覃开柱 程 峰 袁桂权 卢国铭
（桂林电子科技大学建筑与交通工程学院，广西 桂林 541004）
我国岩溶地貌分布十分广泛，分布面积约为345万km2，占国土面积的30%以上，类型也比较多样化，以碳酸盐岩等可溶性岩为主，碳酸盐岩类岩石占我国岩溶总面积的1/4，分布遍及全国各地，其中以广西、云南、贵州、四川等西南地区省份最为突出[1-2]。我国西南地区的岩溶地貌根据岩溶发育成因，主要分为溶蚀类型、溶蚀-侵蚀类型以及溶蚀-构造类型这三种类型，其中以溶蚀为主要类型[3-4]。岩溶地貌因溶蚀作用导致岩体结构发生变形破坏，从而形成大量地下孔洞、裂隙和暗河等地下径流通道，这些地下径流通道是发生塌陷等地质灾害的重要原因[5]。地下孔洞的形成以及塌陷的原因是地下水的渗流作用，地下水的渗流作用会对地下孔洞周边的岩土体产生冲刷和侵蚀，并将周边岩土及泥沙冲走，从而导致地下孔洞的进一步扩大。久而久之，会造成地面塌陷、河流枯竭、建筑物倾斜甚至倒塌等灾害，不仅会造成大量的经济损失，而且还会危及公共安全。
对于岩溶塌陷的治理，目前最常用的方法为注浆填充技术，常用的充填材料有混凝土、水泥砂浆等无机材料。虽然混凝土、水泥砂浆等材料的强度很高，能满足工程的需要，但由于其透水性能较差，无法解决地下水的渗流问题，使得地下水在流经充填体时无法正常通过，从而对充填体周边的岩土体产生冲刷、侵蚀和搬运作用，使得充填体的周围形成新的孔洞，进而再次引发岩溶塌陷。当遇到地下水流比较湍急的情况，直接注入溶洞内的混凝土、水泥砂浆等充填材料极易被湍急的水流冲走，造成大量的工程浪费。
为有效治理岩溶区地下孔洞的塌陷，解决传统充填体透水性能差、耗材量大等问题，设计一种用于治理孔洞塌陷的多孔充填体结构，并对充填体进行轴心抗压试验，分析不同配合比下充填体的抗压强度和透水性，验证该充填体的工程适用性和可靠性，并确定充填材料的最优配合比。
1.1 试验材料
本试验所用的岩溶充填材料是由水泥、添加剂和水混合制成，其中添加剂包括浓缩型高效水泥发泡剂、混凝土发泡剂、混凝土膨胀剂。水泥为市售普通硅酸盐水泥（P·O32.5）；
浓缩型高效水泥发泡剂由郑州市鹏翼化工建材有限公司生产，外观呈黏稠液体，固体含量为50%±2%，pH值为6～7；
混凝土发泡剂由深圳市瑞远建材化工有限公司生产，外观呈粉末状，发泡剂中含有聚氨酯、三氯氟甲烷、低含氢聚硅氧烷、端烯丙基聚醚、十二烷基硫酸钠（SDS）和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）等有机化合物，其中十二烷基硫酸钠（SDS）和十二烷基苯磺酸钠（SDBS）为表面活性剂，在水溶液中能够有效地降低液体的表面张力，使发泡剂具有良好的发泡性能和膨胀性能[6]；
混凝土膨胀剂成分以硫铝酸盐为主，由莱阳市宏祥建筑外加剂厂生产，能提高充填材料的密实度，使其产生适度的膨胀，克服充填材料的干燥收缩，达到增加强度的效果；
试验用水采用普通自来水。
1.2 充填材料的作用机理
在岩溶区中，碳酸盐胶结物、硅质胶结物以及黏土矿物是比较常见的几种胶结物。水泥的水化反应会产生大量的热量，促使胶结物电离出矿物离子，矿物离子与周围水分子产生聚集效应，具有一定的吸附作用[7-8]。再者岩溶充填材料中所含的有机化合物大部分都为高分子有机化合物，所含的能量较大，当矿物离子与有机化合物相遇时也会产生一定吸附作用[5,7,9]，同时岩体周围的矿物电解质的活度系数减小，介电常数降低，从而矿物颗粒与有机化合物会形成稳定的结构体，使岩溶充填材料能很好地吸附在岩壁上[5]。
1.3 充填材料的制备
水泥、添加剂的重量比为1∶0.01、1∶0.015和1∶0.02（即添加剂配合比分别为1%、1.5%和2%），水泥和水的重量比为1∶0.4，由此配制得到3种不同配合比的充填材料，分别将其称为充填材料A、充填材料B和充填材料C，其中添加剂组成材料的重量比为：浓缩型高效水泥发泡剂∶混凝土发泡剂∶混凝土膨胀剂=1∶1∶1。为了对比添加剂的作用效果，还制备了不添加添加剂的水泥净浆作为对比。
充填材料的制备过程为：将称量好的自来水和混凝土发泡剂先后倒入水泥净浆搅拌机中，先以低转速搅拌1min，再以高转速搅拌5min，打出大量轻质泡沫后，再将称量好的水泥、浓缩型高效水泥发泡剂和混凝土膨胀剂分别倒入水泥净浆搅拌机中，高转速搅拌5min以上至材料完全均匀，根据不同的设计配合比称量不同质量的原材料，即可得到试验所需的充填材料。
1.4 试样的制备
试验所采用的模具尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm。为了制成可通过径流的多孔充填体试样，在试样中放置了塑料吸管，其中，塑料吸管的长度为70mm，内径为6mm，外径为7mm。为了防止制样时塑料吸管发生移位，达不到试验预想效果，试样制备前对试验模具进行了一些改进。先使用打孔机在模具的两侧均匀打上直径略小于吸管外径的孔洞，孔洞在模具两侧中央呈3×3均匀排布，每个孔洞之间的距离约为15mm。
制备试样时，用细木棒从模具外两侧的孔洞插入布设在模具内横放的塑料吸管内，将其固定。为了防止制样时塑料吸管堵塞和移位，同时防止模具内的浆液从孔洞流失，细木棒的直径与孔洞的直径几乎相同。将制好的充填材料倒入模具中，放在振动台上振动，将模具内的气泡排出使试样充分密实即可得到试样，如图1所示。将制备好的试样贴上标签，标准养护48h后脱模。为了方便脱模，往模具倒入充填材料前在模具的内壁涂上一层润滑油。将完成脱模的试样置于室内阴凉的地方养护至规定龄期，养护期间每天多次浇水，确保试样能达到正常的强度。将达到养护龄期的试样进行单轴抗压强度试验，试验破坏后的试样如图2所示，每组试验以3个平行试样的平均值作为试验结果。
图1 待脱模的试样
图2 受压破坏后的试样
对不同添加剂配合比和不同养护龄期的试样进行单轴抗压强度试验，试验结果如表1所示。为了定性分析充填材料的抗压强度与添加剂配合比和养护龄期的关系，绘制抗压强度与添加剂配合比关系曲线和抗压强度与养护龄期关系曲线，如图3、图4所示。
表1 各组试样的抗压强度试验结果
图3 抗压强度与添加剂配合比关系
图4 抗压强度与养护龄期关系
由图3可知，7d养护龄期时，随着添加剂配合比的增大，试样的抗压强度呈现降低趋势；
28d养护龄期时，随着添加剂的加入，试样的抗压强度大幅度降低，加入添加剂后，随着配合比的增大，抗压强度呈先增大后降低的趋势；
由于添加剂的加入，岩溶充填材料的体积膨胀，单位体积内的质量减小，从而使抗压强度相应的减小。
由图4可知，随着养护龄期从7d增加至28d，试样的抗压强度增大，对于水泥净浆和配合比1.5%的试样，强度增加的幅度较大，对于配合比1%和2%的试样，强度增加的幅度较小。随着养护龄期的增加，水泥的水化反应得以充分的进行，水化产物增多，结构的密实性增大，从而使试样强度增大。
由表1可知，不论是7d养护龄期还是28d养护龄期，水泥净浆试样的抗压强度均为最大，加入添加剂后，除了1%配合比7d龄期的试样外，其余试样的抗压强度均比水泥净浆试样的抗压强度降低50%以上。对于7d养护龄期的试样，除水泥净浆试样外，当添加剂配合比为1%时试样的抗压强度最大，其平均强度为4.81MPa。所以，对于7d养护龄期的试样，其最优配合比为1%。对于28d养护龄期的试样，除水泥净浆试样外，当添加剂配合比为1.5%时试样的抗压强度最大，平均强度达到了10.03MPa，相比于7d养护龄期试样的抗压强度增加较大；
其他两个比例试样的抗压强度相比于7d养护龄期试样的抗压强度增加较小。所以，对于28d养护龄期的试块，其添加剂最优配合比为1.5%。
针对本次试验，对于7d养护龄期的试样和28d养护龄期的试样，考虑到实际工程应用中的长久性以及岩溶充填材料的耐久性问题，应以28d养护龄期的试样为主要分析对象，考虑到本次试验缺陷性、试验误差和比例间距较大等因素，建议该充填材料添加剂的最优配合比应在1.5%左右。
（1）对于7d养护龄期时，随着添加剂配合比的增大，试样的抗压强度呈现降低趋势；
28d养护龄期时，随着添加剂的加入，试样的抗压强度均有大幅度降低，加入添加剂后，随着配合比的增大，抗压强度呈先增大后降低的趋势；
由于添加剂的加入，岩溶充填材料的体积膨胀，单位体积内的质量减小，从而使抗压强度相应的减小。由此可见，添加剂对岩溶充填材料的抗压强度影响较大。
（2）随着养护龄期从7d增加至28d，试样的抗压强度增大，对于水泥净浆试样和配合比1.5%的试样，强度增加的幅度较大，对于配合比1%和2%的试样，强度增加的幅度较小。可见，养护龄期对水泥净浆和配合比1.5%的充填材料的影响较为显著，对配合比1%和2%的充填材料的影响不显著。
（3）不论是7d养护龄期还是28d养护龄期，水泥净浆试样的抗压强度均为最大，加入添加剂后，试样的抗压强度降低。对于7d养护龄期的试样，当配合比为1%时试样的抗压强度最大，平均强度为4.81MPa；
对于28d养护龄期的试样，当配合比为1.5%时试样的抗压强度最大，平均强度达到了10.03MPa。考虑到实际工程应用中的长久性以及岩溶充填材料的耐久性问题，应以28d养护龄期的试样为主要分析对象，该充填材料的最优配合比应在1.5%左右。
总之，本研究所设计的多孔充填体结构能保证岩溶塌陷治理工程中的强度要求，还具有一定的透水性，能有效解决地下水的渗流问题，适用于径流型岩溶区孔洞的治理。
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