張明華

(中鐵二十三局集團(tuán)華東區(qū)域指揮部，浙江 杭州 310000)

引水式發(fā)電站在建設(shè)過程中往往需要開挖很長的引水隧洞，在開挖過程中會遇到各種各樣的地質(zhì)條件[1]，其中，富水破碎圍巖是較為常見的不良地質(zhì)之一，在這些圍巖條件下極易發(fā)生涌水、突泥、坍塌等災(zāi)害[2]，因此必須在開挖前后采取有效的治理措施。注漿便是治理該類型不良地質(zhì)的主要手段之一，然后傳統(tǒng)的水泥基注漿材料由于凝結(jié)時間長、結(jié)石率低、強(qiáng)度不高、析水嚴(yán)重、體積收縮等問題，往往在富水破碎帶很難起到很好的治理加固效果，此外水泥的大量使用對地下水環(huán)境和工程效益也不利，因此，有必要尋找一種新的注漿材料來對富水破碎圍巖進(jìn)行治理加固[3-5]。

氧化石墨烯是一種含有多種含氧官能團(tuán)的石墨烯衍生物，具有很好的分散性，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到水泥基注漿材料的改性之中，但由于其價格比較昂貴，因此不可能在工程中大量使用，因此摻量往往較少，而且單摻氧化石墨烯很多時候也不能達(dá)到最好的注漿效果。為此，提出復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰的方式對傳統(tǒng)水泥基注漿材料進(jìn)行改良，一方面可降低水泥用量，另一方面提高結(jié)石體強(qiáng)度和抗?jié)B性，從而達(dá)到較好的治理效果[6-7]。

1 工程概況

博瓦水電站是水洛河干流河段上“一庫十一級”水電開發(fā)方案中的第八級引水式水電站，其上游為新藏水電站，下游為寧朗水電站，總裝機(jī)容量為16.8萬kW，工程開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電，兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水要求[8-10]。博瓦水電站引水隧洞全長約為16.2km，其中第三標(biāo)段引水隧洞全長3705m(隧5+585～隧9+290)，由中鐵二十三局承建，在引水隧洞開挖過程中，多次出現(xiàn)了富水破碎圍巖，給工程施工帶來很大的安全隱患，在多次采用水泥基注漿材料治理效果不佳的情況下，決定采用復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰的方式對傳統(tǒng)注漿材料進(jìn)行改性，從而達(dá)到期望的治理效果，為類似工程提供借鑒。

2 試驗情況

2.1 試驗原材料

a.水泥。P·O42.5普通硅酸鹽水泥，主要礦物成分為C3S(56.5%)、C2S(16%)和C4AF(14.8%)，主要化學(xué)成分為CaO(62.5%)和SiO2(21.1%)，比表面積為380m2/kg，密度為3.1g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為25.6%，初凝和終凝時間分別為123min和178min，28天抗折和抗壓強(qiáng)度分別為7.7MPa和46.8MPa。

b.粉煤灰。Ⅱ級粉煤灰，主要化學(xué)成分為CaO(54.8%)和Al2O3(26.8%)，比表面積為360m2/kg，需水量比為101.3%，細(xì)度(45μm)為28.8%，28天活性指數(shù)為73.2%。

c.氧化石墨烯。黑褐色，純度為95%，厚度為3.4～7nm，片層直徑為10～50nm，層數(shù)為6～10層，比表面積為100～300m2/g。

d.減水劑。高效聚羧酸減水劑，淡黃色液體，減水率為25%，泌水率為10%，固含量為19.3%，密度為1.048g/cm3，pH值為4.51，推薦摻量為0.05%～0.35%。

e.速凝劑。白色粉末，速凝率為14%，泌水率為29%，初凝和終凝時間為215s和572s，1天、3天、28天抗壓強(qiáng)度比分別為223%、186%和94%。

f.水。實驗室自來水。

2.2 試驗儀器設(shè)備

主要試驗儀器包括水泥凈漿攪拌機(jī)、膠砂攪拌儀、混凝土養(yǎng)護(hù)箱、電動抗折試驗機(jī)、壓力試驗機(jī)、砂漿抗?jié)B儀、注漿泵、鉆孔取芯機(jī)、混凝土切割機(jī)等。

2.3 試驗方案

本次試驗首先探討水膠比和氧化石墨烯摻量對注漿材料固土防滲作用的影響。水膠比共設(shè)計0.6、0.8、1.0和1.5四種，氧化石墨烯摻量共設(shè)計0、0.01%、0.03%、0.05%和0.09%五種，主要探討兩者對注漿材料結(jié)石體強(qiáng)度的影響(見表1)。然后探討粉煤灰和氧化石墨烯的協(xié)同效應(yīng)，即進(jìn)行單摻氧化石墨烯和復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰時的性能對比，主要探討協(xié)同效應(yīng)下注漿材料的強(qiáng)度和抗?jié)B性能(配合比方案見表2)。

表1 不同水膠比和氧化石墨烯配合比方案

表2 氧化石墨烯與粉煤灰協(xié)同效應(yīng)配合比方案

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗折強(qiáng)度

由不同氧化石墨烯摻量和水膠比下注漿材料結(jié)石體的抗折強(qiáng)度變化規(guī)律(見圖1)可知：在水膠比0.6情況下，隨著氧化石墨烯摻量的增加，抗折強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征，這是因為低水灰比下，漿液材料對氧化石墨烯的摻量更加敏感，當(dāng)遇到高摻氧化石墨烯時，會迅速消耗漿液中的自由水分，導(dǎo)致后期水泥水化反應(yīng)不充分，漿體出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，故而抗折強(qiáng)度降低；當(dāng)氧化石墨烯摻量為0.05%時，抗折強(qiáng)度最大，為7MPa，相比普通水泥注漿材料，抗折強(qiáng)度提升約27.3%；當(dāng)水膠比為0.8、1.0和1.5時，隨著氧化石墨烯摻量增加，抗折強(qiáng)度逐漸增大，但是當(dāng)氧化石墨烯摻量超過0.03%后，結(jié)石體抗折強(qiáng)度的增幅變得很小，繼續(xù)摻入氧化石墨烯對注漿材料抗折強(qiáng)度的貢獻(xiàn)不大；相同氧化石墨烯摻量下，水膠比越大，抗折強(qiáng)度越低，這主要與單位體積內(nèi)生成的結(jié)石體含量有關(guān)，水膠比越高，水泥含量越低，結(jié)石體生成量越少。

圖1 水膠比和氧化石墨烯摻量對抗折強(qiáng)度的影響

3.2 抗壓強(qiáng)度

由不同氧化石墨烯摻量和水膠比下注漿材料結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律(見圖2)可知：相同水膠比下，隨著氧化石墨烯摻量增加，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)氧化石墨烯摻量超過0.03%后，抗壓強(qiáng)度增長出現(xiàn)拐點，繼續(xù)摻入氧化石墨烯，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度增長幅度很??；相同氧化石墨烯摻量下，水膠比越大，抗壓強(qiáng)度越低，這與抗折強(qiáng)度表現(xiàn)一致，原因在此處不再贅述。

圖2 水膠比和氧化石墨烯摻量對抗壓強(qiáng)度的影響

由不同氧化石墨烯摻量下注漿材料結(jié)石體抗折、抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律可知，當(dāng)氧化石墨烯摻量為0.03%時，既能起到有效改善漿液力學(xué)性能的目的，還能節(jié)約能源消耗，因此，將氧化石墨烯摻量初定為0.03%。

3.3 協(xié)同效應(yīng)

由氧化石墨烯和粉煤灰協(xié)同作用下注漿材料結(jié)石體的強(qiáng)度對比情況(見圖3)可知：當(dāng)不摻入氧化石墨烯時，隨著粉煤灰摻量的增加，結(jié)石體的抗折、抗壓強(qiáng)度均呈逐漸減小變化特征，當(dāng)摻入0.03%氧化石墨烯后，隨著粉煤灰摻量增加，抗折強(qiáng)度呈先增大后減小變化特征，抗壓強(qiáng)度呈逐漸增大的變化特征，當(dāng)粉煤灰摻量為10%時，結(jié)石體抗折強(qiáng)度最高；相同粉煤灰摻量下，摻入氧化石墨烯的試驗組強(qiáng)度明顯高于未摻入氧化石墨烯試驗組，表明在氧化石墨烯和粉煤灰的協(xié)同作用下，能夠顯著提升漿液的力學(xué)性質(zhì)，這主要是因為氧化石墨烯的比表面積很大，粉煤灰顆?？晌酱罅康难趸┰诒砻妫瑥亩龠M(jìn)粉煤灰參與二次水化反應(yīng)，同時粉煤灰可以有效填充在水化產(chǎn)物的孔隙間隙中，提高結(jié)石體密實度，從而提升結(jié)石體強(qiáng)度。

圖3 氧化石墨烯與粉煤灰協(xié)同作用下結(jié)石體強(qiáng)度特征

3.4 抗?jié)B性

由氧化石墨烯和粉煤灰協(xié)同作用下注漿材料結(jié)石體的滲透系數(shù)試驗結(jié)果(見圖4)可知：當(dāng)不摻入氧化石墨烯時，隨著粉煤灰摻量增加，結(jié)石體的滲透系數(shù)逐漸增大，滲透性變差；當(dāng)摻入0.03%氧化石墨烯后，隨著粉煤灰摻量增加，結(jié)石體的滲透系數(shù)逐漸減小，滲透性逐漸變好，相比不摻入氧化石墨烯試驗組，滲透系數(shù)降低約1/3，抗?jié)B性得到明顯提升，這主要是因為氧化石墨烯促進(jìn)粉煤灰發(fā)生二次水化反應(yīng)，同時對于微裂隙和孔隙具有很好的填充效應(yīng)，而粉煤灰與水泥顆粒之間也會形成較好的級配效應(yīng)，充分發(fā)揮粉煤灰的火山灰效應(yīng)和填充效應(yīng)，結(jié)石體的致密性顯著提升，故而滲透性增強(qiáng)。

圖4 氧化石墨烯與粉煤灰協(xié)同作用下結(jié)石體滲透性

3.5 抗離子侵蝕

地下水富含各類型離子，為了探討新型注漿材料的抗離子侵蝕性能，將結(jié)石體浸泡在5%的NaCl溶液中，并對不同浸泡時間下的試件(單摻：氧化石墨烯0.03%；復(fù)摻：氧化石墨烯0.03%+粉煤灰20%，水膠比均為0.8)進(jìn)行強(qiáng)度試驗，結(jié)果見圖5。隨著浸泡時間的增加，結(jié)石體強(qiáng)度呈先增大后減小的變化特征，在侵蝕初期，氯離子滲透到結(jié)石體內(nèi)部，參與了結(jié)石體內(nèi)部的水化反應(yīng)，提升了密實度，因而初期強(qiáng)度有所提高，隨著侵蝕時間延長，結(jié)石體的結(jié)構(gòu)和薄弱界面遭到破壞，孔隙間隙增多，故而強(qiáng)度又會逐漸降低；相同浸泡時間下，單摻氧化石墨烯試驗組的強(qiáng)度相比復(fù)摻氧化石墨烯+粉煤灰試驗組低，其中，在浸泡28天、60天、120天和180天后，單摻試驗組抗折強(qiáng)度分別為3.7MPa、3.9MPa、3.4MPa和2.9MPa，復(fù)摻試驗組分別為4.9MPa、5.3MPa、5.1MPa和4.8MPa，復(fù)摻試驗組相比單摻試驗組分別提升了32.4%、35.9%、50%和65.5%，單摻試驗組抗壓強(qiáng)度分別為19.8MPa、21.1MPa、18.4MPa和15.2MPa，復(fù)摻試驗組分別為26.3MPa、28.9MPa、27.8MPa和26MPa，復(fù)摻試驗組相比單摻試驗組分別提升了32.8%、37%、51.1%和71.1%，由此可見，在氧化石墨烯和粉煤灰協(xié)同作用下，注漿材料的抗侵蝕性能得到顯著提升，粉煤灰的填充效應(yīng)和氧化石墨烯的層狀海綿結(jié)構(gòu)，可以抵御來自外部離子的入侵。

圖5 離子侵蝕下結(jié)石體強(qiáng)度特征

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

在同一洞段(隧7+685～隧7+695)左右兩側(cè)分別采用傳統(tǒng)水泥基注漿材料和復(fù)摻氧化石墨烯+粉煤灰注漿材料進(jìn)行注漿試驗，待注漿結(jié)束28天后進(jìn)行鉆孔取芯，通過現(xiàn)場取芯結(jié)果對兩種注漿材料的充填加固效果(見圖6)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：相比傳統(tǒng)水泥基注漿材料，復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰的注漿材料芯樣完整性更好，傳統(tǒng)水泥基注漿材料的取芯率僅為52%，而復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰注漿材料的取芯率達(dá)到了75%；與此同時，傳統(tǒng)注漿芯樣的平均抗壓強(qiáng)度僅為22.3MPa，而復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰注漿材料芯樣的平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到30.8MPa，相比傳統(tǒng)水泥基材料提高38.1%，由此可見新型注漿材料相比傳統(tǒng)水泥基注漿材料在富水破碎帶圍巖加固治理中的效果是十分優(yōu)異的，可運(yùn)用于實際工程。

圖6 現(xiàn)場取芯效果

5 結(jié) 論

摻入氧化石墨烯可顯著提升水泥基注漿材料的強(qiáng)度，氧化石墨烯的最佳摻量為0.03%；復(fù)摻氧化石墨烯+粉煤灰的注漿材料相比單摻氧化石墨烯的注漿材料在強(qiáng)度、抗?jié)B性和抗離子侵蝕性上均有明顯提升，這主要得益于粉煤灰(填充效應(yīng))和氧化石墨烯(層狀海綿結(jié)構(gòu))的協(xié)同效應(yīng)，粉煤灰的最佳摻量宜控制在10%～20%，否則可能導(dǎo)致抗折強(qiáng)度過低；復(fù)摻氧化石墨烯和粉煤灰的新型注漿材料相比傳統(tǒng)水泥基注漿材料，取芯率提升了23%，平均抗壓強(qiáng)度提升了38.1%，加固治理效果良好。