徐 行，郑 鑫，张 兆 强，刘 桂 德

(黑龙江八一农垦大学 土木水利学院，黑龙江 大庆 163000)

0 引 言

由于城市化建设飞速发展，城市用地越来越紧张，这使得城市建设转向地下空间发展。从目前的工程实践来看，大部分地下工程的覆盖土层为第四系地层，其中的砂性地层一般比较松散，承载力低，稳定性差，在施工过程中可能会发生坍塌等事故。为了保证工程的顺利进行，需对地层进行注浆加固或堵水[1]。注浆加固可以改善砂性地层的力学性能，如强度和刚度，提高其承载力，控制地表沉降[2]。

注浆加固的首要任务是选择一种合适的注浆材料。其中砂性地层常用的注浆材料有普通水泥单浆液、超细水泥单浆液、水泥-水玻璃双浆液等材料，这些传统注浆材料对水泥的消耗量极大，不利于社会的可持续发展。所以，目前学者们把研究方向转向绿色注浆材料的研制[3-7]。陈沣等对钢渣改性硅酸盐水泥-水玻璃双液注浆材料进行研究，根据研究结果配置的浆液早期强度高、软化系数大，适用于堵漏抢险工程中[6]。李召峰等以硫铝酸盐水泥熟料和钢渣微粉为主要原材料，成功制备了一种水泥基复合注浆材料，解决了注浆加固和堵水同步进行的难题[8]。王健等在水泥-水玻璃浆液中复掺矿渣和偏高岭土，解决了传统注浆材料后期强度倒缩、抗侵蚀性差的问题[9]。

综上所述，目前已有文献多研究注浆材料纯浆液的各项性能，但是针对注浆材料在砂土中的固化情况研究较少。在砂性地层中，注浆材料的加固效果主要体现在砂土固结体的强度和耐久性上，不能单纯从注浆材料净浆结石体的强度来判断[10]。所以为了研究砂性地层注浆材料的固结性能，需要对浆液砂固体的强度进行测定。由于现场砂土注浆后砂土固结体形状不规则，一般情况下取样比较困难，因此本文采用室内试验方式进行砂土固结体强度测试。室内试验虽会与现场试验结果存在偏差，但一定程度上可为现场试验或模拟现场试验提供参考。

本文拟通过室内试验，分析注浆材料种类、水玻璃体积掺量、含水率、水灰比、浆液的用量对浆液砂土固结体强度特性和变形特性的影响规律，并得到上述因素的最佳范围，以为注浆材料的选用提供参考。同时采用工业废渣作为注浆材料的主要成分，使工业废渣能够得到有效合理利用。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

水泥：采用辽宁山水工源42.5普通硅酸盐水泥，比表面积为350 m2/kg。钢渣微粉：采用辽宁鞍山钢铁集团矿渣开发公司生产的钢渣微粉，比表面积为450 m2/kg。矿渣微粉：采用辽宁鞍山钢铁集团矿渣开发公司生产的S95级高炉矿渣微粉，比表面积446 m2/kg。水泥、钢渣及矿渣的化学组分见表1。水玻璃：采用辽宁海沃德化工原料中心销售的工业水玻璃，模数2.7，将水玻璃加水稀释至浓度为35 °Bé。砂土：采用沈阳隧道工程开挖地层所取砂样，对砂土进行颗粒级配分析(见表2)，砂样分别为砾砂、粗砂和中砂。

表1 原材料的化学组分

表2 不同砂土的颗粒级配及组成

1.2 试验方法

本次试验砂土固结体强度的测定采用无侧限抗压强度测试方法进行。试验具体操作如下。

(1) 首先将粉体水泥、矿渣和钢渣按一定水灰比与水混合在一起，形成A液。再将水玻璃加水稀释至浓度为35 °Bé形成B液。A液与B液混合形成复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃浆液。

(2) 将砂土烘干，称量干砂的重量。浆液的用量分别占砂土质量的10%，20%，30%，40%，50%。

(3) 通过向砂土中添加不同质量的水来改变砂土的含水率，含水率在0～15%范围内逐渐改变。

(4) 将70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的塑料立方体试模刷上脱模剂，然后将砂土和浆液的混合体浇筑到试模中，在试模中自然成型，每组试验制作3个试件。

(5) 24 h后拆模，将试件放在标准条件下进行养护，养护至1，3，7 d和28 d。

(6) 达到养护天数之后，用数字式压力试验机测试其抗压强度，在测定过程中，加载速率控制在0.2 mm/min。

2 砂土固结体力学性能的影响因素分析

2.1 浆液种类影响

材料的种类对砂土固结体强度影响较大，现场施工中有多种注浆材料可供选择，本文采用水泥单浆液、水泥-水玻璃双浆液和复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃双浆液3种注浆材料进行试验。3种注浆材料的水灰比均为0.8，双液注浆材料的水玻璃体积掺量均为30%，3种浆液的用量占砂土质量的30%，砂土为粗砂，含水率为5%。

图1反映了随着龄期的增长，不同注浆材料对砂土固结体强度的影响规律。由图1可知：3种注浆材料对砂土固结体强度的影响表现出相同的规律，即砂土固结体的强度随着龄期的发展逐渐升高，最后趋于稳定。这是由于随着养护龄期的不断增长，水泥和工业废渣的水化反应不断进行，产生的水化产物也随之增多，水化产物的增多不仅填充了砂土颗粒的孔隙，而且对土体颗粒产生胶结作用，使砂土体的密实度增加。复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃双浆液的砂土固结体在7 d和28 d时强度较大，其原因在于高活性硅铝质物质与碱反应生成的水化产物主要为类沸石物质，该物质耐久性好，后期强度高。通过3种注浆材料对比，在砂土地层的注浆工程中，可以优先考虑复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃双浆液，因为此材料在获得相同的注浆加固效果前提下可以减少对水泥的消耗。通过3种材料对比分析，复掺钢渣和矿渣的双液注浆材料强度特性突出。因此下文主要针对复掺钢渣和矿渣的双液注浆材料的各个参数进行强度特性分析。

图1 浆液种类对砂土固结体强度的影响

为研究水泥掺量对注浆材料固结性能的影响规律，采用20%，30%，40%，50%，60%的水泥掺量，对砂土固结体的抗压强度进行研究。根据文献[11]和作者之前大量的室内试验结果[12]可知，钢渣和矿渣的比例在3∶7时复配效果较好，所以本次试验暂定钢渣和矿渣的比例为3∶7，浆液的水灰比为0.8，水玻璃体积掺量为30%，浆液的用量占砂土质量的30%，砂土为粗砂，含水率为5%。

图2反映了不同水泥掺量对砂土固结体强度的影响规律。由图2可知：当水泥掺量为40%、工业废渣掺量为60%时，砂土固结体后期强度最大，早期强度和水泥掺量为60%时接近。原因在于水泥掺量在40%以下时，工业废渣的掺量过多，而工业废渣早期反应较慢，所以产生的水化产物相对较少。当水泥掺量在40%时，矿渣中Si-O-Si、Al-O-Al、Si-O-Al键断裂重组，形成耐久性好的类沸石物质，有助于结石体后期强度的增长。并且水泥和钢渣水化产生的Ca(OH)2可以促进矿渣结构的解体，解体后的矿渣又吸收了钢渣水化反应产生的Ca2+，使浆液中的Ca2+减少。当水泥掺量为40%时，三者在水化反应中相互促进，使砂土固结体强度达到最大，所以复掺钢渣和矿渣的注浆材料具有良好的与砂土结合效果。

图2 水泥掺量对砂土固结体强度的影响

2.2 水玻璃体积掺量及含水率影响

本次试验中浆液的水灰比为0.8，浆液中水泥掺量为40%，工业废渣掺量为60%，其中钢渣与矿渣的质量比为3∶7。浆液的用量占砂土质量的30%，砂土为粗砂。表3反映了在含水率分别在0，3%和6% 3种情况下，水玻璃的体积掺量对砂土固结体强度的影响规律。

由表3可知：当砂土的含水率为3%、水玻璃体积掺量为50%时，砂土固结体的强度最大，3 d和28 d的强度高达1 758.73 kPa和2 996.50 kPa。从表3还可以看出：水玻璃体积掺量为50%的浆液加固含水率为3%的砂土效果最佳；水玻璃体积掺量为30%的浆液加固含水率为6%的砂土效果最佳以及水玻璃的体积掺量为75%的浆液加固含水率为0的砂土效果最佳。其原因在于当砂土含水率较低时，砂土较松散，水玻璃对砂土可起到胶结作用。但是当水玻璃掺量过大时，延长了浆液的水化反应时间，使固结体强度降低。

表3 水玻璃体积掺量对砂土固结体强度的影响

综合分析，水玻璃的体积掺量范围在30%～75%之间时，砂土固结体的强度较高，实际工程中应根据不同地质条件确定水玻璃的掺量。

图3反映了在水玻璃体积掺量为30%的情况下，含水率对砂土固结体强度的影响规律。由图3可知，随着含水率的提高，砂土固结体的强度先增大后减小。其原因在于当砂土含水率低于3%时，砂土较松散，极易压碎；当含水率超过3%时，砂土中的部分水分占据了砂土颗粒之间的孔隙，造成浆液进入砂土孔隙中的量减少，同时土体中水分的增加延长了浆液的反应时间，所以砂土固结体的强度降低。

图3 含水率对砂土固结体强度的影响

2.3 水灰比影响

水灰比是影响浆液固结性能的重要因素。本次试验中浆液的水玻璃体积掺量为30%，浆液的用量占砂土质量的30%，浆液粉料中水泥掺量为40%，工业废渣掺量为60%，其中钢渣与矿渣的质量比为3∶7，砂土为粗砂，含水率为6%。

图4反映了水灰比对砂土固结体抗压强度的影响规律。由图4可知，随着注浆材料水灰比的增大，砂土固结体的抗压强度逐渐减小。其原因在于随着注浆材料水灰比的增大，未参与水化的水分增加。未参与水化的多余水分填充了砂土颗粒的孔隙[12]，使浆液在孔隙中的含量降低。当水灰比为1.5时，固结体的1，3，7，28 d的抗压强度相比于水灰比为0.8时分别下降了51.62%，72.38%，48.09%，42.89%。

图4 水灰比对砂土固结体强度的影响

综合分析，水灰比过小会导致浆液的流动性能降低[13-14]，过大会导致强度急剧降低。所以水灰比的最佳范围在0.7～1.0时，浆液能够更好地加固砂土体。

2.4 浆液用量影响

由于注浆材料黏度的提高以及注浆压力的延程衰减，注浆材料在离注浆管远处的注入量比离注浆管近处的注入量少，这就使注浆材料的加固效果产生差异。为了分析浆液的用量对砂土固结体强度的影响，对10%，20%，30%，40%，50% 5种浆液用量进行试验研究。试验中复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃浆液中水玻璃的体积掺量为30%，水灰比为0.8，浆液中水泥掺量为40%，工业废渣掺量为60%，其中钢渣与矿渣的质量比为3∶7，砂土为砾砂、粗砂和中砂，砂土的含水率为6%。

图5反映了不同的浆液用量对砾砂、粗砂、中砂固结体28 d抗压强度的影响规律。随着浆液用量的增加，砂土固结体的抗压强度逐渐升高。其原因在于随着浆液用量的增加，浆液反应产生的C-S-H凝胶和类沸石物质增多[15]，形成的水化产物不仅填充了土体颗粒之间的孔隙，还会对土体产生胶结作用，使土体黏聚力提高。通过对比3种砂土的固结体强度，发现在水泥掺量较少的情况下，砾砂的固结体强度最大，粗砂的固结体强度次之，中砂的固结体强度最小，可见复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃双浆液对粒径较大的砂土加固效果更佳。

图5 浆液用量对砂土固结体28 d强度的影响

从图5可以看出，砂土固结体强度与浆液用量两者大致呈线性函数关系，通过室内试验数据的回归分析得到二者之间的关系为y=ax+b，相关性非常好，砂土固结体在不同养护龄期下的强度与浆液用量的关系式如表4所列。

表4 砂土固结体强度与浆液用量的函数关系

通过室内试验数据的回归分析方法[16]，得出砂土固结体强度与养护龄期两者呈幂函数关系，其形式大致为y=a(1-x-b)，存在一定的相关性。由于室内试验数据较少，所以此规律有待进一步验证。

3 砂土固结体的变形特性分析

应力-应变曲线反映了变形随着应力改变的变化规律，砂土固结体的变形特性是重要的力学特性之一。本文研究了浆液用量、砂土含水率等因素对砂土固结体的应力-应变曲线的影响规律，如图6～7所示。

图6反映了在加入复掺钢渣与矿渣的水泥-水玻璃双浆液的情况下，浆液(水灰比为0.8，水玻璃体积掺量为30%，浆液粉料中水泥掺量为40%，工业废渣掺量为60%，其中钢渣与矿渣的质量比为3∶7)用量分别为10%，20%，30%，40%，50%时的应力-应变曲线，其中砂土为砾砂，砂土含水率为6%，养护龄期为3 d。

图6 不同浆液用量的应力-应变曲线

图7反映了在加入复掺钢渣与矿渣的水泥-水玻璃双浆液的情况下，砂土含水率分别为0，3%，6%时的应力-应变曲线，其中砂土为粗砂，浆液用量为30%，养护龄期为3 d。

图7 不同含水率的应力-应变曲线

从图6和图7中看出，应力应变曲线在最开始呈上凹状，应变的变化值随着应力的增加逐渐减小，这是由于微裂隙在外界的压力作用下发生了闭合。接下来进入到弹性阶段，应力-应变曲线逐渐呈现直线状上升态势，应力应变增长较快。随后应力-应变曲线斜率减小，渐趋平缓，试件并没有立即破坏，此时出现部分裂缝。最后随着裂缝数量和裂缝宽度的增加，会出现多条主斜裂缝，这些裂缝渐渐贯通，导致应力应变曲线呈现下降趋势，最终试件破坏。因为复掺钢渣和矿渣双液注浆材料中添加水玻璃，导致试件的脆性较大。砂土固结体的破碎形态和应力应变曲线与注浆材料净浆结石体的相似，由此可见该注浆材料可以改变砂土的破坏形态，使砂土具有足够的强度。

4 结 论

由于本文试验均为室内试验，结果会与现场施工存在一定差异，但是依然可以为现场试验或施工提供一定的参考。

(1) 当水泥掺量为40%、钢渣和矿渣掺量为60%时，砂土固结体后期强度最大，这是水泥、钢渣和矿渣三者复合叠加作用的结果。

(2) 水玻璃体积掺量为50%的浆液加固含水率为3%的砂土效果最佳；而水玻璃的体积掺量为30%和75%的浆液分别在加固含水率为6%和0时的砂土效果最佳。

(3) 复掺钢渣和矿渣的水泥-水玻璃双液注浆材料的水灰比在0.7～1.0范围内时，浆液能够更好地加固砂土体。

(4) 浆液用量是对砂土固结体强度影响最大的因素，浆液用量和养护龄期分别与固结体强度呈线性及幂函数关系。