全風化花崗巖地層可灌性漿材試驗研究

蔣煌斌，張貴金，傅小姝，王江營，段吉鴻，張學森，匡楚豐

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全風化花崗巖地層可灌性漿材試驗研究

蔣煌斌1, 2，張貴金1, 2，傅小姝1, 2，王江營1, 2，段吉鴻3，張學森3，匡楚豐1, 2

(1. 長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114； 2. 水沙科學與水災害防治 湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410076； 3. 紅河哈尼族彝族自治州水利水電工程地質勘察咨詢規劃研究院，云南 蒙自 661199)

基于云南紅河州區域全風化花崗巖地層可灌性分析，研究配制濕磨黏土水泥漿材，進行超細水泥、濕磨細水泥和濕磨黏土水泥在不同灌漿工藝下的室內對比試驗，驗證漿材可灌性能，得到云南紅河州全風化花崗巖地層可灌性材料等級劃分表。研究結果表明：原漿比重1.15，1.20，水固比0.6，1.0及1.2的濕磨黏土水泥漿材，平均粒徑為4.5 μm；析水率為0%~2%，穩定性好；凝結時間及流動度隨水固比均在一定范圍內可調；結石體28 d抗壓強度可達5.0~21.7 MPa，滿足一般灌漿加固要求。研究成果對指導現場施工及類似工程具有應用價值。

灌漿工程；全風化花崗巖；濕磨黏土水泥漿材；可灌性

我國全風化花崗巖分布廣泛，地表全風化花崗巖結構破壞嚴重，成砂礫狀，微小裂隙發育，遇水易軟化崩解。水利工程中壩基或壩肩遇到此類地層時，其防滲和強度無法滿足要求，需對其進行防滲加固，灌漿是一種有效手段。對云南某水利工程壩基現場試驗發現采用普通水泥漿材無法有效灌注，過水不過漿問題突出，低壓灌漿情況下可灌性差，高壓灌漿情況下又會產生劈裂，難以獲得均一性效果。影響這類地層可灌性的主要因素有漿材特性和灌漿工藝，其中，使用可灌性好、灌漿效果理想的漿材，是灌漿加固工程急需解決的問題。關于可灌性漿材研究及其應用方面，目前對砂礫石地層或裂隙發育巖土體灌漿研究成果很多。于秀文等[1]進行砂礫巖灌漿試驗，證明用超細水泥對砂巖和巖石的細微空隙或裂隙有很好的可灌性；王安等[2?3]用更小顆粒粒徑的濕磨細水泥漿材對細微裂隙發育巖體灌漿的效果好，但成本高于普通水泥漿材；肖恩尚等[4]通過室內試驗，確定了濕磨細水泥的施工工藝與技術參數。譚日陞[5]研究具有良好流動性和滲透性的MMA化學灌漿材料，能很好地滲透進風化巖石細微裂隙并固化；鄒德兵等[6]在水泥灌漿的基礎上，配合采用丙烯酸鹽對風化、卸荷裂隙發育的泡砂巖地層進行控制性復合灌漿，效果良好。關于受灌地層特性對可灌性的影響方面，對于砂礫石地層，工程界多以可灌比值的大小判斷漿液是否能灌入，但判定標準則有所不同。Mitchell[7]認為≥25時水泥漿液才能灌入砂礫石地層，king等[8]則認為≥16時才能保證漿液能灌入砂礫石地層，秦鵬飛[9]則認為≥15時砂礫石地層才具有良好可灌性。而Bell[10]認為水泥顆粒徑必須小于土壤顆粒粒徑的1/10才能灌入砂礫石地層。徐拴海等[11]試驗證明超細水泥漿液無法對洛河組砂巖實現灌注，原因是砂巖空隙孔徑很小并且很多孔隙中還有填充物質占據了孔隙的大部分空間，使水泥顆粒難以進入，黏土礦物遇水崩解、沖移，堵塞喉道，使水泥漿液無法進入孔隙。張作媚[12]認為除了可灌比值，灌漿壓力、漿液流動性及穩定性都是影響地層可灌性的重要因素。因此，可灌性不僅僅受到灌漿材料特性的單一影響，還受地層特性、灌漿工藝等的組合影響。本文針對云南紅河州區域的全風化花崗巖地層進行可灌性分析，提出濕磨黏土水泥可灌性漿材，并通過不同工藝及灌漿材料的室內灌漿模擬試驗，驗證該材料的可灌性效果。綜合灌漿材料特性、地層特性、灌漿工藝等評價，得到云南全風化花崗巖地層可灌性漿材的定量分級和適用工藝，為類似灌漿工程提供指導依據。

1 地層可灌性

全風化花崗巖地層的顆粒尺寸與灌漿材料顆粒尺寸的相互關系，可用式(1)來表示其可灌性。一般認為≥15時，地層具有很好的可灌性。

式中：15表示地層中小于某粒徑的土含量占總質量的15%；85表示灌漿材料中小于某粒徑的顆粒占總質量85%。

對云南紅河州全風化花崗巖地層顆粒進行粒徑分析，得出巖土體顆粒粒徑最大不超過10 mm，15等于0.15 mm。如采用普通水泥漿液灌注，其85一般為0.05 mm，根據式(1)可知其對云南紅河州區域全風化花崗巖可灌比值為3，遠小于15，可灌性很差，現場灌漿試驗和室內模擬實驗均證明普通水泥漿液無法灌入該地層，過水不過漿，僅在表層形成濾餅(見圖1)。對此地層灌漿防滲加固，則需要良好的可灌性漿材，漿材85應在0.01 mm左右。比較接近的幾種漿材分別是超細水泥及濕磨細水泥：超細水泥平均粒徑為3 μm，滿足粒徑要求，但其成本較高；濕磨細水泥濕磨后水泥顆粒變小、比表面積增大、溫度增大，易出現顆粒抱團現象，所以大粒徑依然存在，導致粒徑范圍在8~30 μm之間變化。因此研究配制新型濕磨黏土水泥漿材，不但其成本合理，且粒徑滿足要求。

圖1 表層濾餅

2 濕磨黏土水泥漿材

黏土加水配成黏土原漿，在原漿中加入普通硅酸鹽水泥，攪拌2~3 min，再將配好的黏土水泥漿液放入膠體磨機濕磨5 min，形成濕磨黏土水泥漿液。濕磨后漿液黏土性能充分發揮，得到了更好的穩定性，使得水泥顆粒均勻分散無法抱團。與濕磨細水泥相比，黏土取代部分水泥后，不僅成本降低，平均粒徑減小，其基本性能也有很大改善。

2.1 原材料

試驗原材料主要是黏土、普通425水泥：黏土取自云南工地現場，黏土總體偏酸性，主要成份為埃洛石(Al2[Si2O5](OH)4·2H2O)，次要成份為(SiO2)，其無側限抗壓強度為0.19 MPa，其他物理指標見表1。

表1 黏土基本物理指標

2.2 試驗方案

原漿比重和漿材水固比是影響濕磨黏土水泥漿材性能的2個重要因素。本文原漿比重優選1.15 (水土比4.0)和1.20(水土比3.0)，水固比取0.6，1.0及1.2，并與超細水泥、濕磨細水泥進行對比試驗，試驗方案見表2。

表2 濕磨黏土水泥漿材試驗方案

2.3 顆粒粒徑分析

采用MASTERSIZER2000激光粒度儀對超細水泥、濕磨細水泥及濕磨前后黏土水泥(原漿比重1.20、水固比1.0)漿液進行粒徑分析，其結果如圖2。超細水泥、濕磨細水泥、濕磨黏土水泥及黏土水泥平均粒徑分別為3.0，15.5，4.5和22.9 μm，較濕磨前濕磨黏土水泥漿液平均粒徑下降80%，前3種漿材D85分別為3.4，10.2和20.6 μm左右，據式(1)可知3種漿材的可灌性由高至低依次為超細水泥(可灌比值為44.0)、濕磨黏土水泥漿材(可灌比值為14.7)、濕磨細水泥(可灌比值為7.2)。

2.4 析水率

析水率是反映漿液穩定性的重要指標，采用100 mL圓柱量筒測定。量筒裝滿漿液，靜置至析出清水高度不再增加時，該高度即為析水率，結果如圖3。濕磨黏土水泥、濕磨細水泥及超細水泥漿材析水率分別為0%~2%，5%~57%及14%~63%，其大小均隨水固比增加而增加，其中濕磨細水泥及超細水泥漿材析水率受水固影響較大。濕磨后的漿材溫度增大水化反應加快，穩定性增加，黏土的黏性也充分發揮，故濕磨黏土水泥穩定性最好、濕磨細水泥及超細水泥次之。

圖2 顆粒分布圖

圖3 漿材析水率

2.5 初凝時間

采用標準維卡儀對漿材的初凝時間進行測定，結果如圖4。濕磨細水泥、超細水泥、濕磨黏土水泥的初凝時間依次減小，其大小隨水固比的增加而增加，其中濕磨黏土水泥原漿比重為1.15時，初凝時間在95~175 min內可調，黏土比重為1.20時，初凝時間在77~148 min內可調，滿足一般硅酸鹽水泥漿材的初凝時間不得早于45 min的規范要求，針對不同工程需求，可選取合適配比進行施工。

2.6 流動度

流動度的大小影響著漿材的擴散半徑、注漿 流量等參數。采用標準凈漿流動度試模進行測試，結果如圖5。隨著水固比的增加漿材流動度變大，濕磨黏土水泥漿材的流動度在15~26 cm內可調，最小值大于水泥凈漿規范最小值1.8~2.2 cm，符合要求。濕磨黏土水泥漿材中的黏土經濕磨后其黏性發揮出來，使其流動性明顯小于超細水泥及濕磨細水泥，有助于控制漿液的擴散半徑。

圖4 漿材初凝時間

圖5 漿材流動性

2.7 結石體抗壓強度

試件制作成70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體，采STYE-3000C型電腦全自動混凝土壓力試驗機進行測試，結石體抗壓強度結果如圖6。3種漿材結石體抗壓強度由高到低依次是超細水泥、濕磨細水泥及濕磨黏土水泥，由于黏土取代了部分水泥，使得濕磨黏土水泥漿材結石體強度下降，但其結石體28 d抗壓強度范均大于5 MPa，滿足一般地基安全承載和穩定要求。隨原漿比重減小或水固比減小，其結石體抗壓強度增加，其中水固比為0.6的結石體28 d抗壓強度達20 MPa以上，滿足百米級水頭高壩壩基或其他類工程灌漿加固的要求。

(a) 7 d強度；(b) 14 d強度；(c) 28 d強度

3 灌漿模擬試驗

3.1 試驗方法

選用云南紅河州區域全風化花崗巖料源，對比超細水泥，濕磨細水泥和濕磨黏土水泥3類漿材(原漿比重1.20，水固比1.0)，開展穩壓及脈動灌漿2種工藝條件下的模擬試驗，具體步驟如下：

1) 受灌土體填充：受灌體容器選用內徑44 cm、高為65 cm的可拆卸式剛性圓罐，將風化巖土料加入罐內采用人工法夯實，使密度接近現場真實情況，達到1 881.8 kg/m3。插入注漿管，出漿口離受灌體容器底部200 mm，加蓋重控制抬動。

2) 灌漿設備及管路連接：用DMAR-04型電動灌漿泵進行穩壓灌漿，通過出漿管將灌漿泵與灌漿管直接相連；采用YLSD-2型手搖灌漿機進行脈動灌漿，分別通過吸漿管、出漿管將脈動泵與儲漿箱、灌漿管相連，管路具體連接見圖7。

3) 配制漿液：按配比拌制符合試驗需要的漿材，置入儲漿箱。

4) 灌漿：穩壓灌漿，接通電源，灌漿泵自動起壓，當受灌體發生冒漿或表面出現抬時結束灌漿；脈動灌漿，搖動搖桿施加10 s 1次的低頻脈沖壓力實施灌漿，以受灌體發生冒漿或表面出現抬時結束灌漿。

圖7 灌漿模擬試驗裝置示意圖

3.2 試驗結果

對試驗中灌漿參數進行監測，結果如表3所示，對灌后巖土體進行開挖，其漿脈擴散情況如圖8所示。結果表明，超細水泥漿材在2種灌漿工藝下均能有效的灌入巖土體，且漿脈擴散距離都達到350 mm以上，但在穩壓灌漿工藝下形成的漿脈為水平走向，而脈動灌漿工藝下漿脈為垂直走向；濕磨細水泥在穩壓灌漿工藝下無法灌入巖土體，而在脈動工藝下卻能很好地灌入，漿脈擴散距離達370 mm，且形成均勻的圓柱狀膠結體；濕磨黏土水泥漿材在2種灌漿工藝下均能有效的灌入巖土體，漿脈擴散距離達350 mm，且都能形成均勻的類圓柱狀膠 結體。

表3 灌漿參數

(a) 超細水泥；(b) 濕磨細水泥；(c) 濕磨黏土水泥

4 評價與總結

4.1 可灌性評價

試驗研究表明：超細水泥具有最大的可灌比值，可灌性最好，但其穩定性最差，流動性最大，在灌漿中難以起壓，漿液擴散范圍難以控制，只形成單一漿脈，導致漿液隨漿脈延伸至容器接觸面溢出，不能形成良好的膠結體，且耗漿量大。濕磨細水泥可灌比值最小，可灌性最差，由于其大顆粒在壓力小的情況下易抱團堵塞巖土體孔隙通道，在穩壓灌漿工藝下，壓力由小變大，在壓力小時顆粒堵塞通道，出現濾餅類似圖1，導致壓力增大后無法灌入巖土體，而脈動灌漿的低頻沖擊壓力，能有效沖散抱團顆粒，降低其堵塞概率。濕磨黏土水泥，可灌比值較大，具有良好可灌性，且漿液穩定性好，其較小的流動性使得漿液在灌漿中很好的起壓，且漿液擴散范圍可控，黏土的黏性充分發揮，增加與土體的膠結能力，形成均勻的膠結體。綜合比較，對云南紅河州全風化花崗巖地層灌漿處理，推薦選用濕磨黏土水泥漿材。

由于巖土體的可灌性取決于灌漿材料特性、地層特性及灌漿工藝等的組合影響。因此，采用受灌地層孔隙寬度度量地層的可灌性(普遍認為顆粒細度小于裂隙寬度的1/3~1/5時才能有效的灌入)；采用可灌比值定量描述灌漿材料相對地層特性的可灌性；引入灌入率(表示巖土體單位時間內在一定的壓力下，單位長度受灌巖土體所灌入漿液的量，其計算式如式(2)描述灌漿工藝、地層、漿材綜合影響下的可灌性；并參考室內模擬實驗得到的灌漿方法(脈動與穩壓)從一個側面反映可灌性。

式中：為灌入率，/(min?m)；為單位長度，m；為灌入漿液流量，/min；為灌漿壓力，MPa。

對地層漿材可灌性的評價應綜合上述多個方面的多個指標，得到云南紅河區域全風化花崗巖地層可灌性漿材的定量分級和適用工藝(見表4)，對類似地層灌漿也有參考意義。

4.2 經濟性評價

漿材的經濟性直接影響到其工程應用價值，以下對超細水泥、濕磨細水泥和濕磨黏土水泥3種漿材的進行經濟比較。由表5可知，超細水泥漿液成本最高，達1 100元/t，濕磨細水泥及濕磨黏土水泥漿液成本較小且較為接近，其中濕磨黏土水泥漿液成本最小，為230元/t；考慮制漿工藝，濕磨漿液需增加機電損耗；受原材料產地影響，超細水泥及黏土受運費影響較大。綜合考慮，在黏土資源豐富地域，濕磨黏土水泥最經濟，濕磨細水泥及超細水泥次之；缺乏黏土資源時，濕磨細水泥較經濟。

表4 云南紅河區域全風化花崗巖地層可灌性漿材劃分

表5 漿材成本估算

注：表中漿液水固比均為1:1，黏土原漿比為1:20；單價均按市場材料單價加濕磨機械臺時費計算，不包括材料運費

5 結論

1) 云南紅河州全風化花崗巖地層對超細水泥、濕磨細水泥、濕磨黏土水泥漿材的可灌比值分別為44.0，7.2和14.2，其中超細水泥可灌性最好，濕磨黏土水泥次之，濕磨細水泥較差。但超細水泥成本高，穩定性差，漿液擴散范圍不可控，濕磨細水泥在不同灌漿工藝下可灌性差異大，故該類地層灌漿推薦選用濕磨黏土水泥漿材。

2) 濕磨黏土水泥漿材析水率為0%~2%，具有良好的穩定性，可顯著提高灌漿膠結能力及結石率；初凝時間在77~175 min內可調控，更好的適應工程需要。漿材結石體28 d抗壓強度可達到5~10 MPa左右，其中水固比為0.6的結石體28 d抗壓強度能達到20 MPa左右，滿足一般灌漿加固工程的要求。

4) 地層可灌性影響因素除了地層特性及漿材特性，灌漿工藝也不可忽視，選用濕磨水泥漿材灌漿時應考慮采用脈動灌漿工藝。

5) 以地層孔隙寬度、可灌比值、灌入率、灌漿工藝等為依據，得到云南紅河區域全風化花崗巖地層可灌性漿材定量分級及適用工藝，對指導現場施工及類似工程具有重要意義。

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(編輯 涂鵬)

Experimental study on irrigated pulp of fully weathered granite

JIANG Huangbin1, 2, ZHANG Guijin1, 2, FU Xiaoshu1, 2, WANG Jiangying1, 2, DUAN Jihong3, ZHANG Xuesen3, KUANG Chufeng1, 2

(1. School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410076, China; 2. Key Laboratory of Water & Sediment Science and Water Hazard Prevention of Hunan Province, Changsha 410076, China; 3. Honghe Hani Yi Autonomous Prefecture Water Resources and Hydropower Engineering Geological Drill Team, Mengzi 661199, China)

Based on the analysis of irrigability of the fully weathered granite stratum in Honghe Prefecture, Yunnan, this paper studies the preparation of wet grinding clay cement paste, and systematically studies the particle size, water release rate, setting time and compressive strength of stone body through laboratory tests. The results show that the concrete slurry with 1.15, 1.20 and 0.6, 1 and 1.2 wet ground clay cement slurry with an average diameter of 4.5 μm; The water separation rate is 0%~2%, and the stability is good;The setting time and flow degree are adjustable with the water solid in a certain range; The 28 d compressive strength of the stone body could reach to 5.0~21.7 MPa, which meets the requirements of general grouting reinforcement. The laboratory tests of ultra-fine cement, wet grinding fine cement and wet grinding clay cement under different grouting processes in Yunnan Honghe fully weathered granite soil were carried out to verify the grouting performance of the slurry.Based on the formation pore width, irrigation ratio, irrigation rate and grouting technology, we can get the classification table of the total weathering granite stratum in Honghe Prefecture, Yunnan,the analysis of economic comparison shows that the research results are valuable for the guidance of field construction and similar projects.

grouting engineering; fully weathered granite; wet ground clay cement paste; grout ability

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.10.007

TU472

A

1672 ? 7029(2018)10 ? 2501 ? 08

2017?08?04

國家自然科學基金資助項目(51279019)；湖南省重大水利科技項目(湘財農指[2015]145號)

張貴金(1963?)，男，湖南張家界人，教授，博士，從事水利工程基礎處理研究；E?mail：493340832@qq.com