膨潤土摻量對水泥注漿體強度影響的試驗研究

李 開 放

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

膨潤土摻量對水泥注漿體強度影響的試驗研究

李 開 放

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

針對國內(nèi)外地下施工過程當(dāng)中多次遇到高溫地?zé)崴畣栴}，在實驗室模擬了40℃溫度條件下，不同水灰比對水泥漿液的抗折、抗壓和析水率性能的影響以及在不同水灰比時摻加不同量膨潤土對水泥漿液的抗折、抗壓和析水率性能的影響，并對試驗結(jié)果進行分析。結(jié)果表明：水泥凈漿隨水灰比增大其抗折、抗壓均下降，析水率明顯增加；隨著養(yǎng)護時間的增長其抗折、抗壓強度均不斷增加。摻加膨潤土對水泥砂漿的抗壓強度影響較大，但隨著摻量的增加，降低幅度明顯減弱，摻加膨潤土對水泥砂漿的抗折強度影響較小。

水灰比；膨潤土；漿液性能

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展、城市化進程以及交通設(shè)施的不斷完善，地下工程的數(shù)量明顯增多，并且向著長、大、深的方向發(fā)展，特別是在我國的高山高原地區(qū)，隧道、地鐵高層建筑等很多工程不同程度地遇到了高溫地?zé)崴畣栴}，此問題將直接影響到工程的施工進度以及工程質(zhì)量，是目前亟需解決的問題。高溫地下水水溫25 ℃～108 ℃，地溫梯度高于正常地溫梯度(2.5 ℃/100 m)。在遇到高溫地?zé)崴椖恐?，水溫位?5 ℃～45 ℃占主導(dǎo)地位[1]，例如：西南某新建鐵路項目等[2]。注漿施工是一種有效的防范和治理地下水問題以及加固裂隙的施工方法。根據(jù)不同地質(zhì)條件配制不同的漿液，通過適當(dāng)?shù)淖{設(shè)備，將漿液注入到巖土體的裂隙、空隙和空洞中去，漿液凝結(jié)成結(jié)石體與原有巖土體緊密結(jié)合，從而降低巖土的滲透性，提高其各方面的性能[3]。在現(xiàn)場施工過程中應(yīng)用的注漿材料種類繁多，但不同的漿液各有利弊，其中化學(xué)注漿液對環(huán)境的污染比較嚴(yán)重，而水玻璃注漿液存在強度低、耐久性差的弊端，超細(xì)水泥注漿液則受施工成本過高的困擾，制約了其在施工現(xiàn)場的普及度[4]。為了解決單一注漿液存在的問題，往往采用混合注漿液，通過往水泥漿液中摻入膨潤土、減水劑等外加劑，使水泥漿液的流動性增強、析水率降低，對于結(jié)石體的抗折強度、抗壓強度的影響不大，能夠在堵水加固方面取得較優(yōu)的效果[5]。因此，在工程實際應(yīng)用中仍以普通水泥漿作為主要注漿液[6-8]。解決深埋隧道中出現(xiàn)的高溫問題，探索高溫環(huán)境下水泥漿材的性能變化規(guī)律，在實際的工程應(yīng)用中具有重要的意義。為了解決高溫工程當(dāng)中的注漿問題，配制出一種適合類似工程的注漿液。經(jīng)綜合考慮，本試驗擬在室內(nèi)模擬高溫下的實際環(huán)境，設(shè)計出接近實際的試驗條件，對40℃溫度條件下?lián)郊优驖櫷翆λ酀{性能的影響進行試驗研究，能為實際工程的設(shè)計和施工提供參考。

1 試驗材料及設(shè)備

1.1 水泥

本試驗擬采用的水泥為產(chǎn)于焦作中晶水泥廠的P·O 42.5水泥，化學(xué)成分詳如表1所示。

表1 水泥化學(xué)成分

1.2 膨潤土

試驗用膨潤土的主要礦物成分為蒙脫石，主要化學(xué)成分為 SiO2、Al2O3、H2O 及少量的 Fe2O3、MnO2、MgO、CaO、K2O、Na2O、TiO2等可作為穩(wěn)定劑添加于水泥漿液中，能夠顯著提高注漿結(jié)石體的穩(wěn)定性。膨潤土有很強的吸水性、觸變性、分散性、膠結(jié)性、膨脹性及陽離子交換性。

膨潤土是一種主要成分是蒙脫石的黏土，其所含的蒙脫石的種類和含量對于膨潤土的性能有很大影響。當(dāng)膨潤土在水中分散時，由于外表面吸附的陽離子數(shù)量較少，有向外擴散的趨勢，同時又受到帶電晶層的吸引，從而形成絡(luò)合物或者有機、無機復(fù)合物。水泥的水化產(chǎn)物針狀鈣礬石能夠與膨潤土中的蒙脫石很好地相互結(jié)合，而蒙脫石特有的層狀架構(gòu)可以很好地填充在水泥水化過程中產(chǎn)生的空隙里，這樣水泥漿液的空隙就會減少，從而改善了混凝土的性能[9]。

1.3 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備有某省某縣樂壽建材儀器廠生產(chǎn)的水泥膠砂三聯(lián)試模，規(guī)格為：40 mm×40 mm×160 mm；某市錫東建材設(shè)備廠生產(chǎn)的JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機；某建儀儀器機械有限公司的JYT-700型混凝土加速養(yǎng)護箱；某長城機電設(shè)備廠的KZJ-500型電動抗折試驗機；某市建筑材料儀器機械廠的NYL-300型壓力試驗機。

2 試驗方案

2.1 水泥凈漿性能

本試驗采取工程項目中最常用的4個水灰比進行研究，水灰比為0.6、0.8、1.0、1.2，為對比摻加膨潤土對于水泥砂漿性能的影響，先做出40℃溫度下4組不同水灰比的水泥凈漿的試件，置于養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，并用抗折試驗機和抗壓試驗機測定其抗折強度和抗壓強度，與摻加膨潤土的試件性能進行比較分析。40℃時，不同水灰比下水泥凈漿的抗折強度和抗壓強度如表2和表3所示。

表2 不同水灰比下試件抗折強度 /MPa

表3 不同水灰比下試件抗壓強度 /MPa

從表2、表3中試件的抗折、抗壓強度可以看出，隨著水灰比的增大，試件的抗折強度和抗壓強度均有不同程度的減小，根據(jù)表2、表3繪制試件抗折抗壓強度曲線如圖1所示。從圖1可以看出，隨著水灰比增大，3 d和7 d的抗折強度差值逐漸減小，而抗壓強度在水灰比超過0.8之后減小幅度明顯變小，且3 d和7 d之間的抗折強度、抗壓強度差值逐漸減小。試塊折斷斷面如圖2、圖3所示。

圖1 強度隨水灰比變化曲線

圖2 抗壓試塊壓斷斷面 圖3 抗折試塊折斷斷面

2.2 摻加膨潤土水泥砂漿性能

依據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法》(GB17671—1999)規(guī)定，根據(jù)混合后的注漿液的吸水率和黏度來確定本試驗采用的注漿液中膨潤土的摻量。其中，析水率是指水泥砂漿在靜止條件下水泥顆粒沉淀從而析出的水的體積所占總體積的百分比，黏度指標(biāo)很好地反應(yīng)了水泥漿液的流變性。試驗中采用某試驗儀器廠1006型泥漿黏度計對不同配比的水泥漿液黏度進行測定，根據(jù)水泥砂漿析水率以及黏度指標(biāo)來確定不同水灰比下膨潤土的摻量[10]，如表4所示。

表4 不同水灰比下膨潤土摻量

根據(jù)表4的配比，經(jīng)水泥凈漿攪拌機低速攪拌2 min，高速攪拌2 min后，配置出不同配比的水泥漿液，將攪拌均勻的水泥漿液倒入規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)試模中，將試模和試件一起放入40 ℃養(yǎng)護箱內(nèi)，養(yǎng)護24 h后進行脫模，對試件繼續(xù)養(yǎng)護至3 d、7 d后，利用某機電設(shè)備廠KZJ-500型電動抗折試驗機和某市建筑材料儀器機械廠NYL-300型壓力試驗機測定試件的抗折和抗壓強度[11-12]，結(jié)果如表5所示。

表5 不同配比水泥漿強度

從表5可知，水灰比為0.6時，隨著膨潤土摻量的增加，3 d的抗折強度和抗壓強度均有所增加，隨著養(yǎng)護時間的增加，其抗壓強度有所增加；水灰比為0.8時，隨著膨潤土摻量增加，試件各性能均有略微降低；水灰比為1.0、1.2時，隨著膨潤土摻量增加，試件的各性能變化幅度不大。

表2、表3、表5的數(shù)據(jù)比較分析可知，摻加膨潤土之后試塊不同期齡的的抗折強度、抗壓強度均呈現(xiàn)降低的趨勢。水灰比相同時，增加膨潤土摻量后，抗折強度、抗壓強度降低幅度變??；隨著水灰比增大，試件抗折強度、抗壓強度均有降低趨勢，且趨勢逐漸減小。

3 結(jié) 語

本試驗通過模擬40℃地溫條件，測定了該環(huán)境下水泥凈漿的抗折強度、抗壓強度以及摻加膨潤土的水泥漿液的抗折強度，抗壓強度，分析后得到以下結(jié)論：

(1)膨潤土對水泥砂漿抗壓強度影響較大，但隨著摻量的增加，強度降低幅度明顯減弱。

(2)在漿液水灰比相同時，試件的抗壓強度基本隨著膨潤土摻量的增加而減小；而試件的抗折強度變化不明顯。

(3)膨潤土對水泥砂漿的抗折強度有一個最佳摻量，對水泥砂漿的抗壓強度也有一個最佳摻量，不過這兩個摻量值不相同，在實際工程中，應(yīng)多次調(diào)配試驗，確定最佳配合比。本試驗研究結(jié)論可對類似的工程項目有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 侯新偉,李向全,蔣良文,等.大瑞鐵路高黎貢山隧道熱害評估[J].鐵道工程學(xué)報,2011(5):60-65.

[2] 陳偉,蔣良文,杜宇本.西南某新建鐵路地?zé)崴卣鳒\析[J].鐵道工程學(xué)報,2011(9):1-6.

[3] 范武.注漿擴散規(guī)律的試驗研究[J].科技展望,2015(24),100-102.

[4] 劉永文,王新剛,馮春喜,等.注漿材料與施工工藝[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,2008:16-30.

[5] 張歡,鄧最亮,鄭柏存,等.外加劑對水泥基注漿材料流變性能的調(diào)控作用[J].硅酸鹽通報,2014,33(2):321-327.

[6] 劉健,劉人太,張霄，等.水泥漿液裂隙注漿擴散規(guī)律模型實驗與數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(12):2445-2452.

[7] 許廣坡.巖溶注漿擴散半徑物理模型試驗及數(shù)值模擬研究[D].成都:西南交通大學(xué),2010:1-4.

[8] 薛翊國,李術(shù)才,蘇茂鑫，等.青島膠州灣海底隧道涌水?dāng)鄬幼{效果綜合檢驗方法研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2011,30(7):1382-1388.

[9] 肖佳,孟慶業(yè),郭明磊,等.膨潤土改善水泥基材料抗低溫硫酸鹽侵蝕性能[J].建筑材料學(xué)報,2016,19(1):156-161.

[10] 胡意志.新型水泥基復(fù)合注漿材料的配比實驗[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2017,37(3):44-46.

[11] 楊仁樹,薛華俊,李濤濤，等.九龍煤礦深部巖體注漿漿液配比優(yōu)化研究[J].煤炭工程,2015,47(2):1-4.

[12] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局,GB17671—1999 水泥膠砂強度檢驗方法[S].1999:5-17.

Experimental Research on Effect of Bentonite on Cement Slurry Fracture Resistance

LI Kaifang

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In view of high temperature geothermal water that frequently exist in underground constructions, a simulation was taken in the lab to find the influence of different water cement radio and different quality of bentonite clay based on different water cement radio to cement slurry′s fracture resistance, compression properties and bleeding radio. Results show that cement slurry′s fracture resistance and compression properties declined while bleeding radio increased with increasing of water cement radio. With the increase of the curing time, the fracture resistance and compression properties of cement slurry increased constantly. Bentonite clay had greater influence on the compressive strength of cement slurry, while the amplitude of reduction attenuate obviously. Bentonite clay had less effect on fracture resistance.

water cement ratio; bentonite; slurry performance

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.002

TU528

A

1674-5403(2017)04-0006-04

2017-09-10

李開放(1990-)，男，河南開封人，在讀碩士研究生，主要從事工程材料方面的研究.