砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆——PS-G、PS-Z和PS-F灌浆材料

　　以高模数硅酸钾(PS)为主剂，分别以硅藻土(G)、铸石粉(Z)和粉煤灰(F)为填料，制做浆材试块，进行实验。
　　(一)实验
　　1.PS-G、PS-Z和PS-F的化学组成和矿物成分
　　PS是一种最佳模数的硅酸钾水溶液，这在前面已经做过介绍。所谓最佳模数就是针对加固岩体的化学组成和矿物成分特点，经过筛选实验，所选取出的一种最佳的SiO2：K2O摩尔比的硅酸钾。
　　硅藻土、铸石粉、粉煤灰，这三种填充材料都是以SiO2为主要成分的硅酸盐，其化学组成如表7-13。
　　硅藻土的矿物成分为石英、伊利石、准埃洛石及少量长石，图7-3是硅藻土的X射线衍射谱图。
　　铸石粉的主要矿物成分为透辉石，少量长石和透铁橄榄石，图7-4是它的X射线衍射谱图。粉煤灰的主要矿物成分是硅线石和石英，图7-5是它的X射线衍射谱图。
　　2.PS-G、PS-Z和PS-F的物理化学性能和力学性能
　　(1)固化剂(氟硅酸钠)对结石体强度的影响
　　分别采用模数为3.5、4.0和4.5的PS溶液，以硅藻土、铸石粉和粉煤灰为填料，水灰比1：1，固化剂氟硅酸钠的用量分别为1%、2%、3%和4%，试块的强度为28d龄期的强度。表7-14和图7-6为固化剂氟硅酸钠用量对结石体强度的影响。
　　从试验结果看出，当PS溶液模数为3.5，固化剂掺量为2%时，铸石粉和硅藻土的强度最高。当PS溶液的模数为4.0和4.5时，铸石粉和硅藻土的固化剂掺量为1%时强度最高。粉煤灰在固化剂掺量为2%时强度最高。由此可见，结石体的强度不仅与固化剂的掺量有关，同时，也与PS的模数有关。
　　(2)固化温度对结石体强度的影响
　　采用模数为3.5的PS溶液，固化剂氟硅酸钠的掺量为2%，水灰比1：1分别做铸石粉、硅藻土和粉煤灰的结石体在室温下50℃、100℃和150℃时固化4h后的强度。表7-15和图7-7、图7-8是固化温度对结石体强度影响的试验结果。
　　试验结果表明，随固化温度的升高，以粉煤灰、硅藻土和铸石粉为填充料的结石体其抗折、抗压强度都有所增大，而以粉煤灰为填充料增大更明显。
　　(3)水灰比对结石体强度的影响
　　在砂砾岩岩体裂隙灌浆中，由于裂隙大小不同，为了使裂隙灌浆密实，浆液应有不同的流动性。浆液不同的流动性是通过调配水灰比而实现的。因此将水灰比0.75：1、1：1和1.25：1三种浆液对结石体强度影响做实验，结果见表7-16、图7-9。
　　试验结果表明：随水灰比增大，以硅藻土、铸石粉和粉煤灰为填充料的结石体其强度都有增大趋势，以粉煤灰和铸石粉混合(约1：1)填料的结石体其强度在水灰比为1：1时，强度增大更明显。
　　(4)PS溶液模数对结石体强度的影响
　　采用模数为3.49、3.86、4.10和4.50的PS溶液，水灰比1：1，固化剂掺量为2%，分别做铸石粉、硅藻土和粉煤灰为填充料的结石体14d龄期和28d龄期的抗折、抗压强度，结果见表7-17，图7-10、图7-11、图7-12。
　　实验结果表明：当以铸石粉为填充料时，结石体的抗压强度随PS溶液模数增大而增大，PS模数为4.10时，结石体强度达到最高值，之后，随PS溶液模数增大，结石体强度又呈下降趋势。当以硅藻土为填充料时，结石体的抗压强度在PS溶液模数为3.86时达到最高值，之后，随PS溶液模数增大，结石体强度呈明显下降。以粉煤灰为填充料时，结石体的抗压强度随PS溶液模数增大的变化较复杂，PS溶液模数为3.49时，结石体抗压强度高于模数3.86时的抗压强度。PS溶液模数量为4.10时，结石体抗压强度值最大，之后随PS溶液模数增大，结石体的抗压强度又呈明显下降。
　　(5)填充材料粒度对结石体强度的影响
　　填充材料粒度对结石体强度影响的实验结果以表7-18和图7-13所示。当PS溶液的模数为4.0时，以铸石粉为填充料的结石体抗压强度随粒度变细而下降，硅藻土为填充料的结石体抗压强度随粒度变细呈不太明显的增大。当PS溶液的模数为4.50时，以硅藻土为填充料的结石体的抗压强度随粒度变细呈下降趋势，以铸石粉为填充材料的结石体抗压强度先随粒度变细而下降，当粒度再变细时，又呈不太明显的增大。粉煤灰只找到一种粒度的填充材料，未做粒度对结石体强度影响的实验。
　　(6)膨胀剂掺量对结石体强度的影响
　　PS-G、PS-Z和PS-F浆液固化后都有较明显的收缩变形性，这样对灌浆的密实度有一定的影响。为了防止浆液固化产生收缩，在浆液中掺加适量的膨胀剂，如铝粉、异氰酸酯等。
　　膨胀剂掺量对结石体强度影响实验中，浆液的水灰比为1：1，结石体的强度为28d龄期的强度，实验结果如表7-19、表7-20和图7-14所示。
　　实验结果表明：当PS溶液的模数为3.5时，以铸石粉、硅藻土为填充料的结石体，掺加3%的异氰酸酯膨胀剂后，虽然有明显的防收缩作用，但强度下降也很明显。掺加3%铝粉后，结石体的强度有明显提高，但防收缩性没有异氰酸酯明显。
　　当PS溶液的模数为4.0和4.5时，以铸石粉、硅藻土和粉煤灰为填充料的结石体，掺加3%的异氰酸酯膨胀剂后，膨胀作用较明显，但结石体的强度均有明显下降。
　　PS-G、PS-Z和PS-F浆液中，掺加适量的水泥后，也具有明显的防收缩性，但结石体强度下降大。初步实验结果表明，水泥作膨胀剂是不理想的。
　　(7)结石体不同龄期的强度
　　选模数为3.5、4.0和4.5的三种PS溶液，以铸石粉、硅藻土和粉煤灰为填充剂，采用1：1水灰比，掺加2%的氟硅酸钠固化剂，做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7-21、图7-15。
　　实验结果表明：模数3.5、4.0和4.5的PS溶液，当以铸石粉、硅藻土和粉煤灰为填充料时，3d、7d和14d龄期的抗压强度增大非常明显，14d龄期的抗压强度达最高值。14～28d龄期，抗压强度基本无增。45d龄期时，模数3.5的PS溶液，以铸石粉和硅藻土为填充剂的结石体的抗压强度又有很小的提高。
　　(8)结石体的收缩变形性
　　选模数3.5、4.0和4.5的PS溶液，以铸石粉、硅藻土和粉煤灰为填充料，1：1水灰比，掺加2%的氟硅酸钠固化剂，制作4cm×4cm×16cm收缩试块，对掺加膨胀剂和未加膨胀剂的试块做收缩变形试验，结果如表7-22、表7-23和图7-16所示。
　　实验结果表明：以铸石粉、粉煤灰为填充料的结石体收缩变形小，未加膨胀剂的情况下，收缩1.7%。以硅藻土为填充料的结石体收缩变形大，未加膨胀剂的情况下，收缩3.4%。掺加3%的异氰酸酯膨胀剂后，结石体有明显的膨胀防止收缩作用，收缩率为1.4%。加入3%的铝粉后，结石体的膨胀作用不明显。
　　在相同条件下，以铸石粉和粉煤灰为填充料的结石体收缩变形过程快，在70h内即可达稳定状态。以硅藻土为填充料的结石体收缩变形慢，约150～200h内才可达到稳定状态。
　　另外，PS溶液的模数也会影响结石体收缩变形过程的快慢。实验表明，当PS溶液模数增大时，结石体收缩变形过程时间明显变短。
　　(9)结石体耐碱性试验
　　经过调查，榆林窟和莫高窟地区的地下水碱度较高，pH在8左右，同时这两个窟区的岩体胶结泥质显碱性，因此有必要对浆液结石体做耐碱性实验。
　　做PS-G、PS-Z和PS-F浆液的4cm×4cm×16cm标准试块，待试块干燥后，在5%的NaOH溶液中浸泡4h。PS-G、PS-Z和浆液的试块表面被NaOH明显腐蚀，而PS-F试块的表面基本完好。待试块干燥后再做强度测试，测试结果表明，PS-G和PS-Z试块强度下降明显，而PS-F试块的强度下降不明显。但由于试块数量太少，未做出强度下降较确切的数据。另外，本实验NaOH浓度太高，应再做2%、1%和0.5%NaOH溶液的浸泡试验。
　　(10)结石体安定性试验
　　榆林窟和莫高窟的砂砾岩胶结泥质中，Na2SO4含量较高，由于雨水作用，溶解膨胀→结晶收缩，这样的过程反复进行，可能使岩体崩散。这如同盐碱地带的路面翻浆毁坏路基一样，因此需对砂砾岩裂隙灌浆的浆液结石体做安定性试验。
　　以1：1水灰比，掺加2%氟硅酸钠固化剂，做PS-G、PS-Z和PS-F浆液的4cm×4cm×16cm标准试块。待试块自然干燥后，先将试块在饱和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。经过这样反复5次安定性试验的PS-G、PS-Z和PS-F标准试块其表面均完好无损，但强度有不同程度下降(表7-24所示)。
　　(11)结石体耐冻融性试验
　　浆液结石体的耐冻融性是灌浆材料的主要指标之一，因雨水或地下水往往会渗入到结石体里去，冬天冻结，春天融化，这样反复的冻融过程会破坏结石体。
　　制作4cm×4cm×16cm的PS-G、PS-Z和PS-F浆液的标准试块，待试块自然干燥后，进行冻融试验。先将试块在室温水中浸泡4h，然后在-30℃下冻4h，这样反复浸泡融-冷冻15次。经过15次冻融试验后的试块外形基本完好，仅表面有不同程度的掉皮、掉棱角现象。待试块干燥后做抗压强度，如表7-25所示，冻融后的PS-G浆液的试块强度有下降，但PS-Z和PS-F浆液试块的强度有明显提高，这一反常现象的原因还不甚清楚。
　　(12)结石体的抗崩解性能
　　制作PS-G、PS-Z和PS-F浆液的4cm×4cm×16cm标准试块，待试块自然干燥后，将试块系在转速为25r/min的崩解设备上，第一次在水中旋转15min，然后将试块在50℃温度下干燥，第二次再将试块在水中旋转20min，再将试块在50℃温度干燥。对两次旋转并干燥后的试块做抗压强度测试。经过两次共旋转35min的试块基本完好，只有轻微的掉棱角，但其抗压强度有明显下降，如表7-26所示。
　　(13)结石体抗拉试验
　　制作PS-G、PS-Z和PS-F浆液的“∞字形”抗拉试块，进行42d龄期抗拉强度测试。由于测试数据离散性较大，无法统计。但总的看来PS-Z浆液试块的抗拉性好，最高可达4.3MPa，PS-G浆液的次之，最高达2.5MPa，粉煤灰浆液试块的抗拉强度较差，一般在0.5～1.0MPa。
　　(14)PS-G、PS-Z和PS-F浆液的初凝和终凝速度
　　在砂砾岩裂隙灌浆中，由于裂隙大小不同，灌浆的难易程度不同，因此每次灌浆所需时间不同，每次调配浆液的量和灌浆所需的时间都不相同，这就需要掌握各种配方和不同水灰比浆液的初凝和终凝速度。
　　以掺加2%氟硅酸钠固化剂，灌浆常用的模数为3.5的PS溶液，几种主要水灰比调配浆液测实际PS-G、PS-Z和PS-F浆液的初凝和终凝速度，如表7-27、表7-28所示。
　　测试结果表明以模数为3.7的PS做主剂，掺加2%的氟硅酸钠固化剂，以粉煤灰做填料的浆液，其初凝和终凝速度随水灰比增大(即PS量增大)变慢。现场常用的水灰比为0.6：1，其初凝时间为220min，终凝时间为435min，这是比较理想的速度，便于操作，灌浆效果也好。
　　以铸石粉为填料的浆液，其初凝、终凝速度随水灰比增大而变快。
　　以硅藻土为填料的浆液，其初凝、终凝速度随水灰比增大而变慢。
　　(二)结果分析
　　PS-G、PS-Z和PS-F浆液是以不同模数的硅酸钾(即PS)溶液为主剂，按一定的水灰比分别以硅藻土、铸石粉和粉煤灰为填充材料配制而成的。通过对三种浆液结石体的物理、化学及力学性能的测试和试验，结果表明：PS-G、PS-Z和PS-F浆液结石体安定性好，耐冻融、耐崩解，以及耐碱性水溶液的浸蚀。其力学强度都高于或接近砂砾岩的力学强度。
　　砂砾岩因胶结状况不同其力学强度差异很大，根据砂砾岩的力学强度，选用最佳模数的PS溶液，同时选用合适的填充材料——硅藻土、铸石粉或粉煤灰。以适量的氟硅酸钠固化剂和不同的水灰比，控制初凝终凝速度，可顺利的进行灌浆。如果对风化严重的砂砾岩裂隙岩面用PS溶液做适当的渗透加固处理，这样不但能控制结石体的强度接近或略高于砂砾岩的强度，同时浆液结石体可与砂砾岩裂隙岩面很好的黏结在一起。与有机高分子浆材料比较，PS-G、PS-Z和PS-F浆材耐候性强，成本低。这三种浆液的灌浆工艺简便，对环境无污染，对人体无害，是砂砾岩岩体裂隙较理想的灌浆材料。
　　PS-G、PS-Z和PS-F浆材仅适合干燥环境中的砂砾岩岩体裂隙灌浆，对潮湿或渗水较多的岩体裂隙灌浆有待做进一步的研究。为降低成本，应对PS溶液的模数和浓度结合具体灌浆砂砾岩的力学特点做进一步研究。
　　粉煤灰是一种前景十分理想的PS浆液的填充剂，它是火力发电排出的有公害性的废料，但可做PS-F浆液廉价的填充剂。同时PS-F浆液的结石体物理、化学性能稳定，力学强度较高。我们将对PS-F浆液的物理、化学和力学性能做进一步的系统研究。