤和地下水环境的污染程度也较小。王纪伟等[9]依托青岛地铁富水裂隙岩体注浆堵水实际工程案例，开展了新型注浆材料在岩体裂隙注浆加固中的应用可行性，指出新型水泥-水玻璃浆液不仅具有良好的注浆封堵性能，且能够起到降低污染的作用。

综上所述，现有关于绿色环保注浆材料的研究多是从降低污染角度出发，而关于利用某种环保材料替代水泥从而降低生产耗费和污染的研究较少。本文通过利用HSBC和CMK材料替代部分水泥，不仅有效降低了水泥的使用量，而且还提升了注浆材料的综合性能。研究成果为我国水利工程岩体基础注浆提供了一定的指导作用。

1 试验设计

1.1 OHC注浆材料制备

室内利用普通硅酸盐水泥(OPC)和高贝利特硫酸铝盐水泥(HBSC)两种基本材料，外掺煤系偏高领土(CMK)，配合使用减水剂、碱激发剂两种外加剂，制备了新型绿色OHC注浆材料。其中，HBSC和OPC均产自河北张家口某建材有限公司，其强度等级也均为42.5级。煤系偏高岭土(CMK)来自山西省某高岭土有限公司，主要成分为二氧化硅和三氧化二铝。减水剂为聚羧酸减水剂，产自山东省某建筑外加剂有限公司，其净浆流动度达到273mm，减水率为28%，减水效率高。碱激发剂能够激发注浆材料中CMK的活性，本次试验所用碱激发剂产自山东某化学试剂厂，其主要成分为氢氧化钙(>95%)。

1.2 试验设计

注浆材料的配比是影响主材材料工程性能的重要因素，确定新型OHC注浆材料的最佳配比对材料的综合性能和推广应用具有重要意义。为研究OPC、HBSC和CMK三种材料组分对新型OHC注浆材料工程性能的影响，室内设计了9中不同配比条件下的新型OHC注浆材料(见表1)。按照表1配比，室内之内不同配比的新型OHC注浆材料，注浆材料的水灰比W/C均为0.6。为对新型OHC注浆材料展开全面的工程性能评价，室内对注浆材料开展了结石率试验、凝结时间试验抗折强度试验以及抗压强度试验。结实率试验和凝结时间试验参照标准GB/T 1346《水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法》展开，抗折强度试验和抗压强度试验参照GB/T 17671《水泥胶砂强度检验方法(ISO)》进行。

表1 不同OHC新型注浆材料配比单位：%

2 试验结果分析与讨论

2.1 结石率分析

结石率是决定注浆材料最终封堵效果的重要指标，基于室内试验，得到不同配比的新型OHC注浆材料的结石率如图1所示。由图1可知3种材料的配比对OHC注浆材料的结石率影响较大。其中，OHC- 5和OHC- 9试样的结石率最低，分别为86.5%和86.4%；OHC- 2和OHC- 8的结实率最高，结石率分别达到97.1%和97%。结合表1分析可以发现，对于OHC- 5和OHC- 9中未掺入CMK材料，而OHC- 2和OHC- 8中CMK的掺量则达到15%。由此可见，CMK材料的含量是影响新型OHC注浆材料结石率的重要因素。基于此，分析各组分对注浆材料结石率的影响，发现当CMK材料的含量为0时，注浆材料的平均结石率仅为86.46%；当CMK材料的含量为5%时，注浆材料的平均结石率90.75%；当CMK材料的含量为10%时，注浆材料的平均结石率91.8%；当CMK材料的含量为15%时，注浆材料的平均结石率96.9%。而相对之下，其他材料对注浆材料结石率的影响则不太明显。结合现有研究成果可知，CMK之所以能够大幅度提升OHC注浆材料结石率，是因为CMK材料具有非常优秀的吸水性，这导致OHC注浆材料在结石试验过程中不会有大量的自由水析出，使得反应更加充分，因此能够有效结合水化产物形成结石体。

图1 不同配比下新型注浆材料的结石率

2.2 凝结时间

凝结时间是影响注浆材料封堵效果的重要因素，基于室内试验，得到不同配比的新型OHC注浆材料的凝结时间如图2所示。由图2可知，材料组分的配比对OHC注浆材料的凝结时间有显著的影响。其中，OHC- 2和OHC- 8试样的凝结时间最短，凝结时间分别为32.9min和36.8min；OHC- 3和OHC- 5的凝结时间最长，凝结时间分别达到60.3min和56.4min。结合表1分析可以发现，影响新型OHC注浆材料凝结时间的材料成分比较复杂，但深入研究可以发现主要因素仍然是CMK的含量。由此可见，CMK材料的含量是影响新型OHC注浆材料凝结时间的主要因素。在其他成分维持不变情况下，随着CMK成分的增加，新型OHC注浆材料的凝结时间会逐渐变短。分析认为，这是由于CMK材料在水泥浆材料的反应中，能够起到加速水化反应作用以及填充作用，而CMK能够缩短凝结时间则是加速水化反应和填充作用综合影响下的结果。

图2 不同配比下新型注浆材料的凝结时间

2.3 抗压强度

抗压强度是影响注浆材料抗水压能力和长期封堵效果的重要指标，对不同养护龄期的新型OHC注浆材料开展室内抗压强度试验，得到养护后注浆材料的抗压强度试验结果见表2。由表2可知，OHC注浆材料的抗压强度随着养护时间的增长而不断增大，养护时间越长，则注浆材料的抗水压能力越好，封堵效果也就越好。在养护28d条件下，OHC- 2的抗压强度最高，达到15.11MPa；其次为OHC- 1和OHC- 9，抗压强度分别为12.33MPa和11.45MPa；OHC- 4和OHC- 5的抗压强度最低，仅达到7.44MPa和7.53MPa。结合表2进行分析可见，HBSC和CMK材料的组分是影响新型OHC注浆材料抗压强度的主要因素，且材料的抗压强度均随着HSBC和CMK材料含量的增加而增大，二者之间呈正相关。

表2 不同养护龄期下各OHC注浆材料试样的抗压强度单位：MPa

2.4 材料最优配比分析

由于水泥的工业生产消耗和排放污染较大，因此不具备绿色环保性。利用HSBC替代OPC，是制备绿色环保型注浆材料的重要手段。对HBSC、OPC和CMK材料的成分深入分析，发现制备新型OHC注浆材料的主要原材料为石灰石、铝矾土、石膏、高岭土和煤炭等成分。综合环保性、结石率、凝结时间以及抗压强度4个指标，得出新型OHC注浆材料的最佳配比组为OHC- 2组，此时，其组合成分为55%HBSC、35%OPC以及10%CMK，此时新型OHC注浆材料的结石率为97.1%，凝结时间为32.9min，抗压强度为15.11MPa，材料的综合性能最佳。