速凝抗水分散型水泥基注漿材料的制備及性能研究

趙 青，張藝霞，趙 軍，梁家杰

(安陽(yáng)工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000)

0 引 言

突涌水、突泥災(zāi)害是我國(guó)隧道建設(shè)面臨的最嚴(yán)重問題之一，造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失在各類隧道地質(zhì)災(zāi)害中位居前列[1-2]。注漿是治理隧道突涌水最主要、最有效的手段之一[3-4]，將注漿材料通過壓力設(shè)備注入地層或裂縫內(nèi)，漿液以充填、滲透、壓密及劈裂等方式，驅(qū)趕空隙或裂隙中的水或空氣并占據(jù)其空間位置，漿液膠凝、固化后，達(dá)到加固地層和防滲堵水的目的[5-6]。用于治理隧道突涌水的注漿液應(yīng)具有速凝早強(qiáng)、抗水分散和可注性好等特點(diǎn)[7-9]。純水泥漿液凝膠時(shí)間長(zhǎng)，不抗水分散，無(wú)法用于治理突涌水。水泥-水玻璃雙液漿凝膠時(shí)間短、抗水分散，但其水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)，強(qiáng)度低，加固效果不理想[10]；另外，C-S-H在水溶蝕作用下極易分解，耐久性差[12]。水泥漿液成本低廉、固結(jié)體強(qiáng)度高，如果能解決抗水分散性差和凝膠時(shí)間長(zhǎng)的缺陷，水泥漿液將成為治理隧道突涌水災(zāi)害最有前景的注漿材料[12-13]。

本文從實(shí)際需求的注漿材料性能出發(fā)，對(duì)PO和SAC進(jìn)行配合，并輔以高效粘結(jié)劑HPMC和水，制備了速凝抗水分散型水泥基注漿材料。采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、SEM和XRD等對(duì)注漿材料的性能進(jìn)行了研究，獲得了滿足注漿要求的改性方案，可在實(shí)際治理隧道突涌水等工程中推廣應(yīng)用。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

42.5普通硅酸鹽水泥(PO)：比表面積為336 m2/kg,初凝時(shí)間≥45 min，終凝時(shí)間≤390 min，上海海螺水泥有限責(zé)任公司；42.5快用高強(qiáng)硫鋁酸鹽水泥(SAC)：比表面積為355 m2/kg,初凝時(shí)間≥25 min，終凝時(shí)間≤180 min，唐山北極熊建材有限公司；羥丙基甲基纖維素(HPMC)：粘度為200 Pa·s，炭化溫度為295 ℃，密度為1.29 g/cm3，任丘市科維化工有限公司；實(shí)驗(yàn)用水為自來(lái)水。普通硅酸鹽水泥(PO)和硫鋁硅酸鹽水泥(SAC)的礦物組成如表1所示，其物理性能如表2所示。

表1 普通硅酸鹽水泥(PO)和硫鋁硅酸鹽水泥(SAC)的礦物組成

表2 普通硅酸鹽水泥(PO)和硫鋁硅酸鹽水泥(SAC)的物理性能

1.2 注漿材料的制備

實(shí)驗(yàn)中，首先將PO熟料，SAC熟料，HPMC分別粉磨，細(xì)度控制在比表面積為350 m2/kg，然后將粉磨的粉料按配合比進(jìn)行復(fù)配，制備出速凝抗水分散型水泥基注漿材料。PO、SAC、HPMC和水的設(shè)計(jì)配合比如表3所示。

表3 設(shè)計(jì)配合比

1.3 測(cè)試方法

按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077—2012)測(cè)定注漿材料的流動(dòng)度，水泥凈漿流動(dòng)的方法采用截錐圓模進(jìn)行；按照《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》(GB/T 1346-2011)測(cè)定初凝時(shí)間和終凝時(shí)間；水泥膠砂強(qiáng)度的測(cè)定參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)中的規(guī)定要求進(jìn)行，制備成40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試樣，養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，然后在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至需要的齡期測(cè)其強(qiáng)度；取水化水泥漿芯部試樣，磨粉后進(jìn)行XRD譜圖測(cè)試，采用RigakuD/max2500 VB/PC型X射線衍射儀(X-ray diffractometer，XRD)觀察水化產(chǎn)物的衍射峰，以Cu Kα為輻射源，加速電壓為40 kV，電流為200 mA，步長(zhǎng)為0.02°/步，掃描速度為4°/min，掃描范圍(2θ)為5～65°；取水化水泥漿芯部試樣，進(jìn)行SEM譜圖測(cè)試，采用日本日立高新技術(shù)公司生產(chǎn)的Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope，SEM)觀察水化產(chǎn)物的形貌和產(chǎn)物；抗水分散性實(shí)驗(yàn)方法[18]：在500 mL燒杯中注入300 mL水，然后將200g的水泥漿體呈細(xì)流狀緩慢連續(xù)地注入燒杯中，觀察水泥漿體的分散和水體的渾濁情況，作為評(píng)價(jià)水泥漿抗水分散性能的指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 HPMC用量對(duì)注漿材料性能的影響

抗水分散性能是水下注漿材料的關(guān)鍵性能之一，HPMC是提高注漿材料抗水分散性能的粘結(jié)劑，本文考察了HPMC添加量對(duì)注漿材料漿料性能的影響。表4為不同HPMC用量注漿材料的漿料性能。從表4可以看出，隨著HPMC用量的增加，PO和SAC復(fù)合膠凝體系的流動(dòng)度下降，凝膠時(shí)間延長(zhǎng)，但抗水分散性能不斷提高，當(dāng)HPMC用量為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，復(fù)合膠凝體系在水中完全不分散，水體澄清，抗水分散性能最好，漿料流動(dòng)度為150 mm，初凝時(shí)間為23 min，終凝時(shí)間為30 min。

表4 不同HPMC用量注漿材料的漿料性能

Table 4 Slurry properties of grouting materials with different amounts of HPMC

HPMC用量/wt‰流動(dòng)度/mm凝膠時(shí)間/min初凝終凝抗水分散性能01751721差,渾濁1.01601924差,渾濁1.51502330好,無(wú)渾濁

圖1為不同HPMC用量注漿材料的抗壓強(qiáng)度。從圖1可以看出，隨著HPMC用量的增加，注漿材料的抗壓強(qiáng)度不斷下降，當(dāng)HPMC用量為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，注漿材料1，3和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為13，17和36 MPa，相比于未添加HPMC時(shí)的抗壓強(qiáng)度，分別下降了31.6%，29.2%和18.2%，下降幅度逐漸減小。結(jié)合表4和圖1分析可知，增加HPMC的添加量，一方面會(huì)提高注漿材料的抗水分散性能，另一方面會(huì)降低注漿材料的抗壓強(qiáng)度。這是因?yàn)?，HPMC的長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)含有大量極性官能團(tuán)，與水泥顆粒周圍吸附的水分子形成大量氫鍵，加之HPMC的長(zhǎng)分子鏈結(jié)構(gòu)相互纏結(jié)，導(dǎo)致水泥漿體的內(nèi)摩擦阻力增加，流動(dòng)度下降。隨著HPMC用量增加，PO和SAC復(fù)合膠凝體系的粘聚力增加，所以抗水分散性能不斷提高；而HPMC在水泥顆粒表面形成的聚合物膜阻礙了水分子向水泥顆粒內(nèi)部的繼續(xù)滲透，水泥顆粒的水化受到影響，所以注漿材料的凝膠時(shí)間隨之延長(zhǎng)，抗壓強(qiáng)度下降。此外，HPMC含量越高，絡(luò)合物膜對(duì)水泥的水化延緩效果越明顯，強(qiáng)度也越低，同時(shí)HPMC顯著提高了水泥漿體的粘度，水化產(chǎn)物的氣孔含量增加，也導(dǎo)致復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的抗壓強(qiáng)度降低。因此，為了平衡注漿材料的抗壓強(qiáng)度和抗水分散性能，注漿材料HPMC的用量設(shè)計(jì)為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

圖1 不同HPMC用量注漿材料的抗壓強(qiáng)度Fig 1 Compressive strength of grouting materials with different amounts of HPMC

2.2 水膠比對(duì)注漿材料性能的影響

表5為不同水膠比注漿材料的漿料性能。從表5可以看出，隨著水膠比增加，PO和SAC復(fù)合膠凝體系的流動(dòng)度增加，凝膠時(shí)間延長(zhǎng)，抗水分散性能變差。當(dāng)水膠比低于0.45時(shí)，注漿材料的抗水分散性能良好；當(dāng)水膠比為0.5時(shí)，水體出現(xiàn)微渾濁，注漿材料的抗水分散性能降低。

表5 不同水膠比注漿材料的漿料性能

Table 5 Slurry properties of grouting materials with different water binder ratio

水膠比流動(dòng)度/mm凝膠時(shí)間/min抗壓強(qiáng)度/MPa初凝終凝1 d3 d28 d抗水分散性能0.401402026162242好,無(wú)渾濁0.451502330131736好,無(wú)渾濁0.501652634101530較好,微渾濁

圖2為不同水膠比注漿材料的抗壓強(qiáng)度。由圖2可以知，隨著水膠比的增加，注漿材料的抗壓強(qiáng)度不斷降低。當(dāng)水膠比為0.40時(shí)，注漿材料在1，3和28 d的抗壓強(qiáng)度最大，分別為16，22和42 MPa；當(dāng)水膠比為0.45時(shí)，注漿材料在1，3和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為14，17和36 MPa；當(dāng)水膠比為0.50時(shí)，注漿材料在1，3和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為10，15和29 MPa。這是因?yàn)椋S著水膠比的增加，水泥顆粒在水溶液中能更好地自由分散，顆粒間摩擦阻力下降，流動(dòng)度增加。同時(shí)，水泥漿體之間的粘聚力下降，抗水分散性能變差。隨著水膠比增加，水泥顆粒間距增大，水泥顆粒水化產(chǎn)物填充顆粒間隙、相互接觸成形成網(wǎng)狀絮凝結(jié)構(gòu)的時(shí)間延長(zhǎng)，凝膠時(shí)間延長(zhǎng)。水泥顆粒水化后剩余的水分也增多，水化后的水泥漿體中毛細(xì)孔數(shù)量增多，孔隙率增加，導(dǎo)致復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的抗壓強(qiáng)度下降[19]。在保證抗水分散性能好的前提下，水膠比越大，注漿壓力越小，施工越方便，材料成本越低，經(jīng)濟(jì)效益越好。因此，本文水膠比優(yōu)選為0.45，后續(xù)實(shí)驗(yàn)水膠比均定為0.45。

圖2 不同水膠比注漿材料的抗壓強(qiáng)度Fig 2 Compressive strength of grouting materials with different water binder ratio

2.3 PO和SAC比例對(duì)注漿材料性能的影響

以水膠比為0.45，HPMC添加量為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。表6為不同PO和SAC比例下注漿材料的漿料性能。從表6可以看出，PO和SAC的質(zhì)量比對(duì)復(fù)合膠凝體系流動(dòng)度的影響不大，保持在145～160 mm之間。雖然PO的比表面積比SAC的比表面積小，需水量小，在相同用水量情況下，PO用量越多，復(fù)合膠凝體系的流動(dòng)度應(yīng)越好，但由于受HPMC較強(qiáng)氫鍵作用的影響，復(fù)合膠凝體系整體流動(dòng)度不大，氫鍵效應(yīng)導(dǎo)致的流動(dòng)度下降效應(yīng)強(qiáng)于顆粒比表面積對(duì)流動(dòng)度的影響。

(1)

C3S+3H=CSH+2CH

(2)

(3)

表6 不同PO和SAC比例下注漿材料的漿料性能

圖3 不同PO和SAC比例下注漿材料的抗壓強(qiáng)度Fig 3 Compressive strength of grouting materials with different ratios of PO and SAC

圖3為不同PO和SAC比例下注漿材料的抗壓強(qiáng)度。從圖3可以看出，隨著SAC用量的增加，復(fù)合膠凝體系的早期(1和3 d)抗壓強(qiáng)度不斷提高，28 d抗壓強(qiáng)度先降低后升高。這是由于復(fù)合膠凝體系早期強(qiáng)度主要來(lái)源于SAC的水化，而后期強(qiáng)度主要由PO進(jìn)一步水化提供。當(dāng)PO和SAC質(zhì)量比為4∶6時(shí)，PO的水化受到嚴(yán)重影響，導(dǎo)致后期強(qiáng)度降低，出現(xiàn)拐點(diǎn)，而后隨著PO含量的進(jìn)一步減少，SAC含量的增加，注漿材料的密實(shí)性增強(qiáng)，復(fù)合膠凝體系的抗壓強(qiáng)度逐漸升高。當(dāng)PO和SAC質(zhì)量比為6∶4時(shí)，注漿材料1，3和28 d的抗壓強(qiáng)度分別為13，17和36 MPa。

2.4 PO和SAC比例對(duì)復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的影響

圖4為不同PO和SAC比例下注漿材料水化產(chǎn)物28 d的SEM圖。從圖4(a)可以看出，當(dāng)PO用量較多時(shí)(m(PO)∶m(SAC)=6∶4 )，注漿材料水化產(chǎn)物形成少量針狀A(yù)Ft、大量板狀CH和云狀C-S-H，硫酸鈣被SAC迅速消耗形成AFt，C3S水化形成大量C-S-H和CH，因?yàn)榱蛩徕}的消耗，大量CH無(wú)法進(jìn)一步形成鈣礬石，以板狀晶體形式存在于水化產(chǎn)物中。從圖4(b)可以看出，隨著PO用量減少(m(PO)∶m(SAC)=4∶6)，注漿材料水化產(chǎn)物形成針棒狀A(yù)Ft堆疊，針棒狀A(yù)Ft之間存在較多間隙，由于OPC的水化受到限制，形成的C-S-H凝膠數(shù)量較少，無(wú)法完全填充空隙，結(jié)構(gòu)不密實(shí)，力學(xué)強(qiáng)度降低，這也是復(fù)合膠凝體系抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)最低點(diǎn)的原因。從圖4(c)可以看出，隨著PO用量進(jìn)一步減少(m(PO)∶m(SAC)=3∶7)，注漿材料水化產(chǎn)物形成針棒狀A(yù)Ft和云狀C-S-H，且形成的AFt被C-S-H完全填充，密實(shí)性好，復(fù)合膠凝體系的力學(xué)強(qiáng)度增高。

圖4 不同PO和SAC比例下注漿材料水化產(chǎn)物28 d的SEM圖Fig 4 SEM images of hydration products of grouting materials with different ratios of PO and SAC for 28 d

圖5為不同PO和SAC比例下注漿材料水化產(chǎn)物的XRD譜圖。從圖5可以看出，不同PO和SAC質(zhì)量比的復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的成分大致相同，只是水化產(chǎn)物的相對(duì)含量有所區(qū)別。當(dāng)PO和SAC質(zhì)量比為6∶4和3∶7時(shí)，AFt的衍射峰都較強(qiáng)，生成的AFt數(shù)量多，宏觀表現(xiàn)為水化產(chǎn)物的抗壓強(qiáng)度較高；而當(dāng)PO和SAC質(zhì)量比為4∶6時(shí)，AFt的衍射峰相對(duì)較弱，生成的AFt數(shù)量少，宏觀表現(xiàn)為水化產(chǎn)物的抗壓強(qiáng)度低。這與注漿材料28 d抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。另外，隨著PO用量減少，水化產(chǎn)物的C3S和C2S的衍射峰反而增強(qiáng)，這表明復(fù)合膠凝體系中隨著SAC用量增加，SAC迅速水化，PO的水化受到限制，水化越來(lái)越不充分。

圖5 不同PO和SAC比例下注漿材料水化產(chǎn)物的XRD譜圖Fig 5 XRD patterns of hydration products of grouting materials with different ratios of PO and SAC

2.5 注漿材料的最優(yōu)配合比及性能

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，PO和SAC復(fù)合膠凝體系的凝膠時(shí)間顯著縮短，是制備速凝型隧道注漿止水加固材料的經(jīng)濟(jì)性解決方案之一。綜合考慮隧道注漿止水施工材料配制及漿液在設(shè)計(jì)注漿范圍內(nèi)的充分?jǐn)U散、密實(shí)填充及流動(dòng)性等因素，將注漿材料的初凝和終凝時(shí)間控制在20～30 min內(nèi)。優(yōu)選隧道止水注漿材料的最優(yōu)配合比,如表7所示，注漿材料性能如表8所示。

表7 優(yōu)選注漿材料的配合比

表8 注漿材料的性能結(jié)果

從表7和8可以看出，注漿材料的最優(yōu)配比為：PO和SAC的質(zhì)量比為6∶4，水膠比為0.45，HPMC用量為注漿材料質(zhì)量的1.5‰。此時(shí)制備的注漿材料的流動(dòng)度為150 mm，初凝和終凝時(shí)間分別為23和30 min，既能保證注漿材料在設(shè)計(jì)注漿范圍內(nèi)的充分?jǐn)U散、密實(shí)填充又能及時(shí)終凝，發(fā)展強(qiáng)度，起到加固作用，同時(shí)具有良好的抗水分散性能。

3 結(jié) 論

采用普通硅酸鹽水泥(PO)、硫鋁酸鹽水泥(SAC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)和水進(jìn)行改性，制備了速凝抗水分散型水泥基注漿材料，研究了不同PO和SAC的質(zhì)量比、水膠比和HPMC用量對(duì)注漿材料性能的影響，得到以下結(jié)論：

(1)PO和SAC復(fù)合膠凝體系的凝膠時(shí)間顯著縮短，是制備速凝型隧道注漿止水加固材料的經(jīng)濟(jì)性解決方案之一。

(2)增加HPMC的添加量，一方面會(huì)提高注漿材料的抗水分散性能，另一方面會(huì)降低注漿材料的抗壓強(qiáng)度，為了平衡注漿材料的抗壓強(qiáng)度和抗水分散性能，注漿材料HPMC的用量設(shè)計(jì)為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

(3)在水膠比為0.45時(shí)，注漿材料的抗水分散性能良好，注漿壓力適中，施工方便，材料成本低，經(jīng)濟(jì)效益較好。

(4)當(dāng)PO和SAC的質(zhì)量比為6∶4時(shí)，注漿材料的凝膠時(shí)間最長(zhǎng)，初凝和終凝時(shí)間分別為23和30 min，最適合隧道注漿止水施工材料配制及漿液在設(shè)計(jì)注漿范圍內(nèi)的充分?jǐn)U散、密實(shí)填充及流動(dòng)性等要求。

(5)SEM和XRD分析表明，不同PO和SAC比例的復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的成分大致相同，只是水化產(chǎn)物的相對(duì)含量和堆疊狀態(tài)有所區(qū)別。

(6)注漿材料的最優(yōu)配比為：PO和SAC的質(zhì)量比為6∶4，水膠比為0.45，HPMC用量為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，此時(shí)制備的注漿材料的流動(dòng)度為150 mm，初凝和終凝時(shí)間分別為23和30 min，滿足隧道止水注漿材料的要求，可在實(shí)際治理隧道突涌水等工程中推廣應(yīng)用。