特種水泥快速修補(bǔ)材料在遠(yuǎn)距離調(diào)水工程中的應(yīng)用前景研究

王 群

(山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心煙臺分中心，山東 煙臺 264000)

隨著我國的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，地區(qū)均衡發(fā)展成為我國重點(diǎn)關(guān)注的問題，遠(yuǎn)距離調(diào)水工程就是為了支援發(fā)展較為落后的地區(qū)所建設(shè)的重要工程[1- 2]。隨著遠(yuǎn)距離調(diào)水工程逐漸發(fā)展壯大，也面臨著工程需要不斷維護(hù)和修補(bǔ)的情況，對于水利工程的修補(bǔ)工作，材料的選擇和使用是其中重要的步驟，因此也得到了很多學(xué)者的研究[3- 5]。

現(xiàn)有的研究表明，常見的水利工程修補(bǔ)材料主要包含3類：第1類主要是以硅酸鹽水泥為代表的無機(jī)水泥材料，水泥材料具有強(qiáng)度較高、價格合理及施工方便等優(yōu)勢[6- 7]。第2類是以瀝青為主要原材料的有機(jī)材料，該類材料具有施工快捷簡便的優(yōu)勢，但是同時也存在修補(bǔ)位置材料融合性差，長期耐久性不足等缺點(diǎn)[8- 9]。第3類是有機(jī)聚合物材料，這類材料最突出的缺陷就是早期強(qiáng)度低和耐久性差[10]。綜合上述的分析可以看出，無機(jī)材料的優(yōu)勢較為突出，應(yīng)用也較為廣泛，但是隨著使用環(huán)境的復(fù)雜化，原有的普通硅酸鹽水泥很難滿足部分調(diào)水工程需要快速修補(bǔ)的需求，速凝早強(qiáng)的硅酸鹽水泥雖然能滿足快速凝結(jié)的效果，但是濃度控制是目前面臨的重要難點(diǎn)[11]。

基于上述分析，許多學(xué)者對早強(qiáng)硅酸鹽水泥進(jìn)行了改性研究，通過改性拓展了早強(qiáng)硅酸鹽水泥材料的使用范圍，同時也擴(kuò)展了調(diào)水工程修補(bǔ)材料的選擇范圍。本文通過研究改性早強(qiáng)型硅酸鹽修補(bǔ)材料的強(qiáng)度和流動性等參數(shù)，為特種水泥快速修補(bǔ)材料在遠(yuǎn)距離調(diào)水工程中的應(yīng)用前景提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 材料配比

本次試驗(yàn)用的水泥材料主要是早強(qiáng)硅酸鹽水泥和一些輔助類材料(含鐵、鋁和硅的原料)、黏土以及外加劑(礦化劑和耐磨劑)，它們的比例分別為80%、5%、10%和5%。早強(qiáng)硅酸鹽水泥和黏土的主要成分見表1。

表1 早強(qiáng)硅酸鹽水泥和黏土主要成分

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)所用的攪拌機(jī)為手持式電動攪拌機(jī)，首先將原材料倒入攪拌桶混合4min，隨后向桶中倒入25℃左右的水，繼續(xù)攪拌4min，從而獲得了具有流動性質(zhì)的基材。在此基礎(chǔ)上，向桶中緩慢加入黏土，加入時間控制在5min左右，加入完成過后，繼續(xù)攪拌4min。攪拌中的復(fù)合早強(qiáng)硅酸鹽水泥如圖1所示。

圖1 復(fù)合早強(qiáng)硅酸鹽水泥攪拌圖

首先，在攪拌完成后，對復(fù)合早強(qiáng)硅酸鹽水泥的凝結(jié)時間和流動性進(jìn)行了測試；其次，為了研究水膠比對復(fù)合早強(qiáng)硅酸鹽水泥強(qiáng)度的影響，將攪拌好的不同水膠比復(fù)合早強(qiáng)硅酸鹽水泥澆筑到15cm×15cm×15cm模具中，澆筑完成12h后脫模，養(yǎng)護(hù)3d和28d后進(jìn)行3d和28d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。最后，對比研究了復(fù)合早強(qiáng)硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥在不同齡期下的抗壓強(qiáng)度和凝結(jié)強(qiáng)度隨時間的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 水膠比影響分析

復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥水膠比對其流動性和強(qiáng)度等影響較為顯著，為了得出最佳的水膠比，研究不同水膠比復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥試樣在3d和28d的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出，相同水膠比下，試樣在28d時的強(qiáng)度明顯高于在3d時的強(qiáng)度；在相同齡期下，試樣的強(qiáng)度隨著水膠比的增大而降低，且?guī)缀醭删€性的趨勢；隨著水膠比的增大，第28d較第3d的強(qiáng)度增長率有所下降。當(dāng)水膠比為0.18時，第3d和第28d的強(qiáng)度分別為53MPa和76MPa，即第3d時強(qiáng)度約為第28d時強(qiáng)度的70%；當(dāng)水膠比為0.39時，第3d和第28d的強(qiáng)度分別為31MPa和47MPa，即第3d時強(qiáng)度約為第28d時強(qiáng)度的65%。以上分析說明水灰比對早強(qiáng)硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度影響較為顯著。

圖2 不同水膠比及齡期的試樣抗壓強(qiáng)度曲線

2.2 凝結(jié)時間與流動性分析

復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥凝結(jié)時間與流動性對其注漿修補(bǔ)時的影響較大，因此研究了不同水膠比下復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥凝結(jié)時間與流動特性，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出，隨著水膠比的增大，水泥的流動性和凝結(jié)時間均明顯增大，且凝結(jié)時間能控制在20min以內(nèi)，根據(jù)以往的研究可知[10]，當(dāng)水膠比大于0.35時，普通硅酸鹽水泥的凝結(jié)時間在100min以上，流動性也在100mm左右。因此，與普通硅酸鹽水泥相比，復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥在具備更加良好的流動性條件時，還能具備快速凝結(jié)的優(yōu)勢，對于其在水利工程中進(jìn)行修補(bǔ)使用具有良好的保障。

圖3 不同水膠比的復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥凝結(jié)時間與流動性

2.3 齡期對強(qiáng)度影響分析

水泥材料的抗壓強(qiáng)度和凝結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)對其在水利工程中的應(yīng)用具有重要的參考價值，通過對比分析復(fù)合型早強(qiáng)硅酸鹽和普通硅酸鹽水泥的抗壓強(qiáng)度和凝結(jié)力，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

從圖4(a)中可以看出，在28d的齡期內(nèi)，2種水泥材料的抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增加逐漸增大，且均表現(xiàn)為前面齡期時強(qiáng)度增加快，后面表現(xiàn)很平穩(wěn)，幾乎不增長。但是復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度增長主要發(fā)生在前7d，而普通硅酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度增長主要發(fā)生在前22d，即復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥前期強(qiáng)度增長快，但是到達(dá)28d過后，兩者的強(qiáng)度相差很小，早期復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度較普通硅酸鹽水泥高35MPa左右，而到達(dá)28d后，兩者的抗壓強(qiáng)度只相差了5MPa左右，說明復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥較普通硅酸鹽水泥具有早強(qiáng)的特性。

圖4 2種水泥抗壓強(qiáng)度和凝結(jié)強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線

從圖4(b)中可以看出，在28d的齡期內(nèi)，2種水泥材料的凝結(jié)強(qiáng)度均隨著齡期的增加逐漸增大，與抗壓強(qiáng)度相似，復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥凝結(jié)強(qiáng)度增長主要發(fā)生在前10d，而普通硅酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度增長主要發(fā)生在前24d，即前者水泥材料凝結(jié)強(qiáng)度增長較快。在相同齡期下，復(fù)合型早強(qiáng)硅酸鹽水泥比普通的硅酸鹽水泥凝結(jié)強(qiáng)度更高，且前期兩者的凝結(jié)強(qiáng)度差距較大，后期有所降低，說明復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥更加適合作為修補(bǔ)材料使用。

綜合上述分析可知，水膠比對復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥的強(qiáng)度、流動性和凝結(jié)時間等均具有較大的影響，現(xiàn)場應(yīng)用時可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行水膠比的選??；對比分析復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥可知，復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥具有更優(yōu)異的流動性和凝結(jié)強(qiáng)度，且還具有速凝早強(qiáng)的特點(diǎn)，因此更加適合作為水利工程修補(bǔ)材料使用。

3 結(jié)論

通過對比分析復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥相關(guān)特性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出如下結(jié)論。

(1)水膠比對復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥的強(qiáng)度、流動性和凝結(jié)時間等均具有較大的影響，現(xiàn)場應(yīng)用時可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行水膠比的選取。

(2)對比分析復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥可知，復(fù)合早強(qiáng)型硅酸鹽水泥具有更優(yōu)異的流動性和凝結(jié)強(qiáng)度，且還具有速凝早強(qiáng)的特點(diǎn)，因此更加適合作為水利工程修補(bǔ)材料使用。