膨潤土的性質(zhì)及其對水泥漿溶液的影響

史建峰

20世紀80年代初日本首次研制出超細水泥漿材的濕式工法(WMC工法),此后許多國家相繼以超細水泥作為灌漿材料,在此基礎(chǔ)上我國于1987年研制成功了濕磨細水泥漿的灌漿技術(shù);但是,因超細水泥成本高,每噸成本價都在2 000元以上,因此,限制了超細水泥在工程中的應用。90年代初,新的灌漿技術(shù)法開始在工程中應用,該法主要是通過添加膨潤土來生產(chǎn)穩(wěn)定漿液,目前國內(nèi)外配制穩(wěn)定灌漿液普遍采用膨潤土作穩(wěn)定劑。因此,文章介紹了膨潤土的性質(zhì)并著重研究了膨潤土對水泥漿溶液的影響,以便為今后配制穩(wěn)定漿液提供參考。

1 膨潤土的性質(zhì)、用途及作用機理

1.1 膨潤土的性質(zhì)

膨潤土是一種以蒙脫石為主要礦物成分的黏土巖,顏色為白色、淺黃色。膨潤土具有較強的吸濕性和膨脹性,可吸附8倍～15倍于自身體積的水量,體積膨脹可達數(shù)倍至30倍,在水介質(zhì)中能分散成膠凝狀和懸浮狀,這種介質(zhì)具有一定的粘滯能變性和潤滑性,有較強的陽離子交換能力,對各種氣體、液體、有機物質(zhì)有一定的吸附能力。最大吸附量可達5倍于自身的重量。

1.2 膨潤土的用途

天然鈉基膨潤土或人工鈉化的高膨脹性膨潤土不僅可用于地下連續(xù)墻施工、沉井、沉箱、頂管、打樁、地下防水、混凝土增塑添加物,還可用于顆粒水力運輸、污水處理、隧道防護和電線接地蓋土等。近年來用量大幅度增長的主要是土壤密封、地下連續(xù)墻施工和防水砂漿。膨潤土能有效地吸附污染物質(zhì),作為土壤填料可用于廢料填埋、水池、溝渠、水庫和運河等防滲。根據(jù)土壤滲透情況,膨潤土在土壤中用量為1 kg/m2～20 kg/m2。在隔擋墻施工中,膨潤土砂漿與水泥或硅酸鈉添加物混合可制成各種灌漿材料,用于處理條件變化較大的土壤。它們以流體形式注入土壤裂隙或裂縫,使之密封和固結(jié)。

1.3 膨潤土的作用機理

膨潤土在水中高度分散搭接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),并使大量的自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的束縛水,而形成非牛頓液體類型的觸變性凝膠。它的粘度對于懸浮液體系的穩(wěn)定性具有重要影響,并與剪切速度變化有關(guān)。攪動時,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞,凝膠轉(zhuǎn)化為低粘滯性的懸浮液;靜止時,恢復到初始凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的均相塑性體狀態(tài),粘度逐漸增大。在外力作用下懸浮液與膠體可以無限轉(zhuǎn)化。這就是摻加膨潤土后漿液觸變性變好的原因。

2 試驗

2.1 試驗材料

膨潤土：本試驗所用的膨潤土是土木工程用的泥漿土(見圖1),蒙脫石含量為82.5%～95.3%,d060值介于1.495～1.503之間,吸水量大于36 g/100 g。水泥：本試驗所用的水泥是P.O42.5普通硅酸鹽水泥。水：普通自來水。

2.2 膨潤土對水泥漿液的影響

2.2.1 吸水率

1)膨潤土漿液：該試驗采用250 mL量筒,將拌好的漿液200 mL注入量筒內(nèi),5 min后觀察漿液由原來的200 mL膨脹為230 mL,體積明顯增大,溶液呈淡土黃色,靜置48 h,呈懸浮狀,無明顯離析。

2)水泥漿液：制成漿液5 min后觀察,水泥顆粒開始下沉,有明顯的離析現(xiàn)象發(fā)生。

3)膨潤土水泥漿液：制成漿液后5 min觀察,也有離析現(xiàn)象發(fā)生,但不如水泥漿液發(fā)生離析那樣明顯。

4)不同膨潤土摻量下的水泥漿液吸水率：如圖2所示采用250 mL量筒,將拌好的漿體注入量筒內(nèi),并將量筒上口加蓋封好。隨后每隔60 min將上口蓋打開,使量筒傾斜,用吸管吸出析水,并分別記下漿液的體積數(shù),最后計算出吸水率,以吸水率的大小評價漿液穩(wěn)定性好壞,結(jié)果見表1。

表1 不同膨潤土摻量下的水泥漿吸水率(W/C=0.8) %

通過表1我們可以發(fā)現(xiàn)：隨著膨潤土含量的增加,漿液最終達到穩(wěn)定的時間縮短,吸水率降低,穩(wěn)定性逐漸增加。

2.2.2 粘度

粘度也稱流動度,是量度流體粘滯性大小的物理量,粘滯流體在層流中,其相鄰流體層間的內(nèi)摩擦力τ與沿接觸面法向n的速度梯度dv/dn成正比,與接觸面積成正比,與流體本身的性質(zhì)有關(guān),而與接觸面上的壓力無關(guān),即：τ=η Adv/dn。其中,τ為流層的內(nèi)摩擦力;η為粘度系數(shù);A為接觸面積;dv/dn為流體的流速梯度。

漿液粘度是指漿液所有組分混合后的初始粘度,水泥漿粘度測試有多種方法,主要采用旋轉(zhuǎn)粘度計和漏斗粘度計測得水泥漿表觀粘度,從中可知水泥漿液的粘度與水灰比成反比,但當水灰比達到某一值后,其粘度幾乎不再變化。漏斗粘度計使用最方便直觀,最適合施工現(xiàn)場使用。目前國際上用得較多的漏斗有三種：馬什漏斗、梅開索爾漏斗及普里帕克漏斗,實際以馬什漏斗使用最多,見圖3。

參照GB 1346粘度測試方法,采用馬什漏斗粘度計測試,以一定漿量從漏斗流出的時間長短,即相對粘度,評價漿液的流動性能,結(jié)果見表2。

表2 不同膨潤土摻量下的水泥漿粘度(W/C=0.8)

通過表2我們可以發(fā)現(xiàn)：相同水灰比的漿液,膨潤土用量越多粘度越大,凝結(jié)時間越長,結(jié)石率越高。

2.2.3 強度

配制相同水灰比(W/C=0.8)的水泥漿體,膨潤土摻量分別為1%,1.5%,2%,2.5%,3%,測其3 d,7 d,28 d齡期硬化后的強度,抗壓試件邊長為7.07×7.07立方體試塊,在標準條件養(yǎng)護下,強度試驗結(jié)果見表3。

表3 不同膨潤土摻量下的水泥漿強度(W/C=0.8) MPa

通過表3我們可以發(fā)現(xiàn)：在相同的水灰比下,隨著膨潤土摻量的增加,抗壓強度在迅速減小。

3 結(jié)語

1)膨潤土具有很好的穩(wěn)定性,在水灰比一定的情況下隨著膨潤土摻量的增加,漿液的粘度增大、吸水率降低,從而使?jié){液有一種較好的穩(wěn)定性。2)膨潤土的摻入對水泥漿液的強度有一定影響,在相同的水灰比下,隨著膨潤土摻量的增加,抗壓強度在迅速減小。3)水泥膨潤土混合而成的漿液由于自身的特性決定了強度不會很高,但是作為帷幕的灌漿材料是適用的。

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