注浆加固除险是解决地质灾害的有效手段之一。但注浆材料大多存在成本较高、具有一定的污染等缺点。纳米材料在注浆领域中的应用解决了注浆材料的缺点[1]。微硅粉是很好的注浆材料之一。微硅粉(Silica Fume,简称SF)是铁合金厂在冶炼硅铁合金或半导体硅时,从烟灰中收集到的粉尘,唐山地区收集到的微硅粉粒径变化范围是0.2-2.0μm,平均粒径0.6μm左右,比表面积大,活性大,主要成分为SiO2,密度2.2 g/cm3。
1 微硅粉浆材的基本性能
1.1 化学成分及颗粒级配
由于微硅粉颗粒极细,比表面积大,因而浆材需水量大,保水性好,为了降低浆液水灰比和提高浆液的流动性,可在浆液中掺入适量的减水剂。浆液的化学成分及颗粒级配如表1、表2所示[2]。
1.2 抗压强度
室内525普通水泥进行配方试验[2]表明,浆液水灰比较大时,掺入微硅粉不但不能提高浆液结石体的强度,反而有所降低,同时使浆液出现分层现
象。微硅粉水泥浆的适宜配方大致为:水灰比0.5~0.6,微硅粉掺入量为6%~10%,减水剂UNF-5
掺量(占水泥质量)1.2%~2.2%,浆液粘度约为0.125 Pa.s,浆液结石体28天龄期抗压强度为55~66 MPa。配方试验结果如表3所示,室内试验抗压强度标准值1、3、28天分别为45.3、53.7、66.6 MPa。
试验结果表明,纯微硅粉水泥浆结石体的强度远大于同配方室内抗压强度试验,其原因主要是注浆压力使浆液密度增加的结果,如图1所示。挪威埃肯公司试验结果表明,将微硅粉掺入混凝土中则可显著提高混凝土的强度[4],如图2所示。该组数据是在水泥用量为390 kg/m3,水灰比为0.41情况下得到的。
探矿工程(岩土钻掘工程)表3
1.3 抗折强度
参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T17671-1999)标准检验,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,共3组,自然养护,试件的1、3、28天的抗折强度值分别为5·1、8·2、8·3 MPa[5]。
1.4 抗渗性能
依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》(BGJ 82-85)进行龄期为28天的抗渗性能试验[5],试件尺寸为175 mm×185 mm×150 mm,1组6个试样,自然养护,测试结果,试件的渗透系数<0·129×10-8cm/s,抗渗级别>S12。
1.5 可注性(流动性)
依据《水泥胶沙流动性测定方法》(GB/T 2419-94),使用JZ-2型水泥胶沙流动度测定仪,浆液水灰比为0·3,测试结果,流动度>300 mm[5]。
1.6 微膨胀性
当在微硅粉水泥浆中添加膨胀剂后,膨胀率可达0·02%以上[5],可以消除浆液固结体的收缩应力,保证浆液固结体不收缩。
1.7 凝胶时间
根据实际工程需要,浆液固结体的凝胶时间可在20~105 min内任意调整[5],终凝时间<5 h。
1.8 毒性
微硅粉水泥浆材料无毒性、无污染、无腐蚀性,应用范围广泛[5]。
2 工程应用
2.1 基础不均匀沉降的治理实例[2]
2.1.1 工程概况
三山岛金矿粉矿仓投入使用3个月后,发现矿仓柱基础出现不均匀沉降,墙体出现较大裂缝,矿仓被迫停止使用。经补充勘探证实,原勘探资料将人工堆石体误认为是中等风化花岗岩地基,采用了较高的承载力,由于不能满足上部结构对地基承载力的要求,因而基础发生不均匀沉降。为满足生产的需要必须对堆石体地基进行加固。
2.1.2 加固方案
粉矿仓直径为12 m,其下布置7个独立基础(中心布置一个基础,其余均匀布置在半径为6 m的圆周上),基础剖面如图3所示。
从图3中可以看出,基础与堆石体之间设有毛石垫层,其砂浆强度等级也不能满足设计要求。根据工程的具体条件,加固措施如下:
(1)在毛石垫层和堆石体中灌注高强度微硅粉水泥砂浆;
(2)堆石体下的土石层由于应力的扩散作用,所受应力已经较小,因而仅在3~6 m范围内灌注普通水泥浆;
(3)其中2个柱基下的地质条件复杂,发生过较大的沉降,因而除实施上述措施外,在基础侧下增设了直径为150 mm、深8 m的树根桩,并在基础下3 m范围内灌注环氧树脂浆液。
2.1.3 注浆施工
浆液配方为:浆液水灰比0·5,微硅粉掺入量(占水泥质量)为8·6%,UNF-5掺量(占水泥质量)2·0%,浆液粘度约为0·125 Pa·s,浆液结石体28天龄期的抗压强度为55~60 MPa。
施工顺序是:首先施工树根桩,然后在垫层内灌注微硅粉水泥浆,后在堆石体(3 m厚)内灌注微硅粉水泥浆,最后在堆石体下3~6 m范围内灌注普通水泥浆。微硅粉水泥浆的性能较复杂,造价相对较高,该工程又是微硅粉水泥浆在国内的首次应用,因此在施工中还采取了一些针对性的措施,如超密布孔,钻孔不冲洗,严格控制注浆压力,严密监测地面及墙体裂缝的变化情况,浆液配比称量准确,坚持用温水(30~40℃)溶化UNF-5,微硅粉和水泥充分拌和均匀后才加入液态UNF-5等。
2.1.4 浆液注入及分析
(1)在毛石垫层内共注入微硅粉水泥浆19·8m3,实际上应考虑到有部分浆液扩散到堆石体中。
(2)3 m厚的堆石体中共灌注微硅粉水泥浆80m3,注入量大,这表明有相当数量的浆液扩散到了相当大的范围内。
(3)堆石体下部3~6 m范围内及附加钻孔共注入水泥浆160 m3,实际上堆石体与下部土体的空隙是连通的,因而应将堆石体与下部的注浆量共同考虑,这样才符合实际。
(4)其中2个柱基下3 m范围内共灌注环氧树脂浆液12·3 m3。在地层孔隙已被微硅粉水泥浆基本填满的情况下,此浆液注入量是合理的。
2.1.5 效果检测
注浆施工过程中及注浆结束后,从钻孔中采取试样,送检测部门做单轴抗压强度试验,结果如下:
(1)纯微硅粉水泥浆结石,3个试样的强度分别为85·4、88·2、122·3 MPa,远大于同配方室内试验的结果,这主要是由于注浆压力使浆液密度增加的结果。
(2)微硅粉水泥浆与垫层石块结合体的强度接近微硅粉水泥浆结石体的强度,其原因是垫层石块为坚硬花岗岩,表面较干净。
(3)微硅粉水泥浆与地基堆石结合体的强度比上述结石体的强度低约50%,其原因是堆石中含有淤泥,注浆时又不容许洗孔,所以强度较低。
(4)一般水泥浆与地基堆石结合体的强度进一步降低,且波动较大,分析其原因主要是浆液本身强度较低,石块表面不干净。注浆加固工程结束后,观测粉矿仓基础的沉降,结果表明,柱基的最大沉降值仅为0·36 mm,上述资料表明,所有试样的强度都远大于设计要求,基础沉降可以忽略不计,满足工程正常使用的要求。
2.2 提高地基承载力的实例[3]
2.2.1 工程概况
大同矿务局一扇风机房基础,由于风井排水渗入扇内机基础下,导致粘性土地基含水量增加,承载力降低,基础沉降达19 mm,影响了扇风机主轴的正常运转,为使基础不再下沉,须对其地基土进行加固处理。经方案比较,决定采用微硅粉水泥浆材高压摆喷注浆加固技术处理。
2.2.2 注浆设计
由于扇风机房安装了2台扇风机,高喷设备及钻孔难以布置,只有在房顶高空作业。布置摆喷孔20个,如图4所示。采用分序作业的方式,一序孔为2、4、7、9、12、14、17、19号孔,其余为二序孔。一序孔采用水泥-水玻璃浆材,以加速浆液凝胶,防止摆喷时扇风机基础产生瞬时沉降;二序孔采用水灰比为1的水泥浆,附加剂为微硅粉、木质素磺酸钙、水玻璃。接近基岩处驻喷(不提升摆喷)3~5 min,毛石混凝土基础下2 m范围内复喷(见图4)。
2.2.3 注浆材料
注浆材料及用量见表4,浆液配比见表5。
施工中采用单向摆喷技术,水气同轴喷射,单向喷射,喷嘴每分钟摆动8~20次。技术参数如表6所示。
2.2.5 摆喷注浆效果
摆喷注浆施工过程中对基础的沉降进行了观测,未发现基础出现附加沉降。注浆施工结束6个月后检测时也未发现基础沉降,满足了设计的要求。
2.3 西安蓝田万军回铁路隧道永久支护实例
2.3.1 工程概况
西安至南京铁路线上的蓝田万军回铁路隧道全长750 m。该隧道是中国铁路隧道第一次试验使用钢纤维微硅粉增强喷射混凝土作为隧道永久支护。
2.3.2 喷射混凝土配合比(见表7)
2.3.4 喷射混凝土设计技术指标
(1)28天抗压强度>30 MPa(CECS 38-92);
(2)28天抗弯强度>2·5 MPa(JSEC-SE 4);
(3)28天韧度系数R30/10=60(ASTMC 1018-89);
(4)喷层厚度15~20 cm(钻机检查);
(5)钢纤维掺量40~60 kg/m3(含量用吸石检查);
(6)微硅粉掺量为37~38 kg/m3。
2.4 山西万家寨引黄工程喷射混凝土实例
2.4.1 工程概况
万家寨引黄工程一、二级泵站是引黄工程的重要组成部分,泵站区域内主要为灰岩、泥灰岩、白云岩和页岩,未见断层发育,地下水主要为上层滞水。
2.4.2 喷射混凝土配合比
喷射混凝土配合比采用正交试验法设计,根据试验结果,最后选定配合比如表9所示。混凝土抗压强度(28天)为53·2 MPa。
3 结语
挪威埃肯微硅粉加密收尘技术处于世界领先水平,我国青海民和镁厂是我国目前唯一引进挪威成套设备进行加密收尘的厂家。小浪底工程的泄洪构筑物,如孔板洞、明流洞、排沙洞、溢洪道等,考虑其抗冲刷的要求,曾大批量的使用微硅粉。微硅粉是一种高分散度和高活性材料,掺入微硅粉后基本不影响水泥浆的粘度,且浆液稳定性提高,能避免析水现象。由于微硅粉与火山灰发生反应,浆液固化后与一般水泥浆液结石体相比具有更高的抗压强度;水泥水化过程中生成的石灰质被固定,浆液结石体的空隙率显著降低,可使结石体在腐蚀环境中少受化学侵蚀或减少溶出现象。这种浆液的应用还不多见,但可以确信,微硅粉掺合料的特性应用于液浆领域是有利的,也是很有前途的。
参考文献:
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