減水劑影響下濕磨黏土水泥灌漿材料性能研究

唐皇，陽逸鳴

(湖南城市學(xué)院 土木工程學(xué)院，湖南 益陽 413000)

全風(fēng)化花崗巖地層遇水極易軟化崩解，隧道開挖或道路建設(shè)工程中，易發(fā)生突水、突泥、塌陷和地下水流失等現(xiàn)象[1?3]。工程中常用灌漿法對其進(jìn)行加固處理，以增加施工安全性，但因其密實(shí)程度高、細(xì)微裂隙發(fā)育造成可灌性差[4]。

為了對致密地層有更好的灌漿效果，有學(xué)者提出采用濕磨水泥和超細(xì)水泥對該類地層進(jìn)行灌漿，這類材料顆粒粒徑較普通水泥小，提高了密實(shí)地層的可灌性，但存在成本高和穩(wěn)定性差等問題[5?6]。也有學(xué)者提出在濕磨黏土水泥漿材中，用黏土取代部分水泥，不僅降低了材料成本，而且可增加漿液的穩(wěn)定性，是一種比較理想的致密地層灌漿材料[7]。濕磨后，水泥和黏土得到充分反應(yīng)，漿液黏度增大，不利于灌漿泵的泵送和地層中擴(kuò)散。如何降低濕磨黏土水泥漿液的黏度，又不影響其穩(wěn)定性，是亟須解決的問題。徐長偉[8]等人研究了磷渣廢料對水泥基灌漿材料性能的影響，證明了磷渣廢料替代部分石英砂，不影響灌漿材料的力學(xué)性能。王碧英[9]認(rèn)為水膠比是影響水泥基灌漿材料流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度和豎向膨脹率的重要因素。成志強(qiáng)[10]等人分析了水膠比、砂膠比、粉煤灰、膨脹劑對水泥基灌漿材料析水率的影響，建議水泥基灌漿材料水膠比應(yīng)小于0.55。這些研究針對的是水泥基灌漿材料性能的影響，但對于減水劑對灌漿材料基本性能影響的研究鮮見。因此，本研究對摻入苯系和聚羧酸鹽系2 種高效減水劑的濕磨黏土水泥漿液進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，考慮不同摻量的減水劑和水固比的影響，對漿液的密度、析水率、流動(dòng)度、漏斗黏度、初凝時(shí)間及結(jié)石體力學(xué)性能進(jìn)行分析，以獲得最優(yōu)的減水劑材料及摻量，可為現(xiàn)場灌漿施工和設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

1) 水泥：選用湖南碧螺牌425 普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)，其密度為3.06 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)稠度為29.5%，細(xì)度80 μm，篩余為1.9%，初凝凝結(jié)時(shí)間為90 min，終凝凝結(jié)時(shí)間為325 min，3,28 d 的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為19.1,4.3 MPa 和48.57,7.64 MPa。

2) 黏土：取自云南紅河州某工地現(xiàn)場，其天然密度為1.53 g/cm3，密度為2.74 g/cm3，液限為31.5%，塑限為18.2%，滲透系數(shù)為3.0×10?5cm/s。

3) 減水劑：減水劑A、B 分別為苯系高效減水劑FDN-C 和聚羧酸鹽系高效減水劑。

1.2 試驗(yàn)參數(shù)及方案

理想的灌漿材料應(yīng)具有良好穩(wěn)定性、可控性和可注性(流動(dòng)性)。主要表現(xiàn)為：基本性質(zhì)在一般條件下不輕易改變；凝結(jié)時(shí)間可以在2 h 內(nèi)調(diào)控；漿液黏度小、流動(dòng)度大，施工易泵送；漿液靜止時(shí)，無較大析水。同時(shí)，保證固化后，結(jié)石體強(qiáng)度滿足工程需要。

選用黏土原漿密度為1.20 g/cm3，以減水劑摻量和漿液水固比為變量，設(shè)計(jì)漿液和結(jié)石體性能試驗(yàn)，以研究漿液性能的變化規(guī)律。其中，2 種減水劑的摻量(占水泥質(zhì)量)分別為 0%,0.1%,0.5%和1%,5%,10%；漿液水固比分別為0.6,1.0 和1.5,2.0。

1.3 漿液配制

根據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范(SL 62—2014)》[11]，采用水泥砂漿的配置技術(shù)要求和濕磨黏土水泥的配制方法[7]。本實(shí)驗(yàn)中的漿液采用黏土加水配成黏土原漿。在原漿中，加入摻了減水劑的普通硅酸鹽水泥，攪拌2～3 min。再將配好的黏土水泥漿液放入膠體磨機(jī)，濕磨5 min，形成濕磨黏土水泥漿液。

2 改性漿液性能研究

2.1 漿液密度

漿液密度在灌漿過程中，對漿液可泵性有一定的影響，密度增大，可泵性相對降低。采用1002型泥漿密度計(jì)對各試驗(yàn)組漿液進(jìn)行密度測試，測試結(jié)果如圖1 所示。從圖1 中可以看出，漿液密度隨減水劑摻量增大變化不大。當(dāng)其摻量小于1%時(shí)，漿液密度有一定波動(dòng)，但波動(dòng)范圍不大；超過1%后，漿液密度保持不變。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是減水劑摻量為1%時(shí)，達(dá)到水泥與減水劑充分反應(yīng)的飽和點(diǎn)。水固比是影響漿液密度變化的重要因素，水固比越大，漿液密度越小，可泵性越好。

圖1 減水劑摻量?密度的變化關(guān)系Fig.1 Relationship between the water-reducing agent dosage and specific gravity

2.2 漿液析水率

析水率是指在一定時(shí)間內(nèi)(一般2 h 內(nèi))漿液析出水分的多少，反映漿液在這段時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定程度。采用內(nèi)徑為27 mm、最大標(biāo)準(zhǔn)刻度為100 mL、最小刻度為1 mL 的圓柱量筒對其進(jìn)行測定，V1為析出水的體積，析水率為V1%，試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可以看出，漿液析水率隨減水劑摻量和水固比的增加而增加。這是由于減水劑能夠降低水泥水化所需的水分，減水劑摻量越小，所需的水分也小，即析出的水分越多。其中，減水劑小于1%時(shí)，增加速率較大；超過1%時(shí)，增加速率減緩且趨于平穩(wěn)。減水劑A 對漿液析水率的影響大于減水劑B 的，但2 種減水劑下的最大析水率均不大于5%，根據(jù)《水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范(SL 62—2014)》[11]中的要求，屬穩(wěn)定漿液。

圖2 減水劑摻量?析水率的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between the water-reducing agent dosage and syneresis rate

2.3 漿液流動(dòng)度

漿液流動(dòng)度直接影響漿液的可泵程度和擴(kuò)散能力，流動(dòng)度越大，黏度越小，可泵性越好，擴(kuò)散能力越強(qiáng)。采用凈漿流動(dòng)度測試法，對其進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖3 所示。從圖3 中可以看出，漿液流動(dòng)度隨減水劑摻量的增加而增加。當(dāng)減水劑摻量小于1%時(shí)，流動(dòng)度增長速率較快；當(dāng)摻量超過1%時(shí)，流動(dòng)度增長速率趨于平緩。這是由于減水劑減小了水泥水化所需的水分，導(dǎo)致漿液自由水分增多，增大了配合后漿液的水固比，使?jié){液的流動(dòng)度增大。相同水固比和減水劑摻量下，減水劑A 對漿液流動(dòng)度的影響大于減水劑B 的。其中，水固比1.5、減水劑摻量10%的漿液流動(dòng)度最大，達(dá)41.4 cm，流動(dòng)性良好。

圖3 減水劑摻量?流動(dòng)度的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between the water-reducing agent dosage and fluidity

2.4 漿液漏斗黏度

漿液在流動(dòng)或泵送過程中，受到漿液自身黏滯力的影響。而漏斗黏度則是度量漿液黏滯系數(shù)的一個(gè)物理量，漏斗黏度越小，漿液流動(dòng)度越大，擴(kuò)散半徑越大。實(shí)際工程中，為了防止擴(kuò)散半徑過大，造成跑漿浪費(fèi)，還需對漿液的黏度進(jìn)行控制。采用馬氏漏斗黏度計(jì)，對其漏斗黏度進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 減水劑摻量?漏斗黏度的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between the water-reducing agent dosage and viscosity

從圖4 中可以看出，漿液漏斗黏度隨減水劑的增加而減小。當(dāng)水固比大于1.0 時(shí)，減水劑摻量大于1%時(shí)，漿液漏斗黏度保持不變；當(dāng)水固比為1.0，減水劑摻量大于5%時(shí)，漿漏斗液黏度保持不變；當(dāng)水固比為0.6 時(shí)，漿液漏斗黏度在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，逐漸減小。這是由于水固比減小，漿液水泥含量增大，所需反應(yīng)的減水劑量也隨之增加。摻入減水劑A 的漿液漏斗黏度，最小可降至21 Pa·s；減水劑B 最小為24 Pa·s。這都與單液水泥漿最小黏度(15 Pa·s)接近，能很好的適應(yīng)各種灌漿泵的泵送及地層擴(kuò)散。但摻量小于5%時(shí)，摻入減水劑A 漿液漏斗的黏度明顯小于減水劑B 的，表明：減水劑A 的效果優(yōu)于減水劑B 的。

2.5 漿液初凝時(shí)間

實(shí)際施工中，為得到較理想的灌漿效果，常要求漿液的凝結(jié)時(shí)間在一定范圍內(nèi)可控，采用維卡儀對其凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行測定，結(jié)果如圖5 所示。從圖5中可以看出，漿液初凝時(shí)間隨減水劑摻量的增加而增加。其中，隨減水劑A 和B 的摻量增加至1%時(shí)，各水固比漿液的初凝時(shí)間由67,92,108,121 min 分別增至154,167,176,187 min 和197,200,213,245 min；超過1%時(shí)，部分試件無法凝結(jié)。表明：減水劑摻量不宜超過1%，改性后漿液初凝時(shí)間可控范圍分別為154～187 min 和197～245 min。

圖5 減水劑摻量?初凝時(shí)間的變化關(guān)系Fig.5 Relationship between the water-reducing agent dosage and initial setting time

2.6 結(jié)石體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

結(jié)石體強(qiáng)度是反映注漿質(zhì)量的重要指標(biāo)。為測試漿液7,14,28 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，將試件制作為70 mm×70 mm×70 mm 的立方體。運(yùn)用STYE-3000C 型全自動(dòng)混凝土壓力試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)行結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。從圖6 中可以看出，結(jié)石體抗壓強(qiáng)度隨減水劑摻量的增大，呈先增大后減小趨勢。這是由于摻入適量減水劑采用相同用水量和水膠比下，減水劑降低了水泥水化需要的水量，多余水分被濕磨消耗，從而降低了水膠比，提高了其結(jié)石體強(qiáng)度。當(dāng)摻入超過適量的減水劑時(shí)，水泥用量和水膠比不變情況下，大大降低了水泥水化熱需要的水分，導(dǎo)致大量水分釋放，而濕磨過程未將其完全消耗，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度下降。其中，水固比為0.6 和1.0 時(shí)，分別摻入2 種減水劑(28 d 結(jié)石體抗壓強(qiáng)度均≥5 MPa)，滿足一般地基承載力 要求。

圖6 減水劑摻量?結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的變化關(guān)系Fig.6 Relationship between the water-reducing agent dosage and stone body compressive strength

3 結(jié)論

通過對摻入苯系高效減水劑FDN-C 和聚羧酸鹽系高效減水劑的濕磨黏土水泥漿液進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。分別對漿液密度、析水率、流動(dòng)度、黏度、初凝時(shí)間和結(jié)石體抗壓強(qiáng)度等性能進(jìn)行測試，分析其變化規(guī)律，得出的結(jié)論為：

1) 摻入2 種減水劑下的濕磨黏土水泥均屬穩(wěn)定漿液。漿液析水率、流動(dòng)度、初凝時(shí)間均隨減水劑摻量增加而增大。其中，初凝時(shí)間在一定范圍內(nèi)可控。漿液黏度隨減水劑摻量的增加而減小，最小可降至21 Pa·s 和24 Pa·s。漿液密度隨減水劑摻量的增加，變化不大。

2) 2 種減水劑均能有效降低漿液黏度，增大漿液流動(dòng)度，使其具有良好的可泵性和擴(kuò)散能力，以及結(jié)石體抗壓強(qiáng)度能滿足一般地基承載力要求。其中，苯系高效減水劑FDN-C 對漿液的改進(jìn)效果大于聚羧酸鹽系高效減水劑的，而且市場價(jià)格相對更低，故現(xiàn)場施工建議使用苯系高效減水劑FDN-C。

3) 當(dāng)減水劑摻量超過1%時(shí)，漿液密度、黏度、流動(dòng)度等性能無明顯變化，部分試件無法凝固，所以建議減水劑摻量不宜超過1%。