注浆是治理隧道渗漏水等水灾类病害最为常用的技术手段，合理选择防水性能良好 的注浆材料是有效治理病害、确保注浆效果的关键因素。工程中常被使用的注浆材料种 类繁多，材料特征各不相同，而如何设计一种防水能力突出、性能全面、经济方便的浆 液、用于隧道或地下工程渗漏水治理，仍然是一个重点研究方向。本文选择渗透结晶型 材料、水泥和各类添加剂，制备出一种新型注浆材料——渗透结晶型浆液，采用室内试 验、微观结构观测、模型试验和离散元数值模拟等研究方法，对渗透结晶型浆液的性能、 防渗作用机理、材料成分、微观结构特征和注浆效果进行了系统的研究，主要研究内容 和结果如下:
(1)总结工程中常用防水注浆材料的特点，使用渗透结晶型材料 PENETRON Admix(简称材料 PA)，设计出渗透结晶型浆液，通过一系列浆液基础性能试验研究， 得到了密度、凝结时间、黏度、析水率、结石率、渗透系数和抗压强度等性能随材料 PA 添加量不同而发生的变化规律，从材料作用机理的角度详细分析了各类变化产生的原因 与过程，确定了材料 PA 在浆液中的合理添加量为水泥总质量的 4.0%，给出此时浆液的 各项性能参数。
(2)为了进一步提升浆液性能和使用范围，对改性渗透结晶型浆液进行研究;各类 水泥添加剂能否在浆液中正常使用进行了筛选与研究，解释了各类添加剂与材料 PA 相 互影响的原因;给出了适用于浆液中的添加剂种类和掺入量，确定了改性浆液的性能参 数和浆液合理配比。
(3)研究了浆液材料成分相互作用过程，分析了材料永久防水和结构微修复能力 的产生原因，给出了浆液的防渗机理和材料中各主要成分的作用效果;通过化学试验、 X 射线荧光光谱和 X 射线衍射分析技术对渗透结晶型浆液材料成分进行研究，确定了材 料成分组成，为浆液成分优化和制备提供借鉴。
(4)通过电子计算机断层扫描对渗透结晶型浆液固结体内部结构特征进行研究， 分析了不同材料 PA 添加量对固结体内部结构、孔隙率和孔隙体积的影响;通过扫描电 子显微镜对浆液固结体进行微观结构分析，确定了材料在固结体内生成了不溶于水的条 状、网格状结晶体物质;从微观结构的角度分析了材料 PA 对渗透结晶型浆液的结构影
响规律和性能改变原因，进一步解释了浆液防渗作用机理。 (5)使用自行设计的土工模型试验平台对不同含石量的破碎岩体进行渗透结晶型
浆液注浆试验，采用室内抽水试验方法评价了浆液的注浆效果，确定了浆液在不同含石 量的破碎岩体中扩散半径、扩散范围和扩散形式。
(6)应用离散元软件 MatDEM 建立数值计算模型，对渗透结晶型浆液在不同工况 下的扩散特征进行数值模拟分析，得到了浆液在不同注浆压力、注浆时间、岩体摩擦系 数和浆液黏度等工况下的扩散半径和影响范围，为实际工程中注浆技术参数的取值提供 参考。
关键词:隧道工程，注浆材料，材料配比，浆液性能，防渗机理，模型试验，数值模拟
4.7 本章小结
为了优化渗透结晶型浆液的配比成分、制备方法，全面了解渗透结晶型浆液和材料的作用机理与成分组成，本章结合渗透结晶型浆液性能研究结果和现有资料，对浆液和材料的作用机理进行了补充，对材料中活性化学物质的成分种类和各主要成分的作用效果进行了确定、优化浆液配比；通过化学试验、XRF 和 XRD 分析方法，对透结晶型材料的组成物质进行了详细研究；综合上述诸多研究内容，可以得到以下主要结论：
（1）对渗透结晶型材料的结晶沉淀反应机理和络合-沉淀反应机理进行总结，详细分析两种机理的不足之处，以此为基础、结合浆液性能试验结果，提出了催化-结晶沉淀反应机理；此理论合理的解释了渗透结晶型浆液的防渗作用机理，以及材料对结构永久性防水和微修复效果的产生原因，为浆液材料的组成物质分析提供了理论基础。
（2）对材料中的活性化学物质进行分析，根据材料特点和催化-结晶沉淀反应机理，给出了活性化学物质溶于水的合理解释；总结归类出了活性化学物质可能包含的物质种类，别为水溶性硅酸盐、碳酸盐、氟酸盐、硫酸盐和硫铝酸盐类物质，水溶性络合物的羧酸盐，含有羟基、胺基的水溶性有机化合物和水泥高效减水剂等物质。
（3）对材料中主要成分的作用效果进行分析，其中水泥可以使材料与混凝土结构更好的融合，也可以与精制石英砂共同在结构表面形成防水覆盖层，减少外部水源渗入；精致石英砂可以作为涂刷层的骨架，提升覆盖层的结构稳定性；活性硅粉可以发挥骨架作用，还可以与 Ca2+离子、Ca(OH)2 等反应生成不溶水的硅酸钙结晶体，添堵结构缝隙；钙离子补充剂可以为活性化学物质的反应提供充足的游离 Ca2+离子，提升活性物质反应的概率和数量。通过成分作用效果确定在制备结晶型浆液时，可以舍弃材料中的水泥和精制石英砂，选取活性化学物质、活性硅粉和钙离子补充剂添加，以此达到优化浆液配比、简化浆液原材料、节约成本的效果。
（4）利用化学试验研究的方法，以材料 PA 的母料、蒸馏水，稀盐酸、硅酸钠、氯化钙，氯化钡和氯化锌等物质为原材料进行了一系列化学试验；通过对试验产生的现象分析，得到母料中一定含有钙离子补充剂，水溶性的白色粉末状碳酸盐或碳酸氢盐物质，可能含有白色粉末状、水溶性硫酸盐和硅酸盐物质。
（5）利用 X 射线荧光光谱分析方法对材料 PA、母料所包含的元素、氧化物进行研究，通过结果可以确定母料中一定含有白色粉末状硅酸盐类化合物、少量碳酸盐化合物，活性硅粉、催化剂活性氧化铝，一定量的氧化钠和钙离子补充剂氧化钙，可能含有硫酸盐化合物；材料 PA 在母料基础上加入了水泥、钙离子补充剂和活性硅粉等物质，材料中水泥的添加量范围为 43.0%~54.0%，材料中钙离子补充剂的添加量应小于 37.0%。
（6）利用 X 射线衍射分析方法对水泥浆液和渗透结晶型浆液固结体、材料 PA 及其母料、这四种材料成分中的结晶体进行研究，可以总结得到材料 PA 中包含一定量的硅酸盐水泥、碳酸盐、水合硼酸矿物（CaB3O3(OH)5(H2O)）、次磷酸钠（NaH2PO2）、水滑石（Al2Mg4(OH)12(CO3)(H2O)）和母料；母料中包含沸石（Na12Si12Al12O48(CH3OH)9）、氢氧化锂（LiOH）和层状双金属氢氧化物（LiAl2(OH)7 (H2O)2）；这些物质中，水合硼酸钙矿物可提升材料抗拉强度，次磷酸钠可降低材料黏度，沸石可降低材料的沁水量、提升防水抗渗性，水滑石、氢氧化锂和层状双金属氢氧化物均属于催化剂或络合剂成分。
(1)总结工程中常用防水注浆材料的特点，使用渗透结晶型材料 PENETRON Admix(简称材料 PA)，设计出渗透结晶型浆液，通过一系列浆液基础性能试验研究， 得到了密度、凝结时间、黏度、析水率、结石率、渗透系数和抗压强度等性能随材料 PA 添加量不同而发生的变化规律，从材料作用机理的角度详细分析了各类变化产生的原因 与过程，确定了材料 PA 在浆液中的合理添加量为水泥总质量的 4.0%，给出此时浆液的 各项性能参数。
(2)为了进一步提升浆液性能和使用范围，对改性渗透结晶型浆液进行研究;各类 水泥添加剂能否在浆液中正常使用进行了筛选与研究，解释了各类添加剂与材料 PA 相 互影响的原因;给出了适用于浆液中的添加剂种类和掺入量，确定了改性浆液的性能参 数和浆液合理配比。
(3)研究了浆液材料成分相互作用过程，分析了材料永久防水和结构微修复能力 的产生原因，给出了浆液的防渗机理和材料中各主要成分的作用效果;通过化学试验、 X 射线荧光光谱和 X 射线衍射分析技术对渗透结晶型浆液材料成分进行研究，确定了材 料成分组成，为浆液成分优化和制备提供借鉴。
(4)通过电子计算机断层扫描对渗透结晶型浆液固结体内部结构特征进行研究， 分析了不同材料 PA 添加量对固结体内部结构、孔隙率和孔隙体积的影响;通过扫描电 子显微镜对浆液固结体进行微观结构分析，确定了材料在固结体内生成了不溶于水的条 状、网格状结晶体物质;从微观结构的角度分析了材料 PA 对渗透结晶型浆液的结构影
响规律和性能改变原因，进一步解释了浆液防渗作用机理。 (5)使用自行设计的土工模型试验平台对不同含石量的破碎岩体进行渗透结晶型
浆液注浆试验，采用室内抽水试验方法评价了浆液的注浆效果，确定了浆液在不同含石 量的破碎岩体中扩散半径、扩散范围和扩散形式。
(6)应用离散元软件 MatDEM 建立数值计算模型，对渗透结晶型浆液在不同工况 下的扩散特征进行数值模拟分析，得到了浆液在不同注浆压力、注浆时间、岩体摩擦系 数和浆液黏度等工况下的扩散半径和影响范围，为实际工程中注浆技术参数的取值提供 参考。
关键词:隧道工程，注浆材料，材料配比，浆液性能，防渗机理，模型试验，数值模拟
4.7 本章小结
为了优化渗透结晶型浆液的配比成分、制备方法，全面了解渗透结晶型浆液和材料的作用机理与成分组成，本章结合渗透结晶型浆液性能研究结果和现有资料，对浆液和材料的作用机理进行了补充，对材料中活性化学物质的成分种类和各主要成分的作用效果进行了确定、优化浆液配比；通过化学试验、XRF 和 XRD 分析方法，对透结晶型材料的组成物质进行了详细研究；综合上述诸多研究内容，可以得到以下主要结论：
（1）对渗透结晶型材料的结晶沉淀反应机理和络合-沉淀反应机理进行总结，详细分析两种机理的不足之处，以此为基础、结合浆液性能试验结果，提出了催化-结晶沉淀反应机理；此理论合理的解释了渗透结晶型浆液的防渗作用机理，以及材料对结构永久性防水和微修复效果的产生原因，为浆液材料的组成物质分析提供了理论基础。
（2）对材料中的活性化学物质进行分析，根据材料特点和催化-结晶沉淀反应机理，给出了活性化学物质溶于水的合理解释；总结归类出了活性化学物质可能包含的物质种类，别为水溶性硅酸盐、碳酸盐、氟酸盐、硫酸盐和硫铝酸盐类物质，水溶性络合物的羧酸盐，含有羟基、胺基的水溶性有机化合物和水泥高效减水剂等物质。
（3）对材料中主要成分的作用效果进行分析，其中水泥可以使材料与混凝土结构更好的融合，也可以与精制石英砂共同在结构表面形成防水覆盖层，减少外部水源渗入；精致石英砂可以作为涂刷层的骨架，提升覆盖层的结构稳定性；活性硅粉可以发挥骨架作用，还可以与 Ca2+离子、Ca(OH)2 等反应生成不溶水的硅酸钙结晶体，添堵结构缝隙；钙离子补充剂可以为活性化学物质的反应提供充足的游离 Ca2+离子，提升活性物质反应的概率和数量。通过成分作用效果确定在制备结晶型浆液时，可以舍弃材料中的水泥和精制石英砂，选取活性化学物质、活性硅粉和钙离子补充剂添加，以此达到优化浆液配比、简化浆液原材料、节约成本的效果。
（4）利用化学试验研究的方法，以材料 PA 的母料、蒸馏水，稀盐酸、硅酸钠、氯化钙，氯化钡和氯化锌等物质为原材料进行了一系列化学试验；通过对试验产生的现象分析，得到母料中一定含有钙离子补充剂，水溶性的白色粉末状碳酸盐或碳酸氢盐物质，可能含有白色粉末状、水溶性硫酸盐和硅酸盐物质。
（5）利用 X 射线荧光光谱分析方法对材料 PA、母料所包含的元素、氧化物进行研究，通过结果可以确定母料中一定含有白色粉末状硅酸盐类化合物、少量碳酸盐化合物，活性硅粉、催化剂活性氧化铝，一定量的氧化钠和钙离子补充剂氧化钙，可能含有硫酸盐化合物；材料 PA 在母料基础上加入了水泥、钙离子补充剂和活性硅粉等物质，材料中水泥的添加量范围为 43.0%~54.0%，材料中钙离子补充剂的添加量应小于 37.0%。
（6）利用 X 射线衍射分析方法对水泥浆液和渗透结晶型浆液固结体、材料 PA 及其母料、这四种材料成分中的结晶体进行研究，可以总结得到材料 PA 中包含一定量的硅酸盐水泥、碳酸盐、水合硼酸矿物（CaB3O3(OH)5(H2O)）、次磷酸钠（NaH2PO2）、水滑石（Al2Mg4(OH)12(CO3)(H2O)）和母料；母料中包含沸石（Na12Si12Al12O48(CH3OH)9）、氢氧化锂（LiOH）和层状双金属氢氧化物（LiAl2(OH)7 (H2O)2）；这些物质中，水合硼酸钙矿物可提升材料抗拉强度，次磷酸钠可降低材料黏度，沸石可降低材料的沁水量、提升防水抗渗性，水滑石、氢氧化锂和层状双金属氢氧化物均属于催化剂或络合剂成分。
