硫鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)堵水材料的制備

繆貴福 （淮南市政工程公司，安徽 淮南 232007）

1 引言

煤礦、隧道、油井等地下空間工程的快速發(fā)展，常會遇到由于地下的突水涌水帶來的地質(zhì)災(zāi)害，使得地下空間工程的建設(shè)面臨著極大的危險。地下工程中存在的滲漏水問題，同時也會給地下建筑的穩(wěn)定性帶來影響，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，影響地下建筑結(jié)構(gòu)的耐久性能。當(dāng)出現(xiàn)煤礦突發(fā)滲水、道路搶修等情況時，使用堵水材料可幫助快速修復(fù)并恢復(fù)工程特定功能，以滿足正常生產(chǎn)需求。因此，為了治理由于滲漏水給工程建設(shè)帶來的影響，用于堵水的注漿材料被廣泛關(guān)注[1-3]。

目前，國內(nèi)外使用較多的堵水材料有水玻璃、水泥和聚氨酯類等[4-6]。然而，化學(xué)類堵水材料一般對施工工藝要求要高，且經(jīng)固化后長期存在于水中，會污染與其連通的水域，對人類的生活區(qū)域和生命安全造成危害；普通硅酸鹽水泥因凝結(jié)時間較長，且存在早期力學(xué)強(qiáng)度不高的不足而造成堵水效果不佳，甚至封堵失敗。

因此，針對現(xiàn)有堵水材料的不足，研制出一種早強(qiáng)、快硬型堵水材料應(yīng)用到地下工程等領(lǐng)域迫在眉睫。硫鋁酸鹽水泥是一類常用的快硬早強(qiáng)水泥，其凝結(jié)時間可控制在幾分鐘至十幾分鐘，與普通硅酸鹽水泥數(shù)小時凝結(jié)相比，具有顯著優(yōu)點(diǎn)：早強(qiáng)快硬，耐腐蝕性能，高抗凍性能，和高抗?jié)B性能。本文以硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，鋼纖維作為增強(qiáng)材料，制備了一種早強(qiáng)型堵水材料，并研究了3種不同鋼纖維摻量（1%，3%，5%）對硫鋁酸鹽水泥基砂漿凝結(jié)時間、早期抗壓強(qiáng)度以及干燥收縮性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用河南登電集團(tuán)生產(chǎn)的快硬早強(qiáng)型R.SAC.42.5硫鋁酸鹽水泥，其化學(xué)成分如表1所示。鋼纖維長度為9～12 mm。選用20～40目的石英砂作為細(xì)骨料。減水劑選用聚羧酸減水劑。使用城市自來水作為拌合水。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

使用硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，以石英砂作為細(xì)骨料，摻入鋼纖維，制備出快硬早強(qiáng)型堵水材料。以固定水灰比0.25，石英砂固定摻量為30%，3種鋼纖維摻量（1%，3%，5%）設(shè)計(jì)了4組配合比，分別表示為 M0，M1，M3，M5，其中數(shù)字代表鋼纖維替代石英砂的體積百分率。具體配合比見表2.

2.3 試驗(yàn)方法

采用行星式砂漿攪拌機(jī)對實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行拌和，先將硫鋁酸鹽水泥、石英砂、鋼纖維進(jìn)行干拌3min，然后加入水和減水劑繼續(xù)拌和3min，根據(jù)ASTM C109[7]，制作了50 mm×50 mm×50 mm 立方體試塊，用于堵水材料的早期強(qiáng)度強(qiáng)度測試，并置于23℃，RH＞95%標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分別測試1h，6h，24h和72h抗壓強(qiáng)度；根據(jù) ASTM C596[8]，制備了25mm×25mm×285mm的試件，測試了堵水材料的干燥收縮性能。根據(jù)ASTM C191[9]，測試了硫鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)型堵水材料凈漿的凝結(jié)時間。使用X射線熒光光譜儀對硫鋁酸鹽水泥的元素組成進(jìn)行了分析；利用激光粒度儀測試了硫鋁酸鹽水泥的粒徑分布。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 凝結(jié)時間

硫鋁酸鹽水泥基材料具有快硬、早強(qiáng)的特點(diǎn)。圖1給出了鋼纖維摻量對早強(qiáng)堵水材料凝結(jié)時間的影響。從圖1可以看出，硫鋁酸鹽水泥基堵水材料的凝結(jié)時間隨著鋼纖維摻量的增加而減少。值得注意的是，1%和3%的鋼纖維摻量增加了堵水材料的初始凝結(jié)時間；當(dāng)鋼纖維摻量大于3%時，M5的初凝時間低于對照組M0。說明可以通過改變鋼纖維的摻量來對早強(qiáng)型堵水材料的凝結(jié)時間進(jìn)行調(diào)控。對于早強(qiáng)型堵水材料的終凝而言，M1與M0的終凝時間相差不大，但隨著鋼纖維摻量的繼續(xù)增加，M3和M5組的終凝時間均顯著低于對照組M0，分別降低了20%，25%。

圖1 早強(qiáng)堵水材料的凝結(jié)時間

硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分 表1

配合比設(shè)計(jì)(g/100g) 表2

因此，為了針對不同的工程堵水情況，滿足施工現(xiàn)場狀況的需要，可以通過改變鋼纖維的摻量來有效調(diào)控堵水材料的凝結(jié)時間，避免因堵水材料凝結(jié)時間過長而造成堵水效果的降低。

3.2 抗壓強(qiáng)度

圖2 早強(qiáng)堵水材料的抗壓強(qiáng)度

堵水材料的早期強(qiáng)度嚴(yán)重影響著工程現(xiàn)場施工的堵水效果，堵水材料早期強(qiáng)度越高，對工程中的堵水堵漏效果更佳。圖2給出了不同纖維摻量的堵水材料的抗壓強(qiáng)度。從圖2可以看出，不同摻量的鋼纖維均降低了1小時的堵水材料的強(qiáng)度，但這種降低幅度不大。這是由于在水化早期，鋼纖維與水泥基體之間粘結(jié)力較弱。此外，可以發(fā)現(xiàn)鋼纖維的摻量對砂漿1h的抗壓強(qiáng)度影響差別不大。然而，不同摻量的鋼纖維對砂漿6h，24h，72h的抗壓強(qiáng)度影響卻相反，砂漿的抗壓強(qiáng)度均隨著鋼纖維摻量的增加而呈逐漸增加的趨勢。

值得注意的是，1%摻量的鋼纖維不利于早強(qiáng)型堵水材料早期強(qiáng)度的提升。且當(dāng)鋼纖維達(dá)到3%時，堵水材料在6h，24h，72h的抗壓強(qiáng)度開始大于對照組M0。這是由于摻入的鋼纖維分布在砂漿中，在受壓階段，由于鋼纖維的抗拉效應(yīng)，能降低受壓過程中微裂縫形成速度，使試塊的壓縮變形增加，增強(qiáng)了基體的韌性，從而導(dǎo)致砂漿不易被破壞。特別是5%摻量的鋼纖維顯著提高了堵水砂漿72h的抗壓強(qiáng)度，這為堵水材料在工程中的應(yīng)用提供了保證。

3.3 干燥收縮

圖3 早期堵水材料的干燥收縮

由于堵水材料的開裂可能會導(dǎo)致封堵效果變差，因此，本文對硫鋁酸鹽水泥基堵水材料的早期的干燥收縮性能進(jìn)行了研究。圖3為硫鋁酸鹽水泥基早強(qiáng)堵水材料經(jīng)測試70h的干燥收縮曲線。從圖3中可以看出，砂漿的干燥收縮率隨著鋼纖維的摻量呈現(xiàn)降低趨勢，這是由于鋼纖維具有的抗拉特性可以承擔(dān)由于砂漿干燥收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力。

然而70h時，M1和M3組的干燥收縮率大于對照組M0，但增加幅度較小。但M5顯著降低了砂漿的干燥收縮率，表現(xiàn)出更好的抗干燥收縮性能，對早強(qiáng)型堵水材料的干燥收縮性能改善明顯。從而能有效的避免由于材料干燥收縮過大產(chǎn)生裂縫，引起滲漏，而降低堵水效果。此時摻入的鋼纖維在硫鋁酸鹽水泥基砂漿內(nèi)部均勻分布，優(yōu)化了堵水材料的孔隙結(jié)構(gòu)，使材料更密實(shí)，降低了水分的損失，從而導(dǎo)致堵水材料干燥收縮的降低。更重要的是，鋼纖維彈性模量較大，能有效抵消毛細(xì)孔壓力產(chǎn)生的干燥收縮。

4 結(jié)論

本文研制了一種能應(yīng)用于地下工程中的快硬早強(qiáng)型堵水材料，通過改變鋼纖維摻量研究了其對早強(qiáng)型堵水材料凝結(jié)時間、早期抗壓強(qiáng)度和干燥收縮性能的影響，得出以下結(jié)論：

①所制備的硫鋁酸鹽水泥基堵水材料具有早強(qiáng)、快硬、凝結(jié)時間可控的特點(diǎn)，可通過改變鋼纖維摻量來應(yīng)對不同地下工程的堵水；

②鋼纖維摻量高于3%時有助于硫酸鹽水泥基早強(qiáng)堵水材料早期強(qiáng)度的提升；

③5%的鋼纖維摻量能顯著降低硫酸鹽水泥基早強(qiáng)堵水材料的干燥收縮，降低因干燥收縮產(chǎn)生開裂導(dǎo)致滲漏的可能。