富水破碎巖體注漿材料研發(fā)與注漿加固機(jī)理研究及應(yīng)用.pdf

1、隨著我國(guó)地下工程建設(shè)深度的增加、設(shè)計(jì)容量的增大，大批交通隧道、礦山井巷和城市地下空間工程投入建設(shè)，面臨的水文地質(zhì)條件日趨復(fù)雜，時(shí)常遭遇由富水破碎地層引起的突涌水、塌方等地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)生命財(cái)產(chǎn)安全和工程建設(shè)造成了極大威脅。因此，富水破碎巖體的注漿治理理論與技術(shù)成為地下工程建設(shè)中亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。本文針對(duì)富水破碎地層的水文地質(zhì)特點(diǎn)和注漿治理時(shí)材料性能存在的不足，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，充分利用冶金廢棄物鋼渣微粉作為主要原材料研發(fā)了一種適用富水

2、破碎巖體注漿治理的新型水泥基復(fù)合材料(CGM)，顯著降低了注漿材料制備成本，提高了注漿工程的經(jīng)濟(jì)性。通過室內(nèi)系統(tǒng)的材料性能試驗(yàn)和富水破碎巖體注漿模擬試驗(yàn)，對(duì)比分析了CGM注漿材料性能的優(yōu)越性，結(jié)合掃描電鏡分析及X射線測(cè)試技術(shù)，從微觀角度分析了水泥基注漿材料結(jié)石體巖-漿膠結(jié)界面模式及劃分依據(jù)，揭示了注漿加固作用機(jī)理。實(shí)現(xiàn)了CGM注漿材料工業(yè)化生產(chǎn)，并開展了工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，取得了一系列研究成果。
　　(1)基于水泥基材料復(fù)合技術(shù)原理

3、，利用正交試驗(yàn)法與析因?qū)嶒?yàn)法確定了CGM注漿材料的優(yōu)選配比組成為:熟料-75.33％，鋼渣微粉-5.09％，羥基高聚物-3.67％，羥基氯化物-0.15％，硫酸鹽-5.60％，超塑化劑-2.03％，多聚鋁酸鹽-1.52％，硅化物-7.61％，根據(jù)各組分作用機(jī)理提出了最佳含量選取原則。
　　(2)根據(jù)富水破碎巖體注漿治理材料特點(diǎn)，通過室內(nèi)系統(tǒng)性能試驗(yàn)確定了CGM漿液凝結(jié)時(shí)間、力學(xué)性能的主要影響因素及其作用規(guī)律。CGM注漿材料采用混合

4、粉磨工藝制備時(shí)粉磨時(shí)間不宜超過45min，在5～40℃溫度范圍內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)漿液初凝時(shí)間在39～85min，終凝時(shí)間在69～141min范圍的有效調(diào)控。鋼渣微粉含量可根據(jù)工程設(shè)計(jì)需求進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，在滿足結(jié)石體強(qiáng)度要求的同時(shí)，可降低材料制備成本和提高工程經(jīng)濟(jì)性。
　　(3)采用與傳統(tǒng)水泥材料對(duì)比試驗(yàn)的方法，分析了CGM注漿材料結(jié)石體體積和漿液黏度變化機(jī)理，確定了材料組分、水灰比、溫度等因素對(duì)結(jié)石體體積穩(wěn)定性和漿液黏度的影響規(guī)律，并對(duì)漿

5、液的穩(wěn)定性和抗分散性進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了漿液性能的動(dòng)態(tài)調(diào)控。CGM材料制備漿液時(shí)，優(yōu)選水灰比為0.8∶1～1.2∶1,漿液結(jié)石體具有微膨脹特性，黏度受溫度影響弱，穩(wěn)定性強(qiáng)，抗?jié)B性好，在水流速為0.5m/s時(shí)，水灰比1.2∶1時(shí)，結(jié)石體留存率為72％，顯著高于傳統(tǒng)水泥材料。
　　(4)開展了CGM注漿材料結(jié)石體耐久性評(píng)價(jià)。通過深入分析氯離子和硫酸根離子對(duì)材料結(jié)石體的作用機(jī)理，將侵蝕類型進(jìn)行了劃分，確定了CGM注漿材料組分與漿液制備條件

6、對(duì)結(jié)石體抗侵蝕性能的影響。與傳統(tǒng)水泥材料相比，CGM注漿材料中氯離子主要以化合態(tài)存在，游離態(tài)含量低，發(fā)生氯離子侵蝕破壞概率小;在硫酸鹽環(huán)境中，早期CGM注漿材料結(jié)石體表面可以形成保護(hù)層，抵抗硫酸根離子進(jìn)入，后期鋼渣微粉和硅化物水化吸收活性鈣離子，防止結(jié)石體內(nèi)部生產(chǎn)石膏或鈣礬石等礦物引起結(jié)石體開裂，提高材料耐久性。
　　(5)采用自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)注漿模擬試驗(yàn)平臺(tái)，開展了富水破碎巖體注漿加固模擬試驗(yàn)，從微觀角度揭示了注漿加固作用機(jī)理。確

7、定影響注漿治理效果的主控因素為注漿材料，其次為注漿壓力和充填介質(zhì)。對(duì)于水泥類材料，巖-漿界面水化礦物越多，晶體取向性越強(qiáng)，膠結(jié)強(qiáng)度越高。巖-漿界面膠結(jié)模由巖石巖性決定，致密度高的灰?guī)r類巖石近似為Ollivier-Grandet模型，類似于砂巖的多孔隙巖石則符合Zimbelinan模型。注漿過程中巖石表面會(huì)發(fā)生物理化學(xué)變化，在界面區(qū)域產(chǎn)生類巖石礦物，提高膠結(jié)強(qiáng)度，改善注漿加固效果。
　　(6)實(shí)現(xiàn)了CGM注漿材料的工業(yè)化試驗(yàn)生產(chǎn)，開