可控水泥漿實(shí)驗(yàn)研究

李必良,裴向軍

(1.綿陽(yáng)市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,四川省綿陽(yáng)市 621000；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)01—0088—04

可控水泥漿實(shí)驗(yàn)研究

李必良1,裴向軍2

(1.綿陽(yáng)市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,四川省綿陽(yáng)市 621000；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

針對(duì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育、裂隙開(kāi)度大的巖體，使用常規(guī)的水泥漿、砂漿等材料灌注加固困難的問(wèn)題，擬采用水泥基新型灌漿材料拌制可控水泥漿，通過(guò)設(shè)計(jì)“三因素、三水平”的室內(nèi)正交試驗(yàn)方案，篩選出適宜破碎、裂隙開(kāi)度較大巖體灌注的配合比，探討可控水泥漿的可行性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與常規(guī)水泥漿參數(shù)對(duì)比，可控水泥漿具有初始流動(dòng)性好，可泵時(shí)間、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間可調(diào)控，齡期強(qiáng)度比普通水泥漿強(qiáng)度高等特點(diǎn)，可根據(jù)不同的地質(zhì)條件，調(diào)整各摻料的配比，達(dá)到巖體加固的目標(biāo)。

巖體結(jié)構(gòu);控制；水泥漿;正交試驗(yàn);抗壓強(qiáng)度

0 前 言

受地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化、卸荷等作用，巖體結(jié)構(gòu)遭受破壞，裂隙開(kāi)度一般大于0.5 mm，在高深峽谷區(qū)斜坡巖體結(jié)構(gòu)面開(kāi)度更大，在此類巖體中進(jìn)行灌注加固，往往灌注量大，造成漏漿、返漿困難，灌漿加固達(dá)不到預(yù)期效果。常規(guī)水泥漿水化過(guò)程、黏度隨時(shí)間變化較緩慢，可泵時(shí)間一般通過(guò)調(diào)節(jié)水灰比、摻砂等方式調(diào)節(jié)，目前，國(guó)內(nèi)對(duì)快速凝結(jié)、充填作用的水泥灌注漿的研究，主要有：速凝型水玻璃和水泥配成膠質(zhì)水泥漿[1]、外加劑泡沫水泥漿[2]、超細(xì)水泥漿加外加劑[3]、水泥漿中加入SDJR膠乳[4]或丁苯膠乳[5]等膠乳水泥漿體系、纖維[6]及橡膠粉[7]水泥漿、復(fù)合材料的改性水泥漿體系[8]、黏土水泥漿[9]、加入穩(wěn)定劑的水泥漿[10]；這些不同類型的水泥漿作用機(jī)理不同，適宜灌注不同結(jié)構(gòu)的巖體。但對(duì)于裂隙(縫)開(kāi)度>5 mm的巖體，一般的水泥漿的可泵時(shí)間、凝結(jié)時(shí)間都較長(zhǎng)，無(wú)法在有效時(shí)間內(nèi)充填裂隙，而速凝、早強(qiáng)型水泥漿可以快速充填裂隙，但其凝結(jié)速度難以控制，后期強(qiáng)度偏低，直接影響水泥漿的擴(kuò)散范圍[11]。因此，為有效合理、因地制宜、提高工程質(zhì)量和速度、達(dá)到節(jié)約材料的目標(biāo)，以水泥為基材，摻入新型助劑材料，開(kāi)展可控水泥漿室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)機(jī)理及思路

影響常規(guī)水泥漿性能的主要因素在于含礦物成分的種類、含量、水泥的細(xì)度。拌制時(shí)，水泥中的主要礦物硅酸二鈣和硅酸三鈣與水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)；鋁酸三鈣迅速水化先生成介穩(wěn)狀態(tài)的水化鋁酸鈣，在CaSO4存在的條件下，反應(yīng)形成三硫型水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)[12]；鐵相固溶體(鐵鋁酸鹽)的水化速度較緩慢、水化熱較低，反應(yīng)緩慢、不明顯。

以常規(guī)的水泥水化原理為基礎(chǔ)，以λ=0.6水泥漿為基漿，摻加膨潤(rùn)土、合成纖維素類溶劑(助劑1號(hào))、合成鈣硅質(zhì)早強(qiáng)劑(助劑2號(hào))、酰胺類穩(wěn)定性調(diào)節(jié)劑(助劑3號(hào))，配制可控水泥漿[13]。首先依次摻入膨潤(rùn)土、助劑1號(hào)纖維素類有機(jī)材料，起穩(wěn)定調(diào)和作用，為后期材料的摻入形成充分反應(yīng)條件，迅速加入助劑2號(hào)，使水泥顆粒化學(xué)組份迅速參與反應(yīng)，并在水泥顆粒之間反應(yīng)生成大量致密的膠結(jié)物，最后加入助劑3號(hào)，根據(jù)不同工程地質(zhì)條件需要可有效調(diào)節(jié)反應(yīng)過(guò)程，整個(gè)拌制過(guò)程形成“較快-較慢-快-逐漸釋放反應(yīng)速度”的反應(yīng)過(guò)程。

配制出的這種水泥漿初始流動(dòng)性好，黏度、凝結(jié)時(shí)間可根據(jù)不同地質(zhì)條件的巖體結(jié)構(gòu)對(duì)配合比進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終通過(guò)測(cè)定水泥漿的可泵時(shí)間、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間、后期強(qiáng)度等參數(shù)，篩選出可泵時(shí)間較長(zhǎng)，初凝、終凝時(shí)間較短的配合比。

2 實(shí)驗(yàn)材料

采用PO.42.5普通硅酸鹽水泥、水、膨潤(rùn)土、助劑1號(hào)、助劑2號(hào)、助劑3號(hào)。

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

通過(guò)前期對(duì)可控水泥漿灌漿材料實(shí)驗(yàn)性拌制過(guò)程及反應(yīng)程度的影響分析：助劑1號(hào)主要起穩(wěn)定調(diào)和的作用，對(duì)漿液性能影響程度不大，設(shè)定其摻量為0.33%(與水泥質(zhì)量比)不變；略去次要因素，主要對(duì)膨潤(rùn)土、助劑2號(hào)、助劑3號(hào)三因素進(jìn)行考察。對(duì)正交試驗(yàn)范圍內(nèi)每個(gè)因素分別選取3個(gè)水平(如表1所示)，以期獲得可泵時(shí)間最長(zhǎng)、初凝、終凝時(shí)間最短的方案。

表1 試驗(yàn)正交表L9 (33)

3.2 正交試驗(yàn)成果及極差分析

水灰比設(shè)置為0.6，水泥摻量為3 000 g、按照“三因素、三水平”的正交試驗(yàn)表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如表1所示。“膨潤(rùn)土”、“助劑2號(hào)”、“助劑3號(hào)”為3個(gè)因素；3個(gè)不同等級(jí)的摻量為因素的3個(gè)水平，將助劑1、2、3號(hào)分別配置成10%、25%、10%的溶液，在λ=0.6普通水泥漿基礎(chǔ)上，依次加入膨潤(rùn)土、助劑1、2、3號(hào)的溶液，拌制可控水泥漿，測(cè)試各參數(shù)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)成果數(shù)據(jù)填入表2中，測(cè)試結(jié)果極差分析見(jiàn)表3。

表2 正交試驗(yàn)成果表

結(jié)合表2、3可以看出：

(1) 膨潤(rùn)土對(duì)各參數(shù)的影響。對(duì)可泵時(shí)間、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間3個(gè)參數(shù)而言，因素膨潤(rùn)土的極差都不是最大，即膨潤(rùn)土不是影響的最大因素，膨潤(rùn)土取4.17%最好。

(2) 助劑2號(hào)對(duì)各參數(shù)的影響。對(duì)初凝時(shí)間和終凝時(shí)間而言，極差都是最大的，可以說(shuō)，助劑2號(hào)是最大的影響因素；對(duì)初凝時(shí)間而言，助劑2號(hào)取2.0%最好；而對(duì)終凝時(shí)間而言，取2.0%亦好。助劑2號(hào)的摻量在2%～2.67%之間極差處于上升值；對(duì)可泵時(shí)間而言，助劑2號(hào)取3.33%時(shí)，極差最大，不利于拌制理想可泵時(shí)間的漿液，當(dāng)取2.0%時(shí)，極差處于適度，調(diào)整范圍在2%～2.67%。

表3 測(cè)試結(jié)果極差分析列表

(3) 助劑3號(hào)對(duì)各參數(shù)的影響。對(duì)初凝時(shí)間和終凝時(shí)間而言，極差都不是最大的，助劑3號(hào)因素不是最大的影響因素；對(duì)可泵時(shí)間而言，助劑3號(hào)是最大的影響因素；而對(duì)初凝、終凝時(shí)間而言，助劑3號(hào)分別為一般和最小的影響因素，為了和助劑2號(hào)的摻量配合達(dá)到可泵時(shí)間最大的效果，助劑3號(hào)取0.67%～0.83%最好。

通過(guò)正交試驗(yàn)的范圍鎖定，A1B1C3為較好的實(shí)驗(yàn)方案，其配合比為：

水∶水泥∶膨潤(rùn)土∶助劑1號(hào)∶助劑2號(hào)∶助劑3號(hào)=0.6∶1∶0.033∶0.0033∶0.02∶0.0083。

3.3 影響因子分析

保持水灰比λ=0.6不變，以正交試驗(yàn)成果為基礎(chǔ)，調(diào)整影響因素的摻量，分析各摻量影響情況如下。

(1) 助劑1號(hào)對(duì)水泥漿的影響

通過(guò)實(shí)驗(yàn)前期階段測(cè)試助劑1號(hào)對(duì)水泥漿的影響分析判斷，助劑1號(hào)主要起穩(wěn)定調(diào)和的作用，對(duì)漿液性能影響程度不大。

(2) 膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿影響

通過(guò)前述正交試驗(yàn)結(jié)果，膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿影響小，不起主導(dǎo)作用。

(3) 助劑2號(hào)摻量對(duì)水泥漿性質(zhì)的影響

圖1 助劑2號(hào)加量對(duì)水泥漿參數(shù)的影響曲線圖

其余摻量不變，增減助劑2號(hào)的摻量，測(cè)定其對(duì)水泥漿的可泵時(shí)間、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間主要參數(shù)值的影響，其影響曲線如圖1所示：當(dāng)助劑2號(hào)摻量逐漸增加，曲線陡降，到摻量約為2%時(shí)，曲線均具有最小值，隨著摻量繼續(xù)增加，縱坐標(biāo)數(shù)值緩慢地增加，整個(gè)曲線呈現(xiàn)下凹形拋物線。可以得出，助劑2號(hào)摻量最小值為1.33%～2.67%，處于這一值時(shí)，可泵時(shí)間、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間最短。

(4) 助劑3號(hào)對(duì)水泥漿性質(zhì)的影響

助劑2號(hào)、助劑3號(hào)對(duì)水泥漿液性質(zhì)影響很大，保持助劑2號(hào)摻量為2%及其余摻量不變，增減助劑3號(hào)摻量并測(cè)試其對(duì)水泥漿的影響，如圖2所示。當(dāng)助劑3號(hào)摻量逐漸增加，可泵時(shí)間略微增長(zhǎng)，當(dāng)摻量為0.33%時(shí)，達(dá)到最大，隨摻量繼續(xù)增加，可泵時(shí)間緩慢地減??；初凝、終凝時(shí)間隨助劑3號(hào)摻量影響曲線呈似下凹形拋物線，先急劇減小，達(dá)到最小值后，逐漸緩慢增長(zhǎng)。可以看出，當(dāng)助劑3號(hào)摻量在0.33%～0.56%時(shí)，凝結(jié)時(shí)間有最小值。

圖2 助劑3號(hào)加量對(duì)水泥漿參數(shù)的影響曲線圖

4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比及分析

為了探討可控水泥漿是否具有比常規(guī)水泥漿具有更大的潛力和優(yōu)勢(shì)，室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了同水灰比的常規(guī)水泥漿對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

可控水泥漿和常規(guī)水泥漿測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)表4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可控水泥漿可泵時(shí)間1 h14 min，約是常規(guī)水泥漿的1/10；初凝時(shí)間4 h54 min，約是常規(guī)水泥漿的1/4；終凝時(shí)間6 h56 min，約是常規(guī)水泥漿的1/3；24 h抗壓強(qiáng)度1.53 MPa，約是常規(guī)水泥漿的3倍；3 d齡期抗壓強(qiáng)度8.7 MPa，約是常規(guī)水泥漿的2倍；7 d齡期抗壓強(qiáng)度13.78 MPa，約是常規(guī)水泥漿的1.5倍；28 d齡期抗壓強(qiáng)度22.5 MPa，約是常規(guī)水泥漿的1.3倍。

表4 對(duì)比試驗(yàn)成果表

從可泵—初凝—終凝的變化過(guò)程中，相同水灰比為λ=0.6的常規(guī)水泥漿達(dá)到凝結(jié)狀態(tài)，所需時(shí)間長(zhǎng)，而可控水泥漿所需時(shí)間短，稠化速度最快，在灌漿擴(kuò)散過(guò)程中，沿張開(kāi)度較大的裂隙流動(dòng)過(guò)程中能快速凝結(jié)，且強(qiáng)度增長(zhǎng)快，28 d抗壓強(qiáng)度增幅近30%。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1) 從室內(nèi)正交試驗(yàn)成果可以看出，可控水泥漿具有可調(diào)性(通過(guò)調(diào)整摻入助劑含量的大小達(dá)到所需性狀的水泥漿目標(biāo))，且摻量的微弱增加或減小就可對(duì)水泥漿性狀影響較大；鎖定了可泵時(shí)間較長(zhǎng)，初凝、終凝時(shí)間較短的配合比。

(2) 分析膨潤(rùn)土、助劑2號(hào)、助劑3號(hào)3個(gè)因素分別對(duì)可控水泥漿的影響，得出：助劑2號(hào)、助劑3號(hào)為主要的影響因素，膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿影響小。

(3) 與同水灰比常規(guī)水泥漿相比，可控水泥漿助劑摻量調(diào)節(jié)變化較小即可達(dá)到對(duì)水泥漿影響較大的效果，可調(diào)性強(qiáng)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可控水泥漿可泵時(shí)間約是常規(guī)水泥漿的1/10，初凝時(shí)間約是常規(guī)水泥漿的1/4，終凝時(shí)間約是常規(guī)水泥漿的1/3；3 d齡期抗壓強(qiáng)度約是常規(guī)水泥漿的2倍，7 d齡期抗壓強(qiáng)度約是常規(guī)水泥漿的1.5倍，28 d齡期抗壓強(qiáng)度約是常規(guī)水泥漿的1.3倍。

(4) 通過(guò)調(diào)整助劑2號(hào)、助劑3號(hào)的摻量，可配制不同可泵時(shí)間、初凝時(shí)間、終凝時(shí)間的水泥漿，對(duì)結(jié)構(gòu)面發(fā)育、裂隙開(kāi)度較大的巖體具有擴(kuò)散半徑可控的可行性，從而可以降低水泥漿浪費(fèi)量，節(jié)約工程投資。

(5) 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)可控水泥漿表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，為實(shí)際工程應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

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Study on Experiment of Controllable Cement Grout

LI Bi-liang1, PEI Xiang-jun2

(1.Mianyang Planning Design and Research Institute of Water Resources, Mianyang, Sichuan 621000, China;2. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610056, China)

For the rockmass with the developed structure planes and the big-opening fractures, it is difficult to reinforce them with conventional cement grout and cement mortar, etc. The new grouting materials based on cement are proposed to apply to mix the controllable cement grout. Through the scheme of the lab orthogonal tests designed according to Three Factors and Three Standards, the mix ratios suitable for the injection of the broken rockmass with the big-opening fracture are screened to explore the feasibility of the controllable cement application. The experiments prove that, compared with the parameters of the conventional cement grout, the controllable cement features good initial fluidity; controllable pumping period, initial setting period and final setting period; the higher age strength compared with that of the normal cement. Based on the different geological conditions, proportion of mixtures can be adjusted so as to consolidate the rockmass.

rockmass structure; control; cement grout; orthogonal test; pressive strength

2014-07-10

李必良(1983- )，男，四川省內(nèi)江市人,研究生，主要從事水利水電工程地質(zhì)工作.

TV41

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.023