水泥-膨潤(rùn)土漿液配比及適用性研究

費(fèi)子豪 吳進(jìn)高 明華軍， 柯 睿 史存鵬

(1.三峽大學(xué) 水電工程施工與管理湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(xué) 特殊土土力學(xué)研究所，湖北 宜昌 443002；4.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司(武漢)，武漢 430074)

純水泥灌漿由于原材料(水泥)來(lái)源廣、價(jià)格較低、配制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于巖體裂隙、土體孔隙、混凝土裂縫等工程缺陷的滲透性灌漿處理.但其失水速度快、析水率高，對(duì)于較大裂縫，水泥漿液結(jié)石體往往不能完全堵塞裂縫，而留下貫通的孔隙(析出水所占空間)，造成防滲性能下降[1].同時(shí)，對(duì)于微裂隙極其發(fā)育的破碎帶，采用純水泥漿灌漿時(shí)會(huì)發(fā)生漿液回濃快、吃水不吃漿、灌漿管堵塞和爆管等問題[2-4].

由于膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主要礦物成分的高塑性黏土，加入水泥漿中能吸附并制止水泥顆粒的沉積，降低漿液析水率.膨潤(rùn)土的摻加，還可以改善水泥漿液的穩(wěn)定性和可灌性，降低漿液回濃現(xiàn)象[3-4].因此，工程中往往通過在純水泥漿液中摻加一定量的膨潤(rùn)土，來(lái)改善純水泥漿液性能.另外，水泥-膨潤(rùn)土漿液還作為垃圾填埋場(chǎng)垂直防滲系統(tǒng)[5]、盾構(gòu)隧道同步注漿[6]等主要材料，得到廣泛應(yīng)用.

膨潤(rùn)土摻量和水固比是影響水泥-膨潤(rùn)土漿液性能的核心因素，然后這兩個(gè)參量在工程應(yīng)用和試驗(yàn)研究中取值范圍變化較大，受工程經(jīng)驗(yàn)等影響[2，5-9].因此，其嚴(yán)重影響著水泥-膨潤(rùn)土漿液配比選擇及推廣應(yīng)用.漿液析水率反映了漿液的保水性能；漿體流動(dòng)性直接決定了材料在現(xiàn)場(chǎng)灌注時(shí)可灌性好壞；終凝時(shí)間決定了漿液能否有效起到防滲堵漏作用[10].因此，析水率、流動(dòng)度、終凝時(shí)間是直觀反映膨潤(rùn)土改善水泥漿效果的指標(biāo).

本文以膨潤(rùn)土摻量和水固比作為水泥-膨潤(rùn)土漿液的配比參量，研究膨潤(rùn)土摻量和水固比對(duì)漿液析水率、流動(dòng)度、終凝時(shí)間的影響，進(jìn)而提出不同水泥-膨潤(rùn)土漿液配比的適用性，以有助于較好地工程應(yīng)用.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本文使用的膨潤(rùn)土為商業(yè)鈉基膨潤(rùn)土，相應(yīng)的基本特性見表1.

表1 膨潤(rùn)土基本特性

水泥為普通硅酸鹽水泥，采用普通硅酸鹽水泥，其化學(xué)成分見表2.

表2 普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分 (單位：%)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及漿液配比

試驗(yàn)主要從各配比漿液的析水率、流動(dòng)度、終凝時(shí)間進(jìn)行分析.其中析水率和流動(dòng)度試驗(yàn)參照《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范》(SL62-2014)；終凝時(shí)間試驗(yàn)參照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》(GBT1346-2011).

試驗(yàn)用水泥-膨潤(rùn)土漿液配比，按照膨潤(rùn)土摻量分別為2%、5%、10%、25%、50%、100% 和 水 固 比 分別為0.5、1.0、2.0、3.0、5.0進(jìn)行設(shè)計(jì).膨潤(rùn)土摻量指的是膨潤(rùn)土相對(duì)水泥質(zhì)量的百分比；水固比指的是漿液加水量與固相材料(水泥+膨潤(rùn)土)的質(zhì)量比.具體試驗(yàn)用漿液見表3.

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)過程包括拌漿和試驗(yàn)兩部分，各試驗(yàn)內(nèi)容嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行操作，本部分僅介紹拌漿方法.

①根據(jù)方案漿液配比確定相應(yīng)水泥、膨潤(rùn)土、水的用量；②取出部分試驗(yàn)用水加入到膨潤(rùn)土中，高速攪拌，使膨潤(rùn)土充分分散于水中；③將剩余試驗(yàn)用水加入水泥中，并使用高速攪拌機(jī)，持續(xù)攪拌超過30 s；④將充分分散后的膨潤(rùn)土漿液加入到水泥漿液中，并使用高速攪拌機(jī)，持續(xù)攪拌超過2 min，制成試驗(yàn)用水泥-膨潤(rùn)土漿液.

表3 試驗(yàn)用水泥-膨潤(rùn)土漿液配比

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 漿液流動(dòng)度的影響性分析

流動(dòng)度是水泥-膨潤(rùn)土漿液在施工時(shí)需要考慮的一項(xiàng)重要性能，漿體流動(dòng)性直接決定了材料在現(xiàn)場(chǎng)灌注時(shí)可灌性好壞，因此需要研究不同變量對(duì)流動(dòng)度的影響.表4和圖1為不同膨潤(rùn)土摻量和水固比下，漿液的流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果.

表4 不同膨潤(rùn)土摻量、水固比下漿液流動(dòng)度

圖1 不同膨潤(rùn)土摻量下流動(dòng)度隨水固比變化曲線

對(duì)于膨潤(rùn)土摻量較大、水固比較低的漿液，由于漿液過于粘稠，無(wú)法透過圓錐薄膜，故其流動(dòng)度記為0.由圖1、表4可知，試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土摻量、水固比數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，不同膨潤(rùn)土摻量的漿液流動(dòng)度均隨水固比增加而增加；相同水固比對(duì)應(yīng)漿液流動(dòng)度隨膨潤(rùn)土摻量增加而降低.同時(shí)對(duì)于任意膨潤(rùn)土摻量下漿液，其流動(dòng)度增長(zhǎng)速度隨著水固比均為先增大后減小，表現(xiàn)為已然過稀，繼續(xù)加水對(duì)漿液流動(dòng)性提高作用不大.對(duì)比多條曲線發(fā)現(xiàn)，對(duì)漿液流動(dòng)度變化程度影響，膨潤(rùn)土摻量增加會(huì)提高相應(yīng)的需水量.因此，水泥-膨潤(rùn)土漿液流動(dòng)度是膨潤(rùn)土摻量與摻水量之間的博弈.

2.2 漿液析水率的影響性分析

漿液析水率反映了漿液的保水性能，保水性能低會(huì)影響水泥的正常凝結(jié)硬化，降低了水泥與物面的粘結(jié)力.加入膨脹土最重要目的是，吸附并制止水泥顆粒的沉積.降低漿液析水率，有利于漿液的工程應(yīng)用.因此需要研究不同變量對(duì)析水率的影響.圖2為不同膨潤(rùn)土摻量和水固比下，漿液的析水率試驗(yàn)結(jié)果.

圖2 不同膨潤(rùn)土摻量下析水率隨水固比變化曲線

對(duì)于膨潤(rùn)土摻量較大、水固比較低的漿液，由于漿液過于粘稠且無(wú)法攪拌均勻，在試驗(yàn)過程中無(wú)析水現(xiàn)象，其靜置2 h后的刻度依然為100 m L.由圖2可知，試驗(yàn)所用膨潤(rùn)土摻量、水固比數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，不同膨潤(rùn)土摻量的漿液析水率均隨水固比增加而增加；相同水固比對(duì)應(yīng)漿液析水率隨膨潤(rùn)土摻量增加而降低.同時(shí)對(duì)于任意膨潤(rùn)土摻量下的漿液，其析水率隨著水固比的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)水固比達(dá)到1時(shí)，摻水量的增加導(dǎo)致漿液有明顯的析水增多現(xiàn)象.對(duì)比多條曲線發(fā)現(xiàn)，對(duì)漿液析水率的影響，隨著摻水量的增多、膨潤(rùn)土摻量的減少，析水率變大.因此，水泥-膨潤(rùn)土漿液的析水現(xiàn)象在水固比未達(dá)到1時(shí)加入膨潤(rùn)土抑制作用明顯；在水固比達(dá)到1后，隨水固比增加析水率增加明顯，漿液保水性能難以發(fā)揮.

2.3 漿液終凝時(shí)間的影響性分析

終凝時(shí)間決定了漿液能否有效起到防滲堵漏，兼有決定影響加固工程體效果.把握好漿液的終凝時(shí)間能讓漿液在開始注入階段維持液體較長(zhǎng)時(shí)間，有利于漿液在裂隙中的擴(kuò)散.當(dāng)漿液進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域后，又能在較短時(shí)間內(nèi)迅速凝結(jié)，達(dá)到工程灌漿的需求.因此需要研究不同變量對(duì)流動(dòng)度的影響.圖3為不同膨潤(rùn)土摻量和水固比下，漿液的終凝時(shí)間結(jié)果.由圖3可知，在本文試驗(yàn)中所用膨潤(rùn)土摻量、水固比數(shù)據(jù)范圍內(nèi)，相同膨潤(rùn)土摻量對(duì)應(yīng)漿液的終凝時(shí)間隨水固比的變大而變大.對(duì)于膨潤(rùn)土摻量的增加，其終凝時(shí)間是先增加后下降的，表現(xiàn)為當(dāng)膨潤(rùn)土摻量增加的到一定值時(shí)，繼續(xù)加水對(duì)終凝時(shí)間的影響不增反減.在工程應(yīng)用中，這樣的一個(gè)峰值可以使終凝時(shí)間根據(jù)注漿要求進(jìn)行調(diào)整.

圖3 膨潤(rùn)土摻量、水固比對(duì)漿液終凝時(shí)間的影響

針對(duì)實(shí)際工程效益，根據(jù)施工過程中影響因素(工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、施工工藝等)，可利用不同膨脹土摻量實(shí)現(xiàn)終凝時(shí)間，以達(dá)成工程目標(biāo).

3 結(jié) 論

文章以膨潤(rùn)土摻量和水固比作為水泥-膨潤(rùn)土漿液配比參量，進(jìn)行了漿液析水率、流動(dòng)度、終凝時(shí)間的影響性分析，得到如下結(jié)論：

1)不同膨潤(rùn)土摻量的漿液流動(dòng)度均隨水固比增加而增加，但漿液流動(dòng)度增長(zhǎng)速度卻隨著水固比先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定.相同水固比對(duì)應(yīng)漿液流動(dòng)度隨膨潤(rùn)土摻量增加而降低.漿液流動(dòng)度體現(xiàn)為膨潤(rùn)土摻量與摻水量之間博弈.

2)水泥-膨潤(rùn)土漿液的析水現(xiàn)象在水固比未達(dá)到1時(shí)加入膨潤(rùn)土抑制作用明顯；在水固比達(dá)到1后，隨水固比增加析水率增加明顯，漿液保水性能難以發(fā)揮.

3)水泥-膨潤(rùn)土漿液配比時(shí)，膨潤(rùn)土摻量在增加的過程中存在著一個(gè)對(duì)漿液終凝時(shí)間影響不增反減的峰值，把控這個(gè)峰值能實(shí)現(xiàn)終凝時(shí)間根據(jù)注漿要求進(jìn)行及時(shí)調(diào)整的目的.

在以上膨脹土改良水泥漿液的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，各項(xiàng)指標(biāo)均表明，膨潤(rùn)土摻加會(huì)改變水泥漿液的相關(guān)性能，規(guī)律性較為明顯.在項(xiàng)目實(shí)際施工時(shí)可根據(jù)改良效果、工程造價(jià)、路基強(qiáng)度等需求，綜合考慮確定本項(xiàng)目的最佳膨脹土摻量.