溫度對水泥基注漿體抗壓強度影響的試驗研究

范利丹，史志杰，余永強，李開放，張子建

（河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000）

0 前言

然而近些年，隨著經濟的發(fā)展和技術的進步，交通工程向縱、深方向迅猛發(fā)展，與此同時，礦井開采深度也不斷增加，高地溫（熱害）問題日漸成為隧道（洞）工程、采礦工程及其他地下工程中常遇到的地質問題[1-3]，高溫地熱現(xiàn)象將使?jié){材表現(xiàn)出不同于常溫下的性能，如凝結時間縮短、強度降低、耐久性變差等。然而，目前該方面只有極少的研究報道[4-5]。

普通水泥漿因其較低的成本優(yōu)勢、較高的強度和廣泛的適用性，仍然是目前注漿工程中應用較多的注漿材料，此外，膨潤土作為改善漿液穩(wěn)定性、分散性、保水性的礦物材料，也常被用來和水泥共同配制注漿液。漿液結石體抗壓強度作為注漿施工的一個重要指標，對堵水加固效果的好壞起著至關重要的作用。本文通過在實驗室模擬高地溫環(huán)境，對普通水泥漿在不同溫度、不同水灰比和不同齡期下的抗壓強度進行分析研究，并考察了摻有膨潤土水泥漿結石體的抗壓強度變化，以期對高地溫環(huán)境中的注漿工程帶來一定的借鑒。

1 試驗

1.1 試驗材料和儀器設備

水泥：焦作中晶水泥廠生產的P·O42.5水泥，主要性能指標如表1所示；膨潤土：產自信陽，鈉基膨潤土，作為漿液的穩(wěn)定劑，主要性能指標如表2所示；減水劑：河南美亞有限公司生產的MY-1聚羧酸高效減水劑，緩凝型，減水率29%，可降低漿液的黏度；水：自來水。

表1 水泥的主要性能指標

表2 膨潤土的主要性能指標

主要設備有水泥凈漿攪拌機、SHBY-40A標準養(yǎng)護箱、JYZ-700混凝土加速養(yǎng)護箱、NYL-300型壓力實驗機、40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模等。

1.2 試驗方法

按一定比例配制漿液，經水泥凈漿攪拌機攪拌（低速120 s，高速120 s）后，配制成特定配比的漿液各16組；將漿液倒入40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模中；將試模分別放入20℃的標準養(yǎng)護箱和40、60、80℃的混凝土加速養(yǎng)護箱（相對濕度≥90%）中養(yǎng)護24 h，然后拆模；在加速養(yǎng)護箱繼續(xù)養(yǎng)護至3、7、14 和 28 d；測試試塊的抗壓強度。

2 試驗結果與分析

2.1 凈漿結石體的抗壓強度

水泥漿結石體是由水化產物、未經水化的水泥顆粒以及孔隙組成，水化產物中的晶體主要有 Ca（OH）2、鈣礬石（AFt）和單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm），晶體相互搭接、交錯和粘連，形成網狀結構，在水泥漿結石體中起重要的骨架作用，水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）填充于其中。C-S-H凝膠比表面積很大，表面能高，相互間受到分子間的引力作用，相互接觸而形成了水泥石的強度。常溫下，隨著水化齡期的延長，水化產物生成量逐漸增加，水泥漿結石體強度不斷提高。但隨著養(yǎng)護溫度的升高，水泥漿在水化速率、水化程度、水化產物組成和組織結構方面都會發(fā)生變化，從而影響到結石體的強度。表3為水灰比分別為0.6、0.8、1.0和1.2的凈漿在不同溫度養(yǎng)護下形成的結石體在不同齡期的抗壓強度。

2.1.1 抗壓強度和溫度之間的關系

由表3可以看出，養(yǎng)護齡期為3 d時，水灰比0.6的結石體抗壓強度隨溫度的升高先提高后降低，在溫度為40℃時最高，相對于20℃時提高了57.04%；水灰比0.8、1.0和1.2的結石體隨著溫度的升高，抗壓強度逐漸提高，80℃時的抗壓強度相對于20℃時提高1倍以上。7 d齡期時，各水灰比結石體的抗壓強度在低于40℃時，隨溫度升高，呈較快增長趨勢，40℃時的抗壓強度約為20℃時的1.5倍，之后增長變緩，60℃之后則開始降低。14 d和28 d齡期時，在溫度低于40℃時，各水灰比漿體的抗壓強度隨溫度升高而提高，40℃后則隨溫度升高而降低。

主題學習的具體過程：1）選擇主題，學生、教師單獨選取，或者師生共同選擇；2）確定核心概念，盡可能避免學生偏離學習主題；3）提出引導性問題，畢竟學習時間是有限的，引導性問題能夠引導學生在有限的時間內對應該深入探究的問題進行探究；4）布置學習任務，從外部驅動學習者學習；5）設計學習內容，因為主題學習內容包括課程既定內容和與主題相關的內容，故要通過設計學習內容將二者進行整合；6）確定學習資源，一般來說，任何形式的資源都可用來支持主題學習；7）設計學習活動，這是主題學習的核心環(huán)節(jié)；8）形成一個時間表，可根據(jù)實際情況具體設計；9）評價，注重過程性的評價。此過程如圖1所示。

上述結果說明，溫度升高對漿體的早期強度有提升作用，但對后期強度發(fā)展不利。分析其原因在于，溫度越高，水泥水化速率越快，在早期階段水泥顆粒外層即有較多的C-S-H凝膠和Ca（OH）2晶體等水化產物生成[6]，這些產物快速沉淀從而使得水泥漿結石體具有較高的早期強度；在14 d和28 d的中后期階段，20℃和40℃養(yǎng)護的水泥漿體還能夠繼續(xù)水化并不斷發(fā)展強度，并且水化產物能均勻擴散并沉淀，產物之間搭接較好，形成的內部結構中大孔徑孔隙較少，組織結構較為均一；但60℃和80℃高溫養(yǎng)護條件下，因前期水化程度已經較高，且較多的水化產物覆蓋在未水化的水泥顆粒上，水泥水化反應變緩，繼而影響到強度的發(fā)展[7]。另一方面，因60℃和80℃高溫養(yǎng)護時生成的水化產物擴散速度低于生成速度，所以水化產物沒有足夠的時間有序沉淀，產物之間搭接錯亂，結構較為粗糙，并且圍繞最初水泥顆粒的周圍，沉淀析出大量水化產物。而遠離水泥顆粒的地方，則水化產物較少，因而形成了較多和具有較大尺寸的毛細孔，導致了不均勻的內部組織結構。溫度越高，較大孔的數(shù)量增多，并且孔徑越大，也就使得孔的平均尺寸變大，從而使得體系結構中不均勻程度增大，也就對強度越不利[6，8]。

此外，在試驗范圍內，水灰比越小，有助于漿體強度發(fā)展的溫度閾值越低，這可能是，水灰比小時水泥顆粒之間距離較近，強度發(fā)展對水化產物生成速率的要求不高，反而是較低溫度下，所生成水化產物的均勻、有序搭接和沉淀對其強度增長更為有利。

2.1.2 抗壓強度和水灰比之間的關系

由表3可以看出，同一溫度條件、同一齡期的結石體抗壓強度隨水灰比的增大而降低，這主要和水化產物的生成量有關，水灰比小的，水化產物較多，且孔隙率較低。另一方面，隨著水灰比的增大，強度降低幅度逐漸趨小。

2.1.3 抗壓強度和齡期之間的關系

從表3可以看出，在20℃和40℃養(yǎng)護下，各水灰比結石體的抗壓強度都隨齡期的延長逐漸提高，40℃時較20℃強度增長幅度稍有減弱；60℃時各水灰比漿體的抗壓強度在7 d之前呈快速增長趨勢，7 d之后增長變緩，14 d之后則呈緩慢下降趨勢；80℃養(yǎng)護下，各水灰比漿體的抗壓強度在養(yǎng)護3 d之后就開始緩慢下降。

以上結果表明，在溫度較低的20℃和40℃養(yǎng)護時，漿體的抗壓強度能夠隨齡期延長不斷發(fā)展，而在較高溫度的60℃和80℃養(yǎng)護下，強度隨齡期的延長反而有下降趨勢，且溫度越高強度下降的越早。一方面，原因如2.1.2節(jié)分析，在溫度較低的情況下水泥水化速率慢，水化反應隨著齡期的增加逐步、有序完成，直至28 d水化反應程度達到較高程度，水泥石強度也發(fā)展到一個較高水平。在較高溫度條件下，水泥水化速率較快，并且在靠近水泥顆粒的地方，水化產物大量堆積，影響水泥顆粒繼續(xù)參與水化反應，因而在較短齡期內，漿體強度發(fā)展到一定程度后，其增長開始變緩。對于60℃、80℃養(yǎng)護下的漿體分別在14 d、3 d齡期之后，強度呈微弱下降趨勢，分析其原因在于，當溫度較高時，經過一定時間的養(yǎng)護，部分水化初期生成的針棒狀AFt晶體會轉變成片狀晶型的AFm[8-9]，此外，較高溫度下針棒狀鈣礬石晶體結構也會變小。片狀晶型的AFm生成，會導致強度下降，并且該轉化過程會帶來毛細孔的增加，從而對強度帶來不利影響。低溫下生成的Aft針棒狀晶體較長，有利于產物之間的相互嵌接，并且會起到類似纖維的增強作用，但是晶體結構較小的Aft的生成，會使其對體系的增強作用減弱[8]，這些都導致了60℃以上高溫中，強度隨齡期延長而降低的現(xiàn)象。

2.2 溫度對摻膨潤土漿液結石體強度的影響

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，水灰比較大的水泥凈漿具有較高的析水率，不滿足穩(wěn)定漿液對析水率低于5%的要求，因此，選擇能提高漿液穩(wěn)定性、保水性，且具有一定火山灰效應的膨潤土作為外摻料，以6%和9%的添加量（相對于水泥質量）加入到水灰比為1.0的漿液中，并加入0.2%（相對于水泥質量）的高效聚羧酸減少劑來提高漿液的流動性，研究其對漿液結石體強度的影響。表4是摻膨潤土漿液結石體在不同溫度養(yǎng)護下各齡期的抗壓強度。

表4 摻膨潤土漿液結石體在不同養(yǎng)護溫度下的抗壓強度

由表4可見：

（1）在20℃和40℃的較低溫度下，摻膨潤土的漿液結石體在各養(yǎng)護齡期內的抗壓強度都比凈漿結石體抗壓強度高，摻量為12%的漿液結石體抗壓強度稍高于摻量為6%的，28 d抗壓強度相對于水泥凈漿分別提高31.43%和25.00%。這應該是膨潤土所具有的火山灰活性效應[10]，使其能和水泥水化產物發(fā)生反應，即膨潤土的摻入，會帶來除水泥水化產物之外更多的水化產物，并且能起到細化孔隙的作用[11]，從而使?jié){液結石體抗壓強度提高。

（2）當溫度為60℃時，摻膨潤土漿液的抗壓強度與水泥凈漿相差不大。溫度升高到80℃時，摻膨潤土漿液結石體的強度則低于水泥凈漿體強度，摻量為12%時，28 d抗壓強度下降18.57%。推測其原因，認為高溫下膨潤土膨脹力明顯增強對強度帶來了不利影響，尤其在后期，膨脹作用導致孔隙增大、孔隙率增加的不利影響占據(jù)了主導地位，使得早齡期火山灰效應帶來的優(yōu)勢退居次要，因此，膨潤土摻量為6%和12%的結石體28 d抗壓強度相當，且都低于凈漿結石體的抗壓強度。

3 結論

（1）在相同溫度和相同齡期內，結石體的抗壓強度隨水灰比增大而降低；水灰比較大時，降低幅度變緩。

（2）隨溫度升高，水泥水化反應加快，結石體3 d抗壓強度隨溫度升高呈提高趨勢（0.6水灰比漿體除外）；但因水化速率過快帶來的水化產物搭接紊亂、產物分布不均勻、較大孔隙率和較大孔徑，使得漿體中、后期抗壓強度隨溫度升高先提高（低于40℃時）后降低（高于40℃時）。水灰比越小，有助于漿體強度發(fā)展的溫度閾值越低。

（3）相同水灰比的水泥漿體，在20℃和40℃的較低溫度時，水化反應能夠隨齡期延長均勻進行，漿體的抗壓強度能不斷提高。在60℃及以上的高溫中養(yǎng)護時，生成的AFt晶體會轉變成AFm晶體，并且自身晶粒變短，并帶來較大的孔隙率和平均孔徑，因此60℃和80℃養(yǎng)護條件下，結石體抗壓強度分別在14 d和3 d后呈降低趨勢。

（4）在20℃、40℃較低溫度養(yǎng)護下，因膨潤土的火山灰效應，其加入能夠提高水灰比為1.0的漿體強度，在養(yǎng)護溫度為80℃時，膨潤土的加入反而對漿體強度不利。

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