摻膨脹劑水泥-黏土漿體膨脹性能的試驗(yàn)研究

雷進(jìn)生 戴 康 涂保林 馬 波 李美云

(1. 防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))， 湖北 宜昌 443002; 2. 三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖北 宜昌 443002)

目前，注漿工程中使用最廣泛的仍然是水泥基注漿材料[1-2]．水泥漿材不僅消耗大量水泥，而且在硬化過程中常常伴有析水和固相體積收縮，使結(jié)石體與被填充基體之間的粘結(jié)強(qiáng)度降低，形成微裂隙，影響地基加固質(zhì)量．因此，考慮向水泥中加入膨脹劑和其他材料，通過物理和化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生體積膨脹，補(bǔ)償結(jié)石體收縮提高注漿質(zhì)量．

膨脹劑用于補(bǔ)償混凝土收縮的成果較多，但用于注漿加固地基的研究較少，且多集中于對摻膨脹劑的純水泥漿和自由膨脹率的研究[3-6]．地下工程中漿體的膨脹為約束條件下的限制膨脹，通過調(diào)整水泥基注漿材料的組成、水膠比、膨脹劑摻量等參數(shù)，進(jìn)行限制條件下的漿體膨脹性能試驗(yàn)研究，對地下工程注漿加固具有重要意義．黏土顆粒細(xì)小，具有較高的分散性和良好的親水性能，可顯著改善水泥漿的穩(wěn)定性[7]；水玻璃可以調(diào)節(jié)水泥漿的凝結(jié)時(shí)間，提高漿體的可灌性．鑒于此，本文以黏土為摻合料，并外摻硫鋁酸鈣類膨脹劑和水玻璃，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對改性水泥漿體的膨脹性能展開研究．探討水固比、黏土摻量、水玻璃摻量和膨脹劑摻量對漿體限制膨脹率的影響，優(yōu)化地基注漿加固的配合比，對提高地下工程的安全性與耐久性及節(jié)約成本具有一定意義．

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)原料

1)水泥：華新牌P.O 42.5水泥，基本性能指標(biāo)見表1．強(qiáng)度值為水灰比0.5，(20±2)℃養(yǎng)護(hù)條件下的測值．

表1 普通硅酸鹽水泥的性能

2)膨脹劑：武漢三源特種建材有限公司生產(chǎn)的硫鋁酸鈣類膨脹劑(CSA)，由硫鋁酸鈣(CAS)和鋁酸鈣(CA)加入適量的天然硬石膏及活化劑配制而成．其膨脹源主要為鈣礬石，20℃水中7 d的限制膨脹率不低于3.5%．

3)黏土：采用鈉基膨潤土．

4)水玻璃：天津致遠(yuǎn)化工廠生產(chǎn)，模數(shù)為1.0．

1.2 試驗(yàn)方案

要取得良好的地基加固效果，注漿材料應(yīng)具有適度膨脹、性能穩(wěn)定、可泵性較好的特點(diǎn)．工程經(jīng)驗(yàn)和已有研究成果表明[7-9]，選擇水泥和黏土為注漿材料，通過添加適量外加劑可使?jié){液具備上述特點(diǎn)．

正交試驗(yàn)方案見表2．

表2 正交試驗(yàn)方案

試驗(yàn)時(shí)先將黏土粉制漿，再依次加入水泥和外加劑繼續(xù)攪拌．選取影響因素A為水固比(水的質(zhì)量與水泥和黏土的總質(zhì)量之比)，因素B為黏土摻量(等量替代水泥)，因素C為水玻璃摻量(占水泥比例，外摻)和因素D為膨脹劑摻量(占水泥比例，外摻)為影響因素．

對每個(gè)因素選擇3個(gè)水平，對應(yīng)試件編號(hào)1～9號(hào)．將L9(34)正交表用于改性水泥漿的配合比試驗(yàn)[10]．另將水灰比為0.6、0.7、0.8的3組純水泥漿作為對照組，分別編號(hào)為1′、2′和3′號(hào)，共計(jì)12組試驗(yàn)．

1.3 試驗(yàn)方法

約束條件下的膨脹可以使水泥石結(jié)構(gòu)致密化，提高其強(qiáng)度和密實(shí)度且不會(huì)引起開裂．參考GB/T 23439-2017《混凝土膨脹劑》附錄A，在實(shí)驗(yàn)室中成型一維限制漿體試件，養(yǎng)護(hù)溫度均為(20±2)℃．

采用40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)塊試模，結(jié)石體部分尺寸為40 mm×40 mm×140 mm．試件養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，用比長儀測量試件初長L，測量完后將試件放入水中養(yǎng)護(hù)7 d．測量完試件第7 d的長度后，將試件轉(zhuǎn)入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至第28 d，濕度為(60±5)%．取一組試件測量值的平均值作為限制膨脹率的測量結(jié)果，計(jì)算值精確至0.000 1%．試件膨脹率按下式計(jì)算：

(1)

式中，ε為所測齡期的限制膨脹率(%)；L1為所測齡期試件長度測量值(mm)；L為試件的初始長度測量值(mm)；L0為試件的基準(zhǔn)長度，140 mm．

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測得的試件各齡期的限制膨脹率結(jié)果見表3．

表3 限制膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

不同水固比條件下兩種漿體限制膨脹率隨齡期的變化曲線及不同配合比改性水泥漿體限制膨脹率隨齡期的變化曲線分別如圖1～2所示．

圖1 不同水固比改性水泥漿體限制膨脹率與齡期的關(guān)系

圖 2 不同配合比改性水泥漿體限制膨脹率與齡期的關(guān)系

由圖1可知，漿體的限制膨脹率均在7 d時(shí)達(dá)到最大，之后出現(xiàn)回縮并逐漸趨于穩(wěn)定．CSA膨脹劑水化較快，膨脹主要發(fā)生在14 d前，28 d基本膨脹完全．7 d前試件在水中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)水對鈣礬石的形成起著重要作用，所以限制膨脹率增長很快；7 d之后試件在濕度為60%的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，限制膨脹率減小，這是由于水汽不飽和，水泥失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的水分產(chǎn)生了干燥收縮[11-12]．水泥漿中存在一定濃度的Ca2+、SO42-和AlO2-，反應(yīng)生成了少量鈣礬石，此外少量游離的CaO水化也會(huì)產(chǎn)生體積膨脹．所以純水泥漿體表現(xiàn)出了微膨脹性，這與徐強(qiáng)等[12-13]的試驗(yàn)結(jié)果一致．不同水固比下兩種漿體的限制膨脹率大小關(guān)系分別為3號(hào)>2號(hào)>1′號(hào)>1號(hào)、4號(hào)>5號(hào)>2′號(hào)>6號(hào)、8號(hào)>9號(hào)>7號(hào)>3′號(hào)，說明在純水泥漿液中加入一定比例的黏土、水玻璃和膨脹劑可以提高漿體的膨脹率．

由圖2可知，不同配比的改性水泥漿體的限制膨脹率大小大體上遵循3號(hào)>2號(hào)>4號(hào)>5號(hào)>1號(hào)>8號(hào)>9號(hào)>6號(hào)>7號(hào)，且限制膨脹率隨著齡期的增加先增大后減小，之后趨于穩(wěn)定，在7 d達(dá)到最大值并穩(wěn)定在28 d．這是因?yàn)椋核嗄糖捌冢瘫群团蛎泟┢鹬饕饔?，產(chǎn)生大量鈣礬石，限制膨脹率增大；中期水固比和膨脹劑的作用減小，但仍為主要因素，而水玻璃摻量的影響卻在增加，水玻璃消耗了體系中的石膏，使得含鋁礦物與石膏的反應(yīng)速率減慢，生成的鈣礬石減少，限制膨脹率減小；隨著強(qiáng)度增長，水固比、水玻璃含量和膨脹劑含量對限制膨脹率的影響降低，膨脹劑的作用基本發(fā)揮完全，從而使得限制膨脹率趨于穩(wěn)定．

2.2 極差分析

我國規(guī)范通常以28 d的自由或限制膨脹率作為膨脹性能判別的標(biāo)準(zhǔn)．由試驗(yàn)結(jié)果可知，試件28 d的限制膨脹率基本穩(wěn)定，工程實(shí)踐中應(yīng)參考穩(wěn)定后的膨脹值指導(dǎo)施工，因此對齡期為28 d的試件限制膨脹率進(jìn)行直觀分析，結(jié)果見表4．

表4 28 d限制膨脹率極差分析

由表4可以得出，A1B3C2D3是最優(yōu)組合；因素A、B、C和因素D的極差分別為1.443、0.477、0.967和1.090，即影響28 d限制膨脹率的因素主次順序?yàn)樗瘫?膨脹劑摻量>水玻璃摻量>黏土摻量，水固比對28 d限制膨脹率影響最大．

2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果綜合分析

為了更直觀地看到各種因素對試驗(yàn)指標(biāo)的影響，以各因素水平值為橫坐標(biāo)，限制膨脹率平均值為縱坐標(biāo)，繪制限制膨脹率隨因素水平值變化的趨勢圖，如圖3所示．

圖3 各因素對限制膨脹率的影響趨勢圖

由圖3可得：漿體限制膨脹率隨水固比的增大而減小，隨黏土摻量的增加先增大后減小，隨水玻璃摻量的增加先增大后基本保持不變，隨膨脹劑摻量的增加而增大．由2.2的分析可知，配合比的設(shè)計(jì)應(yīng)首先考慮水固比，其次是膨脹劑摻量．圖3中水固比0.6，膨脹劑摻量12%時(shí)的試件7 d限制膨脹率均大于3.5%；從28 d的限制膨脹率大小來看，黏土摻量、水玻璃摻量分別為15%、2%時(shí)最優(yōu)．

水泥是一種多礦物聚集體，主要由硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)、鋁酸三鈣(C3A)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)這4種熟料礦物組成，作為膨脹源的鈣礬石是C4AF早期產(chǎn)生的水化鋁酸鈣與水泥中的少量石膏反應(yīng)生成的．水泥本身的硬化主要是由水泥水化生成的膠凝物質(zhì)造成的，在C3S水化過程中產(chǎn)生氫氧化鈣：

3CaO·SiO2+nH2O→

2CaO·SiO2·(n-1)H2O+Ca(OH)2

(2)

在水泥漿中，石膏溶解在水里，產(chǎn)生Ca2+和SO42-．水泥熟料中的C3A和C4AF等含鋁礦物，以及膨脹劑中的膨脹礦物如硫鋁酸鈣和鋁酸鈣也溶于水中，產(chǎn)生AlO2-和Ca2+，它們相互反應(yīng)產(chǎn)生鈣礬石：

6Ca2++2AlO2-+3SO42-+4OH-+29H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

(3)

鈣礬石為針狀晶體，難溶于水，在硬化水泥石中普遍存在．該結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，自身具有膨脹性，可以使固相體積增加120%[14]．

由上述化學(xué)方程式可知，鈣礬石的形成與水泥中石膏含量和含鋁礦物含量密切相關(guān)．在限制條件下，水固比增大時(shí)，水泥石孔隙率提高、收縮變大，較多的膨脹能消耗在孔隙的擠壓上，產(chǎn)生較多無效膨脹，從而導(dǎo)致限制膨脹率減小[15]；黏土的摻入對水泥的水解及水化反應(yīng)具有一定的促進(jìn)作用，有利于鈣礬石的生成．但摻量超過10%時(shí)，替代的水泥量較大，石膏及含鋁礦物的含量減少，導(dǎo)致鈣礬石的生成量減少．因此，限制膨脹率隨黏土摻量的增加先增大后減小；硅酸三鈣(C3S)在水泥中的含量是恒定的，水化產(chǎn)生的氫氧化鈣的量是確定的，故消耗的水玻璃量也是確定的．水玻璃摻量為1%時(shí)量不夠，對水泥水化反應(yīng)的促進(jìn)作用較小．水玻璃摻量超過所需量時(shí)，超出的量與石膏反應(yīng)消耗石膏．由于水玻璃摻量很少且相差很小，對鈣礬石的生成影響較小，所以水玻璃摻量為3%與摻量2%時(shí)限制膨脹率基本相同；而膨脹劑越多，硫鋁酸鈣、鋁酸鈣和石膏也越多，與水泥反應(yīng)生成的鈣礬石越多，限制膨脹率越大．

2.4 最優(yōu)配合比

王達(dá)等[15]認(rèn)為，并非膨脹率大抗裂性就好，更重要的是膨脹回縮落差小，水泥漿性能優(yōu)劣的關(guān)鍵在于其結(jié)石體最大膨脹值較大且回縮值較?。稍囼?yàn)結(jié)果及分析可知，水固比、黏土摻量、水玻璃摻量和膨脹劑摻量分別為0.6、15%、2%和12%時(shí)，試件7 d限制膨脹率大小滿足規(guī)范要求，穩(wěn)定后的28 d限制膨脹率與7 d時(shí)的最大限制膨脹率相差較小，即膨脹回縮落差小，膨脹性能明顯優(yōu)于純水泥漿．因此，研究得出的組合A1B3C2D3的配合比是最優(yōu)的，可以作為工程應(yīng)用的參考配合比．

3 結(jié) 論

1)在純水泥漿中加入適量的黏土、水玻璃和膨脹劑，可以提高水泥漿體的膨脹率；限制膨脹率隨齡期增長先增大后減小，逐漸趨于穩(wěn)定，在7 d達(dá)到最大并穩(wěn)定于28 d．

2)對限制膨脹率影響最顯著的是水固比，其次是膨脹劑摻量、水玻璃摻量，對限制膨脹率影響最小的是黏土摻量．

3)限制膨脹率隨水固比的增大而減小，隨黏土摻量的增加先增大后減小，隨水玻璃摻量的增加先增大后基本保持不變，隨膨脹劑摻量的增加而增大．水固比、黏土摻量、水玻璃摻量和膨脹劑摻量分別為0.6、15%、2%和12%時(shí)為工程應(yīng)用的參考配合比．