沿江復(fù)雜地層強(qiáng)觸變水泥漿性能研究

付建軍，張維鑫，李永豐，李 者，楊冰清

(1.中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.長(zhǎng)沙市公共工程建設(shè)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410071)

0 引 言

灌漿是目前工程常用的加固技術(shù)，在水利堤防、水工建筑物基礎(chǔ)處理等得到了廣泛應(yīng)用。沿江復(fù)雜地層地層復(fù)雜(雜填土、粘性土、砂卵石等)，呈上層滲透性大、壓縮性高，下層滲透性小、壓縮性低(或反向)典型二元地質(zhì)條件；沿江灌漿工藝需環(huán)保，防止?jié){液進(jìn)入江河。

傳統(tǒng)的水泥灌漿材料流動(dòng)性難以控制，泌水率高，跑漿，不環(huán)保。水泥膏漿因其塑性屈服強(qiáng)度較大，普遍存在可泵性差、管路損失大等缺陷。因此，研究動(dòng)剪強(qiáng)度低、靜剪強(qiáng)度高的觸變性水泥漿液至關(guān)重要。理想的觸變性漿液指在攪拌及泵送過程中具有高流動(dòng)性，泵送停止后或靜置條件下，能夠快速失去流動(dòng)性，形成具有剛度、能自身支持的膠凝結(jié)構(gòu)，呈似膏狀體。觸變性水泥漿通常是在普通硅酸鹽水泥漿體系中加入觸變劑配制而成，觸變劑的性能對(duì)水泥漿體系的性能有重要的影響。水泥基漿體系觸變劑有無機(jī)和有機(jī)2種，無機(jī)類觸變劑主要有膨潤(rùn)土體系、硫酸鈣體系等；有機(jī)類觸變劑主要有膠乳、植物膠等。制備觸變性水泥基漿的關(guān)鍵是觸變劑的研制及合理使用。

1 強(qiáng)觸變性水泥漿液性能分析

1.1 觸變漿液配制

在綜述已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司東江水電站、龍灘水電站、向家壩水電站等水利灌漿工程經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)采用材料為普通硅酸鹽水泥、膨潤(rùn)土、純堿、植物膠，配備水∶水泥∶膨潤(rùn)土∶純堿∶植物膠=0.8∶1∶0.05∶0.002∶(0、0.01～0.08)共9組樣品。

1.2 結(jié)果分析

1.2.1凝結(jié)時(shí)間

采用標(biāo)準(zhǔn)維卡儀進(jìn)行初凝、終凝時(shí)間測(cè)定，初凝試針沉入凈漿中距底板4 mm±1 mm時(shí)為水泥達(dá)到初凝狀態(tài)。為防止初凝時(shí)間試驗(yàn)的孔洞對(duì)終凝時(shí)間試驗(yàn)造成影響，在快達(dá)到終凝時(shí)間時(shí)，將試模倒置，終凝試針沉入凈漿中0.5 mm，且不留環(huán)形痕跡時(shí)所需的時(shí)間為水泥達(dá)到終凝狀態(tài)。植物膠不同含量初凝終凝時(shí)間結(jié)果見表1。從表1可知，隨著植物膠摻入量的增加，水泥漿的凝結(jié)時(shí)間也不斷增加，兩者呈正相關(guān)。植物凝膠的摻入量大于6%時(shí)，水泥漿液的凝結(jié)時(shí)間明顯增大，36 h后，水泥漿液雖然開始初凝，出現(xiàn)凝固硬化現(xiàn)象，但速度十分緩慢，并出現(xiàn)類似果凍狀體。

表1 植物膠不同含量初凝終凝時(shí)間結(jié)果

1.2.2漏斗粘度

粘度是流體粘滯性的一種量度，是流體流動(dòng)力對(duì)其內(nèi)部摩擦現(xiàn)象的一種表示，粘度大表明內(nèi)摩擦力大。采用1006型泥漿粘度計(jì)記錄500 mL漿液從5 mm 孔徑流出所需要的時(shí)間即為漿液的漏斗粘度。植物膠不同含量漏斗粘度結(jié)果見表2。從表2可知，植物膠摻入量為1%時(shí)，漿液的粘度顯著增加；植物膠摻入量為2%時(shí)，漿液的流動(dòng)性開始變差，無法順暢的通過5 mm漏斗下方孔徑；植物膠摻入量為3%、4%、5%、6%時(shí)，漿液顯現(xiàn)一定的剛度，無法從漏斗下方流出；當(dāng)植物膠摻量為7%、8%時(shí)，漿液又可流動(dòng)，但無法測(cè)得準(zhǔn)確數(shù)值。

表2 植物膠不同含量漏斗粘度結(jié)果

1.2.3析水試驗(yàn)

將400 mL配置好的漿液盛入500 mL的容量筒中，待其靜置自由析水，每5 min監(jiān)測(cè)1次，記錄其析水量的刻度值。漿液靜置24 h時(shí)析出的水的體積與漿液原體積的比值稱為漿液的自由析水率。植物膠不同含量析水率與時(shí)間的關(guān)系見圖1。從圖1可知，隨著植物膠的添加，漿液的析水率大幅度降低。當(dāng)漿液中不摻植物膠時(shí)，曲線前期走向陡峭，這表明漿液在靜置的前1 h內(nèi)快速并大量析水，90 min左右漿液分層穩(wěn)定，漿液大量析水；當(dāng)摻入1%～4%植物膠時(shí)，漿液前1 h的析水速率明顯降低；而當(dāng)植物膠的加入量達(dá)到4%時(shí)，水泥漿液3 h的析水率只有4.25%；當(dāng)摻入5%～8%植物膠時(shí)，漿液前1 h內(nèi)幾乎不發(fā)生析水現(xiàn)象，5%摻量3 h后漿液只有0.2%。

圖1 植物膠不同含量泌水量與時(shí)間的關(guān)系

1.2.4流動(dòng)度

采用電動(dòng)跳桌儀在每特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)跳動(dòng)25次，記錄其最大擴(kuò)散直徑和垂直于該方向的直徑，計(jì)算平均值即為漿液的流動(dòng)度值。植物膠不同摻入量漿液的流動(dòng)度見圖2。從圖2可知，漿液的流動(dòng)度并不是一直隨著植物膠的增加而減小的，植物膠的添加量小于5%時(shí)，漿液的流動(dòng)度隨著植物膠摻量的增加而減小，不摻植物膠時(shí)，漿液的流動(dòng)度最大；而當(dāng)植物膠摻量增加至6%時(shí)，水泥漿液的流動(dòng)度又開始逐漸增大。漿液的流動(dòng)度在植物膠摻量為4%、5%時(shí)變化幅度不大；而在1%、2%、7%、8%時(shí)流動(dòng)度隨時(shí)間有明顯的幅度差異。

圖2 植物膠不同摻入量漿液的流動(dòng)度

1.2.5強(qiáng)度性能

制作40 mm×40 mm×60 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)3 d、7 d、14 d、28 d，分別采用DZK- 6000型數(shù)顯式抗折儀、YAW-300B微機(jī)控制電液式水泥壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。植物膠不同含量時(shí)試樣強(qiáng)度與齡期的關(guān)系見圖3。從圖3可知，早期階段(3d)，試件隨著植物膠含量的增加，抗折、抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，即隨著植物膠摻量的增加，抗折、抗壓強(qiáng)度逐漸減小。中期階段(7 d、14 d)，各試件強(qiáng)度都明顯增加，植物膠摻量0～3%時(shí)，抗折、抗壓強(qiáng)度隨植物膠增加而降低；但當(dāng)植物膠摻入量≥4%時(shí)，抗折、抗壓強(qiáng)度又隨植物膠含量的增加而增大。終期階段(28 d)，隨著齡期的增加，各個(gè)試組的強(qiáng)度均有不同程度的增加，植物膠高摻入量試件后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較大；相較于其他試件，8%摻入量試件后期14 d內(nèi)強(qiáng)度提高了5.97 MPa，而不摻入植物膠試件后期14 d內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)僅為2.43 MPa。

圖3 不同植物膠含量試樣的強(qiáng)度與齡期關(guān)系

1.2.6最優(yōu)配方

在強(qiáng)度要求不是較高的前提下，根據(jù)漏斗粘度、流動(dòng)度結(jié)果，結(jié)合造價(jià)成本分析認(rèn)為，最優(yōu)配比為：水∶水泥∶膨潤(rùn)土∶純堿∶植物膠=0.8∶1∶0.05∶0.002∶0.03。

2 強(qiáng)觸變性水泥漿機(jī)理探究

2.1 電鏡掃描成果及分析

為觀察不同植物膠摻入量水泥試塊的微觀結(jié)構(gòu)，采用日本日立公司生產(chǎn)的S-3000N掃描電子顯微鏡，15 kV加速電壓，1萬倍放大倍數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究。植物膠不同含量28 d電鏡掃描成果見圖4。從圖4可知，當(dāng)水泥漿不摻植物膠時(shí)，水泥石的結(jié)構(gòu)松散并伴有大量的孔隙；當(dāng)加入2%植物膠時(shí)，有膜產(chǎn)生；當(dāng)加入4%植物膠時(shí)，與不摻植物膠結(jié)果相比，水泥石結(jié)構(gòu)相對(duì)松散，局部表面有膜；隨著植物膠從4%增長(zhǎng)到7%，水泥石結(jié)構(gòu)緊密，膜發(fā)育；當(dāng)加入8%植物膠時(shí)，水泥石結(jié)構(gòu)更加致密，成塊狀，膜減弱。

圖4 植物膠不同含量28 d電鏡掃描成果

2.2 植物膠作用機(jī)理探究

(1)膠膜隔水作用。植物膠的主要成分是多糖和可溶纖維素，糖分子結(jié)構(gòu)上的—OH基可與水泥顆粒連接，使多糖分子在吸附孔壁上形成膠膜；蛋白質(zhì)在堿性條件下能分解成氨基酸，氨基酸中的氨基為強(qiáng)吸附基團(tuán)，對(duì)水泥顆粒吸附作用強(qiáng)；脂肪也具有成膜作用，纖維素大分子的橫向拉結(jié)作用能夠增強(qiáng)膠膜的強(qiáng)度及韌性。因此，水泥顆粒上的膠膜強(qiáng)度大，滲透性小，膠膜阻止了部分水泥顆粒水化反應(yīng)，降低了試件抗壓、抗折強(qiáng)度。

(2)分子鏈吸附自由水。由于植物膠分子富含親水基，在分子鏈上吸附了大量的自由水分子，減少了水泥漿液中的自由水含量，具有保水性。

(3)粘彈性減振作用。植物膠是天然高分子聚合物體系，分子間的連接是溶液粘度提高的根本原因。植物膠的分子鏈線性結(jié)構(gòu)是其具有很好流動(dòng)性和剪切稀釋特性的關(guān)鍵因素。因此，植物膠溶液即使在其添加量很小的情況下也能使溶液的粘度變大，植物膠中的鏈狀分子越長(zhǎng)，溶液的粘度也越大，這一特性使植物膠能起到增加粘度的作用。

2.3 特殊現(xiàn)象探究

隨著植物膠含量的增加，水泥基漿液流動(dòng)度逐漸減少，抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸降低。植物膠含量為3%～8%時(shí)，隨著植物膠含量增加，水泥基漿液流動(dòng)度逐漸增加，抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。原因如下：

(1)本次配比純堿含量固定，對(duì)應(yīng)的植物膠最佳含量約3%。植物膠含量為0～3%時(shí)，純堿含量相對(duì)較高，降低了植物間分子鏈的舒展，破壞分子鏈之間的纏繞；隨著植物膠含量的增加，漿液粘彈性逐漸增長(zhǎng)，即流動(dòng)度逐漸降低；植物膠含量為3%～8%較高時(shí)，隨著植物膠含量的增加，純堿含量相對(duì)較低，分子鏈有效鏈接形成逐漸減少，同時(shí)受水泥水化熱影響，分子鏈主鏈斷裂，漿液粘彈性逐漸下降，即流動(dòng)度逐漸增加。

(2)植物膠含量為0～3%時(shí)，隨著植物膠含量的增加，分子鏈吸附的自由水逐漸增多，但膠膜增長(zhǎng)速度更快，進(jìn)而未水化的水泥顆粒逐漸增多，抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸減?。恢参锬z含量為3%～8%時(shí)，隨著植物膠含量的增加，分子鏈吸附的自由水增多，試樣的早期強(qiáng)度降低，但過量的植物膠會(huì)出現(xiàn)破膠，即分子鏈主鏈斷裂，釋放一部分自由水，伴隨著水泥水化產(chǎn)生一定的熱量，水泥的水化進(jìn)程加速，即試件抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸增加。

3 工程應(yīng)用

某防洪堤于20世紀(jì)50～80年代陸續(xù)修建，堤頂高程一般為35.6～36.6 m，堤內(nèi)高程34.0～35.0 m，堤外留有10.0～30.0 m左右的灘地，灘地坡度為5°～10°，堤基高程在29.0 m左右，堤外設(shè)置寬2.0～3.0 m平臺(tái)，高程32.0 m左右，平臺(tái)以下為40°坡度的漿砌石護(hù)腳，以上為直立的漿砌石擋墻。

該防洪堤加固工程所在地區(qū)地層可分為以下3層：上部為建筑垃圾碎塊碎瓦片、煤渣以及樹根等物質(zhì)無規(guī)則雜亂堆積的壓縮性高、滲透系數(shù)為5.89×10-3的雜填土；中部由壓縮性高、滲透性系數(shù)為3×10-5的粘性土、粉質(zhì)粘土和局部的粘土質(zhì)粉土組成；底部粒徑變化較大，為細(xì)砂、中砂、粗砂、砂礫以及圓礫組成的碎石砂礫層，壓縮性低，滲透系數(shù)為1.0×10-3。為提高承載力及防洪堤的防滲性，需對(duì)防洪堤進(jìn)行灌漿加固。旋噴樁樁長(zhǎng)6 m，樁徑0.6 m，間距1 m，共3排?？紤]地下水因素，對(duì)植物膠的摻入量進(jìn)行了調(diào)整，最終水∶水泥∶膨潤(rùn)土∶純堿∶植物膠=0.8∶1∶0.05∶0.002∶0.02。

依據(jù)相關(guān)規(guī)范對(duì)單樁承載力進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)承載力≥210 kPa，能滿足設(shè)計(jì)要求。鉆孔取芯現(xiàn)場(chǎng)結(jié)果見圖5。從圖5可知，水泥含量均勻，膠結(jié)良好，芯樣呈短柱狀，局部未成形。取芯試樣的無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度約4 MPa，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

圖5 加固段鉆孔取芯成果

4 結(jié) 語

本文在綜述已有研究成果的基礎(chǔ)上，在固定純堿∶水∶水泥∶膨潤(rùn)土質(zhì)量配比的條件下，將具有較優(yōu)性能的植物膠引入水泥漿液作為觸變劑，研制了不同配比的觸變漿液，并對(duì)所有觸變漿液樣品進(jìn)行了漏斗粘度、析水率、凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度、抗折及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，提出了水∶水泥∶膨潤(rùn)土∶純堿∶植物膠為0.8∶1∶0.05∶0.002∶0.03的有效配比。同時(shí)，對(duì)各樣品進(jìn)行了28 d掃描電鏡分析，對(duì)植物膠在水泥漿中作用機(jī)理進(jìn)行了探究，推斷植物膠主要作用機(jī)理為膠膜隔水及分子鏈吸附自由水。最后，將有效配比觸變水泥漿進(jìn)行了工程應(yīng)用，工程檢測(cè)結(jié)果良好。

植物膠作為觸變劑引入水泥基漿，其作用受物質(zhì)組成、溫度、pH值、外加劑、攪拌速率、時(shí)間、濃度等多種因素的影響，有待對(duì)其機(jī)理作進(jìn)一步的研究。