高滲透性注漿材料滲透能力對比試驗分析

劉軍友 王志奇

〔摘 要〕為探究不同高滲透性注漿材料滲透能力的大小，以超細水泥、脲醛樹脂、硅溶膠3種材料為研究對象，設計了室內無壓河砂介質及有壓黏土介質注漿試驗，根據注漿后兩種介質中的固結體幾何形狀及裂隙發育程度，分析3種材料的孔內滲透能力強弱及擴散機制。結果表明，3種材料中，硅溶膠孔內滲透能力最強，脲醛樹脂次之，超細水泥最小，且隨著介質滲透性降低，其擴散方式由孔內滲流向劈裂裂隙管道流轉變，漿液滲透能力越弱，這一過程轉變的越快。

〔關鍵詞〕帷幕灌漿；超細水泥；硅溶膠；脲醛樹脂；漿液滲透性

中圖分類號：TD743? ? ? 文獻標志碼：B? 文章編號：1004-4345（2024）01-0006-03

Comparative Experimental Analysis of Permeability of Highly Permeable Grouting Materials

LIU Junyou1，2 ， WANG Zhiqi1，2

（1. North China Engineering Investigation Institute Co.， Ltd.， Shijiazhuang， Hebei 050031， China;

2. Technology Innovation Center for Groundwater Disaster Prevention and Control Engineering for Metal Mines， Ministry of Natural Resources， Shijiazhuang， Hebei 050031， China）

Abstract? In order to investigate the permeability of different highly permeable grouting materials， three materials， namely ultra-fine cement， urea formaldehyde resin， and silica sol， were taken as the research objects. Indoor grouting tests were designed for non-pressurized river sand media and pressurized clay media. Based on the geometric shape of the consolidated body and the degree of fracture development in the two media after grouting， the strength of the intra-pore permeability and diffusion mechanism of the three materials were analyzed. The results showed that， among the three materials， silica sol had the strongest intra-pore permeability， followed by urea formaldehyde resin， and ultra-fine cement had the weakest permeability. As the permeability of the medium decreased， its diffusion mode changed from intra-pore seepage to fracture pipeline flow， and the weaker the permeability of the slurry， the faster this process changed.

Keywords? curtain grouting; ultra-fine cement; silica sol; urea formaldehyde resin; slurry permeability

尾礦庫不僅是礦山重要的生產設施之一，還是環境保護、安全防護和水土保持的重要設施。我國早期建設的一些尾礦庫防滲標準不高、技術落后、工程質量差，加上長期以來管理不善，致使不少尾礦庫發生滲漏，對周圍生態環境產生危害，因此需要對其進行治理。

1? ?尾礦庫防滲治理現狀

目前，對尾礦庫淺部的滲漏治理手段較多，且治理后可以達到防滲標準。對于深部基巖，受上部覆蓋層及基巖開挖難度的限制，只能采用帷幕注漿技術進行防滲施工[1]。傳統注漿一般采用普通水泥作為注漿材料，對一些較大裂隙可以起到封堵作用，但對于基巖中一些微小的裂隙，封堵效果不佳。這是由于水泥漿注入時會產生滲濾效應，導致水泥顆粒在裂隙通道入口堆積，并最終堵塞裂隙通道[2]，從而無法對裂隙內部通道進行封堵。要使漿液能夠進入到這些微小的裂隙中，需要采用流動性更好、滲透能力更強的注漿材料，才能使注漿效果滿足防滲標準。

對于滲透性較低的地層，注漿材料主要使用的是具有高滲透性的化學漿[3-4]和超細水泥[5]?；瘜W漿本身具有較強的流動性，可以注入地層中的細微裂縫；超細水泥顆粒較細，其漿液也可以注入微小裂隙。但目前對這兩種材料的滲透能力強弱尚未完全掌握。為探究不同高滲透性注漿材料在介質中的滲透能力，本文擬以超細水泥、硅溶膠及脲醛樹脂3種高滲透性注漿材料為研究對象，通過室內注漿試驗，對比分析3種注漿材料在相同滲透介質中的滲透能力，為在尾礦庫深部的基巖微小裂隙中實施注漿工程提供參考。

1? ?試驗過程

1.1? 材料選擇

本次試驗選用注漿工程中常用的超細水泥、硅溶膠、脲醛樹脂3種高滲透性注漿材料作為研究對象，分別選用河砂和黏土作為待滲透介質。3種注漿材料各自的性能特點如下。

1）超細水泥。超細水泥是一種高性能超微粒水泥基灌漿材料。其漿液穩定性好，流動性相比普通水泥有顯著改善，具有良好的防滲固結效果。其滲透能力是普通水泥的12倍，接近于真溶性化學漿液；其結石強度大大高于化學漿材的強度；且該材料無污染，不老化，有慢慢代替化學漿液的趨勢。本次選用的超細水泥規格為1 250目，最大粒徑約為10 μm。

2）硅溶膠。硅溶膠是一種納米級無機材料，其通過將納米級SiO2顆粒分散在水中或溶劑，制成一種化學性質穩定、粒度分布均勻、無臭、無毒的膠體。該材料對環境友好，黏度低至近似水，這使其在微小的孔隙或裂隙中也能輕易滲透。本次試驗采用硅溶膠雙液注漿材料，雙液未混合前性質穩定，雙液混合后發生化學反應生成硅溶膠固體。

3）脲醛樹脂。脲醛樹脂注漿材料是尿素和甲醛在堿性或酸性催化劑的作用下，經加成、縮聚反應生成的初期高分子聚合物。其黏度較低，流動性較好，可滲透到約0.1 mm左右的微裂隙中，通過調節添加劑比例可以調節膠凝時間。

1.2? 漿液制備

由于超細水泥水灰比≥1.6∶1時，漿液不穩定[6]，因此從實際注漿情況考慮，本次試驗中超細水泥采用1∶1的水灰比制漿。為增加其流動性，添加1.5%的減水劑[9]，使用高速攪拌機將其充分分散，保證漿液均勻。脲醛樹脂注漿材料，以脲醛樹脂作為主液，通過添加1#、2#添加劑控制其韌性強度及凝結時間。經室內配比試驗，確定本次試驗中脲醛樹脂主液與1#、2#添加劑的比例為1∶0.04∶0.005。硅溶膠根據其使用說明，按雙液比例1∶1進行漿液配置。3種注漿材料配比、固水時間及其漿液黏度見表1。

1.3? 河砂介質注漿試驗

選取經過篩分后的河砂備用，在直徑25 cm的小桶中裝入備用河砂，每鋪一定厚度進行錘擊壓密，對其飽水后取樣，通過室內變水頭滲透試驗測得其滲透系數在10-2 cm/s左右，為中滲透介質。在不同小桶中用？覬12 mm麻花鉆頭進行鉆孔，分別澆筑水灰比為1∶1的超細水泥漿液（其中w減水劑＝1.5%）、脲醛樹脂漿液（1∶0.04∶0.005）、硅溶膠漿液（1∶1），直至漿液面保持不下降達到一定時間為止。注漿完成后，將硅溶膠和脲醛樹脂固結、析水3 d，超細水泥固結、析水7 d。析水結束后，清除未固結砂體，觀察不同注漿材料在河砂中的擴散范圍、滲透路徑及漿液與河砂固結體的幾何形狀及大小。

1.4? 黏土介質注漿試驗

采用黏聚力稍高的黏土作為待注介質，使用如圖1所示的注漿模擬試驗裝置進行漿液滲透試驗。試驗裝置頂部均勻分布若干孔洞用來模擬鉆孔，通過將輸漿管與不同位置鉆孔連接，可以實現在不同位置進行注漿，其余鉆孔不用時可進行封堵。裝置側緣設置有排水管，在固結析水過程中可以將內部水排出。

試驗開展前對黏土進行處理，去除雜質，將黏土搗碎篩分，保證黏土顆粒均勻。將處理好的黏土分次平鋪到試驗裝置倉內，每鋪一定厚度進行壓密搗實。黏土布置完成后，將其飽水后再固結排水7 d，增加其密實度。對試驗裝置倉內經過處理的黏土取樣，進行室內變水頭滲透試驗，測得其滲透系數在10-5 cm/s左右，為低滲透介質。

在進行往飽和黏土中無壓注漿時，只有硅溶膠漿液可以滲入，脲醛樹脂與超細水泥漿液到達鉆孔口后始終不下降，表明后兩種材料在無壓狀態下無法注入飽和黏土介質。因此，本次黏土介質采用的是有壓注漿方式，注漿壓力控制在0.2 MPa左右。注漿結束后，打開排水閥，將模型固結、析水一定時間，其中硅溶膠和脲醛樹脂固結、析水3 d，超細水泥固結、析水7 d。完成固結析水后，觀察漿液在黏土介質中的凝結狀態、擴散形式、固結體形狀。

2? ?試驗結果及分析

采用河砂介質的注漿試驗結果如圖2所示。圖中從左到右分別為超細水泥河砂固結體、脲醛樹脂河砂固結體、硅溶膠河砂固結體，三者漿液固結體擴散直徑分別為１５ mm、１８ mm、＞200 mm。

由圖2可知，3種注漿材料在無壓狀態下均可以在河砂介質中擴散，且固結體內并沒有發現裂隙。這表明3種材料漿液在河砂中的擴散形式均為孔內滲流擴散。漿液與河砂固結體均呈圓柱狀，表現為垂向擴散深度大于橫向擴散寬度，這是由于漿液密度大于水的密度，在重力作用下漿液的垂向擴散速度大于橫向擴散速度。3種漿液河砂固結體中，硅溶膠河砂固結體擴散直徑遠大于另外兩種材料與河砂的固結體，脲醛樹脂的擴散直徑次之，大于超細水泥的擴散直徑15 mm，這表明在中滲透性河砂介質中，硅溶膠漿液的滲透擴散能力最強，遠大于超細水泥和脲醛樹脂漿液，其次為脲醛樹脂，超細水泥的擴散能力最小。

在黏土介質注漿模擬試驗中，硅溶膠、脲醛樹脂、超細水泥漿液在黏土中的滲透擴散情況如圖3所示。其中，線條圈起位置為裂隙的分布范圍?？梢钥闯?，3種注漿材料均可在低滲透性的黏土介質中擴散，其擴散結果包括漿液在孔隙中滲流與黏土結合形成固結體和填充在裂隙中的“巖脈”狀漿液凝固體的兩種形式。黏土介質中裂隙的出現說明3種材料漿液的孔內滲透擴散受阻，部分漿液壓力作用于黏土固體顆粒，使之產生位移，進而產生裂隙。黏土中的裂隙寬度、擴展長度及裂隙內漿液凝固體體積大小為超細水泥最大，脲醛樹脂次之，硅溶膠最小，其裂隙寬度（取最寬處）分別為5 mm、2 mm、0.5 mm。注漿試驗結果顯示，漿液與黏土的固結體沿著裂隙兩側分布，其中硅溶膠漿液黏土固結體可以剝離出明顯的不規則幾何體，脲醛樹脂和超細水泥由于其固結體體積較小，未能剝離出完整的幾何體，所以無法比較兩者在黏土介質中滲透擴散能力的大小。

為比較3種材料漿液在黏土介質中的孔內滲透能力強弱，以漿液在介質中遇到的阻力進行分析。當注漿壓力較大，僅靠土體滲透無法使其消散時，過高的漿液壓力將作用于介質使其產生劈裂通道[10]，即本次試驗中的裂隙。注漿產生的裂隙越發育，說明用于促使土體變形的漿液壓力越大[11]。因為3種材料漿液在注漿試驗中黏土介質及注漿壓力相同，所以裂隙越發育，通過孔內滲流抵消的漿液壓力越小，即漿液孔內滲流能力越弱。根據試驗結果，超細水泥在黏土介質中注漿后的裂隙最為發育，脲醛樹脂次之，硅溶膠最不發育，結合前述分析，得出在黏土介質注漿試驗中，硅溶膠孔內滲透擴散能力最大，脲醛樹脂次之，超細水泥最差。

對比河砂介質注漿試驗和黏土介質注漿試驗發現，3種材料漿液在中滲透性河砂介質中的擴散機制為孔內滲透擴散，而在低滲透性黏土介質中的擴散方式為裂隙管道流和孔內滲流擴散。這表明，隨著介質滲透性的降低，漿液壓力相對于孔內滲透作用所需的滲流力過大，此時多出的漿液壓力將對土體產生劈裂作用，形成裂隙通道，擴散形式逐漸向裂隙管道流形式轉變，且漿液的滲透能力越弱，這一過程轉化得越快。

3? ?結論

通過對硅溶膠、脲醛樹脂、超細水泥3種高滲透性注漿材料分別在河砂介質和黏土介質中的注漿試驗，得到如下結論：

1）采用河砂和黏土分別模擬中滲透性和低滲透性待注介質，用超細水泥、硅溶膠、脲醛樹脂3種注漿材料進行了室內注漿試驗。試驗結果表明，在中滲透性河砂介質中，硅溶膠的滲透擴散能力最大且遠大于另外兩種材料，其次為脲醛樹脂，最后為超細水泥。在低滲透性黏土介質中，滲透擴散能力最大為硅溶膠，其次為脲醛樹脂，最后為超細水泥。由此得出，在滲透介質相同時，硅溶膠滲透擴散能力最大，脲醛樹脂次之，超細水泥最小。

2）在中滲透性河砂介質中，3種漿液的擴散形式均為孔內滲流擴散，在重力作用下，其垂向擴散速度大于橫向擴散速度。在低滲透性黏土介質中，漿液擴散形式為孔內滲流與劈裂裂隙管道流共存。這表明隨著介質滲透性的降低，擴散形式由孔內滲流逐漸向裂隙管道流擴散形式轉變，且漿液的滲透能力越弱，這一過程轉變的越快。

3）在低滲透性黏土介質中，3種材料漿液都可以通過劈裂作用產生裂隙通道來增加漿液的擴散范圍，但對于強度較大的低滲透性基巖介質，此種作用對于漿液擴散程度的貢獻作用還有待研究。

參考文獻

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收稿日期：2023-06-12

作者簡介：劉軍友（1994—），男，主要從事水工環地質方面的工作。