砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆——PS-F灌浆材料的特性

　　通过对PS-G、PS-Z和PS-F浆材性能的对比研究和现场灌浆试验，发现PS-F具有一些更适合于砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆的特性，如和易性好，浆液不产生离析，因此有很好的可灌性。浆液的初凝速度、终凝速度和浆液结石体的强度可通过调配PS的模数和固化剂的用量得到很好的控制，特别是浆液结石体基本无收缩变形。另外，粉煤灰是火力发电厂排出的废料，成本低廉，这样PS-F灌浆材料具有大规模推广应用的价值，因此我们对这一灌浆材料作了进一步的专项研究。
　　(一)实验
　　1.粉煤灰(F)的化学组成、矿物成分和基本的物理性质
　　粉煤灰的主要化学组成为：SiO2占52.23%，Fe2O3占12.38%，Al2O3占25.27%，CaO占4.45%，MgO占3.58%，SO3占0.22%
　　粉煤灰的主要矿物成分是空心球状的硅线石(化学组成主要是SiO2)和石英。
　　原始粉煤灰的密度为2.30g/cm3，粒度<0.1mm的粉煤灰的密度为2.32g/cm3，粒度>0.1mm的粉煤灰的密度为2.12g/cm3。
　　粉煤灰的颗粒组成为：>0.3mm为0，0.1～0.3mm占13%，0.05～0.1mm占31%，0.005～0.05mm占56%，<0.005mm为0。
　　粉煤灰的界限含水量为：液限WL=37.02%，塑限Wp=33.03%，塑性指数，Ip=3.99。
　　根据颗粒组成和塑性指数判断，粉煤灰属粉质土。
　　制样时，F：PS=1：0.65，即控制含水量为65%，大于液限，此状态时PS-F浆液处于流态。
　　2.PS-F的主要物理性质
　　PS-F的密度为2.32g/cm3，干密度为2.10g/cm3，孔隙率n=52.6%，平均孔隙比为0.345，吸水率为36.0%，饱和吸水率为42.7%。
　　3.PS-F的主要力学性能
　　(1)龄期与PS-F浆液结石体强度的关系
　　选模数为M1、M2、M3、M4的4种PS水溶液(模数由低到高)，PS浓度为17.33%(密度1.13g/mL)。采用F：PS=1：0.65的水灰比，掺加2%的氟硅酸钠固化剂，钢模成型(PS-F)，制作4cm×4cm×16cm的抗折、抗压试块，进行不同龄期的强度实验，结果见表7-41，图7-19、图7-20。
　　实验结果表明：模数为M1、M2、M3和M4的PS-F浆液结石体的强度特点是，强度增长快，早期强度大，3d时可达龄期强度的68%，14d时可达到龄期强度的87%。
　　(2)固化温度对PS-F浆液结石体强度的影响
　　本实验以不同龄期试块和加热时间长短不同而做两种条件下的浆液结石体强度实验。
　　第一个实验采用模数M1、M2、M3和M4的4种PS水溶液，PS浓度为13.3%(密度1.10g/mL)。以F：PS=1：0.65的水灰比，掺加2%氟硅酸钠固化剂。以5d龄期的试块分别在15℃、30℃、50℃和150℃温度下各烘1h，测试每种温度下PS-F浆液结石体的强度，结果见表7-42，图7-21。
　　第二个实验采用模数M2和M3的PS水溶液，PS的浓度为13.3%(密度1.10g/mL)。以F：PS=1：0.65的水灰比，掺加2%氟硅酸钠做固化剂。以7d龄期的试块分别在50℃、100℃和150℃下各烘8h，测每种温度下的PS-F浆液结石体的强度，结果见表7-43，图7-22a、b。
　　试验结果表明，随固化温度升高，PS-F浆液结石体抗折、抗压强度明显提高。
　　(3)PS浓度对PS-F浆液结石体强度的影响
　　选模数为M1、M2、M3和M4的4种PS水溶液。采用F：PS=1：0.65的水灰比，掺加2%的氟硅酸钠做固化剂。分别做浓度5.3%(密度1.04g/mL)、9.3%(密度1.07g/mL)、13.3%(密度1.10g/mL)和17.3%(密度1.13g/mL)的PS-F浆液结石体试块，测龄期28d的试块波速、抗折、抗压强度，结果见表7-44，图7-23、图7-24。
　　实验结果表明，随PS浓度提高，PS-F浆液结石体的抗折和抗压强度明显提高，且以低模数M1的提高更为明显。
　　(4)PS的模数对PS-F浆液结石体强度的影响
　　分别采用模数为M2、M3、M4和M5的PS的溶液，以F：PS=1：1的水灰比，掺加2%氟硅酸钠做固化剂，做每种模数PS-F浆液结石体14d龄期和28d龄期的抗折、抗压强度，结果见表7-45。
　　实验结果表明：以模数为M2时，PS-F浆液结石体的抗折、抗压强度最大，同时显示出模数高于M2之后，随模数增大，PS-F浆液结石体的抗折、抗压强度呈下降趋势。
　　(5)水灰比对PS-F浆液结石体强度的影响
　　用模数为M2和M3的PS的水溶液，PS浓度为17.3%(密度1.13g/mL)。掺加2%氟硅酸钠固化剂，分别做F：PS为1：0.6，1：0.9和1：1.2三种水灰比的PS-F试块，待7d龄期后将试块在100℃加热24h，然后测每种水灰比的浆液结石体的抗折、抗压强度，结果见表7-46，图7-25a、b。
　　实验结果表明：当增大水灰比时，即PS掺量增大时，PS-F浆液结石体的抗折、抗压强度明显增大。
　　(6)固化剂掺量对PS-F浆液结石体强度的影响
　　PS-F浆液中掺加适量氟硅酸钠固化剂，这样可以很好地控制浆液的凝固速度，便于砂砾岩岩体裂隙灌浆。同时固化剂又具有膨胀作用，可防止浆液结石体收缩，以保证灌浆的密实和质量。
　　用模数为M1、M2、M3和M4的PS水溶液，PS的浓度为17.33%(密度为1.13g/mL)。以F：PS=1：0.65的水灰比，分别制作氟硅酸钠固化剂掺量为0、1%、2%、3%和4%的PS-F浆液结石体试块，测龄期28d的抗折、抗压强度，结果见表7-47，图7-26、图7-27。
　　实验结果表明，氟硅酸钠固化剂掺量对PS-F浆液结石体抗折强度影响极小。掺加固化剂可提高抗压强度，且氟硅酸钠掺量2%～3%时抗压强度出现高峰值。因此，从减小浆液结石体收缩的角度考虑，固化剂的最佳掺量为2%～3%。
　　(7)粉煤灰除炭对PS-F浆液结石体强度的影响
　　粉煤灰中含有少量的炭，是否会影响浆液结石体的强度，因此将未除炭的粉煤灰和除炭粉煤灰的浆液结石体强度作了对比测试实验。
　　采用模数为M1、M2、M3和M4的PS水溶液，PS的浓度为17.3%(密度为1.13g/mL)。以F：PS=1：0.65的水灰比，掺加2%氟硅酸钠固化剂，制作未除炭粉煤灰和除炭粉煤灰的PS-F浆液试块，并测其28d龄期的抗折、抗压强度，结果见表7-48。
　　实验表明，粉煤灰除炭后，PS-F浆液结石体的抗折、抗压强度呈下降趋势，为什么会出现这种情况，考虑是除炭的工艺所致。
　　理论上讲，炭质成分的减少有利于提高PS-F浆液结石体强度。但我们采用水洗漂浮除炭，粉煤灰烘干后，形成团块状。因形成团粒，达不到原来的细度。同时粉煤灰中最细粒度的粉质又可能在除炭时被水带走一部分，这样几方面减少了粉煤灰中细粒度的组分，另外又形成一些团粒结构，从总体上降低了PS-F浆液结石体的强度。
　　从整个实验看，粉煤灰除炭并没有提高PS-F浆液结石体的强度。因此，对强度极低的砂砾岩岩体裂隙灌浆，不宜除炭。相反，少量的粉质炭有利于灌浆，因炭本身化学性质很稳定，比重小，这和粉煤灰的主要成分硅线石(空心SiO2)比重接近，两者易混和均匀。炭又具有滑腻性，使浆液和易性好，流动性大，这个特性很适合岩面粗糙的砂砾岩岩体裂隙灌浆。
　　(8)PS-F浆液结石体的安定性
　　安定性是评价灌浆材料的主要指标之一，因为砂砾岩岩体中一般含有Na2SO4、NaCl等一类可溶盐。这类可溶盐在雨水或岩体中渗水的作用下，时而溶解，时而结晶。反复的溶解和结晶膨胀可能会使浆液结石体受到破坏。因此必须对浆液结石体进行安定性实验。
　　用模数为M1、M2、M3和M4的PS水溶液，其浓度为13.3%(密度为1.10g/mL)。以F：PS=1：0.65的水灰比，掺加2%氟硅酸钠固化剂制作PS-F浆液结石体试块，对试块进行28d龄期的安定性实验。
　　将上述制作好的试块在饱和Na2SO4溶液中浸泡20h，再取出在105～110℃温度下烘干4h，这样反复进行5次，然后对试块进行波速、抗折、抗压强度测试，结果见表7-49。
　　测试结果表明，PS-F浆液结石体经饱和Na2SO4浸泡-烘干5次反复循环处理后，其抗折强度明显下降，而抗压强度却明显提高。这可能是PS-F结石体孔隙率较大，有相当一部分Na2SO4溶液渗入试块，经烘干后Na2SO4结晶对结石体有补强作用。
　　(9)PS-F浆液结石体的水软化特点
　　砂砾岩岩体孔隙率大，渗透性强，因此，对PS-F浆液结石体遇水的软化特点也应加以研究。
　　采用模数为M1、M2、M3和M4的PS水溶液，浓度为13.3%(密度为1.10g/mL)。以F：PS=1：0.65的水灰比，掺加2%氟硅酸钠固化剂制作试块，测试28d龄期试块干抗折、抗压强度和试块在水中浸泡24h后的湿抗折、抗压强度，结果见表7-50。
　　PS-F浆液结石体经水中浸泡24h后其表面基本完好，证明结石体有很好的抗水崩解性。但经水浸泡而饱水结石体的湿抗折、抗压强度明显下降。原因可能是，PS-F浆液结石体孔隙率大、吸水率高，饱水后可能使结石体受到一定程度的软化，结果使其湿抗折、抗压强度降低。
　　但实验证明，泡水的PS-F结石体，当变得干燥后，其力学强度基本可恢复。即使泡水的PS-F结石体的湿抗压强度也远远大于榆林窟和莫高窟砾岩的干抗压强度。
　　PS-F浆液结石体有较强的抗水崩解性，其泡水湿抗折、抗压强度降低并不会影响其灌浆质量。
　　(10)PS-F浆液结石体的耐碱性
　　我国西北地区的砂砾岩石窟，其岩体的胶结泥质中含有碱性物质，地下水的碱度也较高，因此浆液结石体的耐碱性是影响浆材质量的一个不可忽视的因素。
　　用模数M1、M2、M3和M4的PS水溶液，浓度为13.3%(密度为1.10g/mL)。以F：PS=1：0.65的水灰比，掺加2%氟硅酸钠固化剂，制PS-F浆液结实体试块，进行28d龄期试块的耐碱性实验。
　　配制1%和2%的NaOH水溶液，将上述试块分3组，1组为原始试样，另2组分别在两种NaOH溶液中浸泡4h。取出试块待干燥后做速度、抗折、抗压强度测试，结果见表7-51，图7-28、图7-29。
　　PS-F浆液结石体试块经1%、2%NaOH浸泡4h后表面基本完整。随NaOH溶液浓度提高，PS-F抗折强度有下降趋势，但抗压强度基本无变化，这说明PS-F浆液结石体的耐碱性能较好。
　　(11)PS-F浆液结石体的耐冻融性
　　在我国西北地区，冬天十分寒冷，岩体中含水时会遭到严重的冻融破坏，因此砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆材料的耐冻融性是浆材质量的主要指标之一，因此有必要对浆液结石体进行此项实验。
　　用模数为M1、M2、M3和M4的PS溶液，浓度为13.3%(密度为1.10g/mL)。以F：PS=1：0.65的水灰比，掺加2%氟硅酸钠固化剂，制作PS-F浆液结石体试块，做18d龄期试块的耐冻融性实验。
　　先将试块在室温水中浸泡4h，然后在-30℃下冻4h。分别做试块经这样反复浸泡-冻融0次、2次、4次、6次和8次的抗折、抗压强度测试，结果见表7-52、图7-30、图7-31。
　　PS-F试块经反复冻融8次循环后，试块表面基本完整，抗折强度随冻融循环次数增多呈现下降趋势。但是经8次冻融循环的PS-F浆液结石体的力学强度，还是远远大于在水中极易崩解和力学强度很低的榆林窟砾岩的力学强度。因此相比之下PS-F浆液结石体有较强的耐冻融性。
　　(12)PS-F浆液结石体的收缩变形性
　　浆液结石体的收缩变形性是灌浆材料非常重要的技术指标。如果结石体的收缩变形性较大，灌浆不可能密实。另外，由于收缩作用浆液结石体和裂隙两壁的岩面不可能牢固黏接，有可能在结石体和裂隙岩面处形成新的小裂隙，这样就会大大影响灌浆质量。
　　过去我们研制的PS-C和PS-G浆液结石体的收缩变形性较大，PS-Z浆液结石体的收缩变形性较小，而PS-F浆液结石体基本无收缩变形。
　　用模数为M1、M3的PS水溶液，浓度为13.3%(密度为1.10g/mL)。以F：PS=1：0.65的水灰比，掺加2%、3%、4%氟硅酸钠固化剂的PS-F浆液，以便进行PS-C浆液收缩变形性试验。
　　采用收缩仪进行试验，该仪器由6.0cm×2.0cm的环刀及百分测表组成，环刀顶、底面有孔眼排水及风干，室温15℃。将按上述配方配制的PS-F浆液拌和好后，装入环刀，立即观测变形(图7-32)。
　　从观测结果看，粉煤灰遇水湿化过程中表现为体积膨胀，2h到达高峰，随后表现为相对收缩，且收缩量等于膨胀量。
　　PS与粉煤灰作用过程中，初期亦表现为体积膨胀，约2h后表现为相对收缩，总收缩量小于膨胀量。固化剂(氟硅酸钠)能明显减小膨胀量和收缩量，PS溶液浓度及PS模数也对收缩量有影响。
　　从以上PS-F浆液固化过程的收缩特点看，采用PS-F对砂砾岩岩体裂隙进行灌浆时，应将拌和好的PS-F尽快灌注，且边和边灌，尽量利用其固有的膨胀特性，减小最终收缩量。
　　从整个试验结果看，粉煤灰遇水后先膨胀，2h后开始收缩，其收缩量基本等于膨胀量。PS-F浆液的固化过程也是先膨胀而后收缩，如果固化剂氟硅酸钠的掺加量适当，PS-F的最终膨胀量也基本等于收缩量，即结石体无收缩。PS-F浆液的初凝时间为70～90min，而灌浆一般都在30min内完成，因此，从上述浆液特点看，PS-F浆液是非常理想的砂砾岩岩体裂隙灌浆的材料。
　　(13)PS-F浆液的初凝和终凝速度
　　进行砂砾岩岩体裂隙灌浆时，必须掌握浆液的初凝和终凝速度，特别是初凝速度，这样可以合理安排浆液的调配和灌浆的操作工艺，防止堵浆或漏浆，以保证灌浆质量。
　　用模数M1、M2、M3和M4的PS水溶液，浓度为13.3%(密度为1.10g/mL)。以现场灌浆常用的F：PS=1：0.65的水灰比，固化剂氟硅酸的掺加量为2%的配比调制浆液，进行PS-F浆液的初凝速度和终凝速度测试，结果见表7-53。
　　常用最佳配方PS-F浆液的初凝时间为70～90min，终凝时间为160～180min，这样的凝固速度很适合于砂砾岩岩体的裂隙灌浆。
　　(二)结果分析
　　PS-F浆液最大的特点是基本无收缩变形，这样能确保灌浆的密实性，也能使浆液结石体和岩体裂隙两壁的岩面牢固黏结，达到理想的灌浆效果。
　　灌浆所用PS的密度为1.10～1.18g/mL，填充料——粉煤灰的主要组分是以空心球状二氧化硅组成的硅线石。其特点是粒度小、相对密度小，其中所含少量的炭粉性能稳定，质轻而滑腻，使PS-F浆液和易性好、流动性大、可灌性也好，能保证灌浆的密实而不堵塞。
　　浆液结石体的强度可以通过控制PS的模数和固化剂的用量得到很好的控制，使其强度略高于砂砾岩的强度。这样即可获得高质量的灌浆效果，也可降低灌浆成本。
　　PS-F浆液的初凝和终凝速度能很好控制，便于灌浆。
　　PS-F浆液结石体有较好的安定性、水稳定性、耐碱性介质和抗冻融性。
　　粉煤灰是火力发电厂的废料，成本低，PS-F灌浆工艺简便，对人体无害，对环境无污染，适合推广应用。
　　初步试验还表明，PS-F浆液具有水硬性，可研究开发潮湿环境中的岩体裂隙灌浆。