陳利強(qiáng) 盧建華 章贏 崔冬冬
摘要:開展膨潤土水泥穩(wěn)定漿液配比及性能,可為穩(wěn)定漿液灌漿在堤壩粗粒土控制灌漿防滲工程中應(yīng)用打下基礎(chǔ)。通過室內(nèi)試驗(yàn),對比研究水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰、減水劑對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液性能的影響,重點(diǎn)對漿液流動(dòng)度、結(jié)石抗壓強(qiáng)度及彈性模量、凝結(jié)時(shí)間、抗沖刷等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)成果表明:水膠比和膨潤土摻量是影響穩(wěn)定漿液性能的核心因素,高效減水劑對穩(wěn)定漿液流動(dòng)度及凝結(jié)時(shí)間影響顯著,粉煤灰可降低穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度及彈性模量;膨潤土摻量≥60%、水膠比≤0.60的穩(wěn)定漿液抗沖性能較好;水膠比0.60~0.75,膨潤土摻量(占水泥比重)0.5~1.0,粉煤灰摻量(占膨潤土比重)0.7~1.0時(shí),可形成低強(qiáng)度、低彈模、低滲透性的膨潤土水泥穩(wěn)定漿液,試驗(yàn)研究成果可供粗粒土控制灌漿工程參考。
關(guān)鍵詞:膨潤土水泥穩(wěn)定漿液;室內(nèi)試驗(yàn);膏狀漿液;粗粒土控制灌漿
中圖法分類號(hào):TV543文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADOI:10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.009
文章編號(hào):1006 - 0081(2021)03 - 0055 - 06
1 研究背景
礫石土、砂卵石、殘坡積碎石土和風(fēng)化巖石碴統(tǒng)稱為粗粒土。粗粒土因分布廣泛,價(jià)格經(jīng)濟(jì),在我國已建的眾多土石堤壩中常作為填筑材料。粗粒土具有顆粒間膠結(jié)性差、滲透性強(qiáng),且滲透孔隙分布不均等特征[1],粗粒土堤壩出現(xiàn)滲漏問題后,往往采取開挖后澆筑混凝土防滲墻或采用多排孔水泥漿灌漿進(jìn)行防滲處理[2],但因防滲墻施工工期長、工藝復(fù)雜、造價(jià)高,多排孔水泥漿可灌性和可控性差、漿體變形能力差、造價(jià)高等而未在堤壩工程中廣泛應(yīng)用。
隨著灌漿技術(shù)的發(fā)展,工程中往往通過在純水泥漿液中摻加一定量的穩(wěn)定劑(膨潤土或黏土),改善漿液性能。采用穩(wěn)定漿液灌漿在大孔隙結(jié)構(gòu)(巖溶空洞、強(qiáng)透水層、堆石體、漂卵石層)中形成防滲體已在在國內(nèi)外工程中應(yīng)用廣泛[3-6],但在堤壩粗粒土中進(jìn)行控制灌漿防滲的工程較少,主要是漿液的可控性較差、漿體的強(qiáng)度及彈性模量較大,無法適應(yīng)粗粒土壩體不均勻沉降,難以保證防滲體防滲效果及耐久性。
黏土水泥漿液析水率低、可控性好[7]且價(jià)格經(jīng)濟(jì),成為大壩防滲體系中的重要材料。經(jīng)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),膨潤土摻量和水膠比是影響膨潤土水泥漿液性能的核心因素,且這兩個(gè)因素在工程應(yīng)用和試驗(yàn)研究中取值范圍廣,取決于工程經(jīng)驗(yàn)等[8-13]。目前,針對黏土水泥漿液的理論研究相對較少,國內(nèi)尚無明確的固定配比可查。通過一系列室內(nèi)試驗(yàn),對比分析了不同水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰及減水劑等對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液(含膏狀漿液)的穩(wěn)定性、可灌性、漿液結(jié)石體的滲透性、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等性能的影響,通過調(diào)整漿液配比,形成低強(qiáng)度(結(jié)石抗壓強(qiáng)度不大于5 MPa)、低彈模(不大于2 GPa)、低滲透性(不大于1×10-6? cm/s)的膨潤土水泥穩(wěn)定漿液,使?jié){液可較好地適應(yīng)粗粒土控制灌漿柔性防護(hù)技術(shù),試驗(yàn)研究成果可為今后指導(dǎo)相關(guān)病害處理提供依據(jù)和參考。
2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法
2.1 試驗(yàn)材料
試驗(yàn)材料主要為膨潤土、水泥、粉煤灰、減水劑,品牌依次采用商業(yè)納基膨潤土、華新水泥(昆明東川)有限公司生產(chǎn)的“堡壘”牌P·LH42.5低熱硅酸鹽水泥、宣威發(fā)電粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰、江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA型聚羧酸高性能減水劑。膨潤土基本特性見表1,水泥化學(xué)成分見表2。
2.2 試驗(yàn)內(nèi)容
對每組漿液試驗(yàn)檢測指標(biāo)如下:
(1)漿液性質(zhì)。漿液密度、析水率、漏斗粘度、流動(dòng)參數(shù)(抗剪屈服強(qiáng)度和塑性粘度)、凝結(jié)時(shí)間(初凝、終凝)等。
(2)漿液膠結(jié)性能。結(jié)石容重、彈性模量(28 d)、抗壓強(qiáng)度(28 d)、滲透系數(shù)(28 d)、抗?jié)B等級(28 d)等。
2.3 漿液配比
漿材試驗(yàn)采用普通水泥漿液、穩(wěn)定漿液(膏狀漿液)。為研究灌漿材料對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液性能的影響,各類型漿液配合比及組數(shù)如下:
(1)普通水泥漿液。水/水泥=2∶1~0.5∶1。
(2)穩(wěn)定漿液(膏狀漿液)。水/(水泥+膨潤土+粉煤灰)=1~0.5;水泥/膨潤土=1~5;外加劑調(diào)制不小于2~4組。
2.4漿液性能檢測方法
試驗(yàn)過程包括拌漿和試驗(yàn),各試驗(yàn)內(nèi)容嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行操作,這里僅介紹流動(dòng)度的測量。試驗(yàn)借鑒水泥凈漿流動(dòng)度測試方法,輔助表征灌漿漿材流動(dòng)性。流動(dòng)度以截錐圓模內(nèi)靜漿在水平玻璃板上擴(kuò)展的平均直徑表示。
實(shí)驗(yàn)步驟:①將玻璃板放在水平位置上,用濕布摩擦玻璃板、截錐圓模,使其表面濕而不帶水,將截錐圓模放在玻璃板的中央,并用濕布覆蓋以備用。②將拌制好的漿材迅速注入截錐圓模內(nèi),用刮刀刮平,將截錐圓模按照垂直方向提起,同時(shí)開啟秒表計(jì)時(shí),泥漿在玻璃板上自由流動(dòng),至少30 s,用直尺量取流淌部分互相垂直的兩個(gè)方向的最大直徑,取平均值作為泥漿流動(dòng)度。
3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 純水泥漿液性能研究
在不同水灰比情況下,純水泥漿液性質(zhì)及結(jié)石性能試驗(yàn)結(jié)果見表3,不同水膠比對漿液析水率及結(jié)石彈性模量影響結(jié)果見圖1。
水灰比小于0.80時(shí),對普通水泥漿液的漏斗黏度、屈服強(qiáng)度、塑性黏度等流變性能影響顯著;水灰比大于1.20后,對流變性能的影響非常微弱。隨著水灰比的增大,純水泥漿液的析水率基本呈線性增加,漿液結(jié)石彈性模量、抗壓強(qiáng)度逐漸減小,凝結(jié)時(shí)間逐漸變長;水灰比超過一定值(0.80)后,滲透系數(shù)急劇增大,抗?jié)B性能急劇下降。
依據(jù)純水泥漿液性能研究成果,膨潤土水泥穩(wěn)定漿液水膠比應(yīng)小于0.80。
3.2 穩(wěn)定漿液性能試驗(yàn)參數(shù)及極差分析
膨潤土水泥穩(wěn)定漿液性能試驗(yàn)參數(shù)及極差分析成果詳見表4~5。試驗(yàn)時(shí)在表4配合比基礎(chǔ)上,膨潤土摻量60%時(shí),增加了水膠比0.51,0.58,0.60,066和0.70的漿液性能試驗(yàn)研究,摻入粉煤灰和減水劑時(shí),摻量占水泥重量百分比分別為60%和1.44%。以上數(shù)據(jù)信息詳見圖2~5。
3.3 膨潤土水泥穩(wěn)定漿液流動(dòng)度的影響分析
流動(dòng)度是膨潤土水泥穩(wěn)定漿液在施工時(shí)需考慮的一項(xiàng)重要性能,漿體流動(dòng)性直接影響現(xiàn)場灌注時(shí)可灌性,故需要研究不同變量對流動(dòng)度的影響。圖2為不同水膠比、膨潤土摻量(與水泥質(zhì)量百分比)以及摻和不摻減水劑情況下漿液的流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果。
試驗(yàn)結(jié)果顯示,水膠比在0.50~0.70,膨潤土摻量(與水泥質(zhì)量百分比)在20%~60%,考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下,膨潤土水泥穩(wěn)定漿液流動(dòng)度為70~220 mm,流動(dòng)度可調(diào)整的區(qū)間較大,可較好適應(yīng)粗粒土灌漿要求。
由表5和圖2分析可知,水膠比、膨潤土摻量、高效減水劑對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液流動(dòng)度有較大影響,是否摻入粉煤灰對流動(dòng)度影響不明顯。膨潤土水泥穩(wěn)定漿液流動(dòng)度隨水膠比的增大而增大,各級膨潤土摻量下流動(dòng)度增長速度無明顯變化。穩(wěn)定漿液流動(dòng)度隨膨潤土的摻量增大而減小,水膠比較大時(shí),流動(dòng)度降低速度稍有增加。摻入高效減水劑后,流動(dòng)度有較大提高。與純水泥漿液對比,由于穩(wěn)定漿液采用的水膠比相對較小,沒有出現(xiàn)超過某一水膠比值后流變性能急劇變化的現(xiàn)象。水膠比、膨潤土摻量、高效減水劑對流動(dòng)度影響的R值依次為64.80,45.46,23.17,可見流動(dòng)度與水膠比及膨潤土摻量關(guān)系密切,在調(diào)節(jié)穩(wěn)定漿液流動(dòng)度時(shí),應(yīng)優(yōu)先調(diào)整水膠比和膨潤土摻量,同時(shí)可考慮是否摻入減水劑。
3.4 膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度的影響分析
試驗(yàn)結(jié)果顯示,水膠比在0.50~0.70,膨潤土摻量在20%~60%,考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下,膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度為6~25 MPa,透水率均小于1×10-6 cm/s,抗?jié)B性能可滿足工程防滲要求,粗粒土控制灌漿柔性防護(hù)工程中為適應(yīng)土體的不均勻變形,往往要求結(jié)石強(qiáng)度不宜太高。不同水膠比、膨潤土摻量及粉煤灰下結(jié)石抗壓強(qiáng)度變化曲線見圖3。
變化曲線
由表5和圖3分析可知,水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度有較大影響,是否摻入高效減水劑對結(jié)石抗壓強(qiáng)度影響不明顯。結(jié)石抗壓強(qiáng)度隨水膠比增大而減小,膨潤土摻量較大時(shí),降低速度有所降低。結(jié)石抗壓強(qiáng)度隨膨潤土摻量的增大而減小,水膠比較大時(shí),降低速度較小。摻入適量粉煤灰后,結(jié)石抗壓強(qiáng)度有較大降低。水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對結(jié)石抗壓強(qiáng)度影響的R值依次為7.60,4.03,3.85,可見結(jié)石抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系最為密切,其次為膨潤土摻量和粉煤灰。在調(diào)整結(jié)石抗壓強(qiáng)度時(shí),應(yīng)優(yōu)先調(diào)整水膠比和膨潤土摻量,同時(shí)可考慮是否摻入粉煤灰。
3.5 膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石彈性模量的影響分析
試驗(yàn)結(jié)果顯示,水膠比在0.50~0.70,膨潤土摻量在20%~60%,考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下,膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度為2~10 GPa,粗粒土控制灌漿柔性防護(hù)工程中為適應(yīng)土體的不均勻變形,往往要求結(jié)石彈性模量不宜太高。不同水膠比、膨潤土摻量及粉煤灰下結(jié)石彈性模量變化曲線見圖4。
由表5和圖4分析可知,水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石彈性模量有較大影響,是否摻入高效減水劑對結(jié)石彈性模量影響不明顯。結(jié)石彈性模量隨水膠比增大而減小,各級膨潤土摻量下結(jié)石彈性模量降低速度無明顯變化。結(jié)石彈性模量隨膨潤土摻量的增大而減小,各級水膠比下結(jié)石彈性模量降低速度無明顯變化。摻入適量粉煤灰后,結(jié)石彈性模量有較大降低。水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對結(jié)石抗壓強(qiáng)度影響的R值依次為2.82,2.23,1.55,可見結(jié)石彈性模量與水膠比、膨潤土摻量和粉煤灰關(guān)系密切。在調(diào)整結(jié)石彈性模量時(shí),應(yīng)優(yōu)先調(diào)整水膠比和膨潤土摻量,同時(shí)可考慮是否摻入粉煤灰。
3.6 膨潤土水泥穩(wěn)定漿凝結(jié)時(shí)間的影響分析
凝結(jié)時(shí)間的長短影響注漿半徑[14]的大小,當(dāng)需要擴(kuò)大擴(kuò)散半徑或注漿半徑時(shí),需要延長漿液的凝結(jié)時(shí)間讓其充分流動(dòng),當(dāng)存在地下水時(shí),則需要有效縮短凝結(jié)時(shí)間,使?jié){液能夠在短時(shí)間內(nèi)速凝以防被沖走,以保證注漿效果。不同水膠比、膨潤土摻量及減水劑下漿液凝結(jié)時(shí)間(初凝)變化曲線見圖5。
試驗(yàn)結(jié)果顯示,水膠比在0.50~0.70,膨潤土摻量在20%~60%,考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下,膨潤土水泥穩(wěn)定漿液初凝時(shí)間為12~21 h,終凝時(shí)間為16~26 h,凝結(jié)時(shí)間可根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。
由表5和圖5分析可知,水膠比、膨潤土摻量、減水劑對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液凝結(jié)時(shí)間有較大影響,是否摻入粉煤灰對漿液凝結(jié)時(shí)間影響較小。高效減水劑對穩(wěn)定漿液凝結(jié)時(shí)間有顯著影響,摻入高效減水劑可有效降低漿液凝結(jié)時(shí)間。漿液凝結(jié)時(shí)間隨水膠比增大而延長,膨潤土摻量較大時(shí),凝結(jié)時(shí)間延長速度相對較小。漿液凝結(jié)時(shí)間隨膨潤土摻量的增大而延長,水膠比較大時(shí),凝結(jié)時(shí)間延長速度相對較小。水膠比、膨潤土摻量、減水劑對漿液凝結(jié)時(shí)間影響的R值依次為1.60,1.91,6.08,可見漿液凝結(jié)時(shí)間主要受減水劑影響,其次受膨潤土摻量及水膠比的影響。在調(diào)整穩(wěn)定漿液凝結(jié)時(shí)間時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮是否摻入高效減水劑,同時(shí)可調(diào)整水膠比和膨潤土摻量。
3.7 膨潤土水泥穩(wěn)定抗水流沖刷研究
為了保證灌漿漿材在施工過程中不被流水沖走,通常要求穩(wěn)定漿液具有一定的抗水流沖刷性能。膨潤土水泥穩(wěn)定漿液抗水流沖刷試驗(yàn)設(shè)計(jì)成果見表6。
穩(wěn)定漿液在流速1.0 m/s水流沖刷前后效果見圖6。由表6及圖6可見,水流流速越大,沖刷后的剩余漿材越少。實(shí)際灌漿工程中,遇灌漿部位水流流速較大時(shí),宜選用膨潤土摻量(與水泥質(zhì)量百分比)≥60%、水膠比≤0.60的穩(wěn)定漿液。
3.8 低強(qiáng)度低彈模膨潤土水泥漿液配比研究
為了保證粗粒土控制灌漿效果,適應(yīng)粗粒土壩體不均勻沉降,要求漿液可控性好,漿體的強(qiáng)度及彈性模量不宜太高,在大量試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整漿液配比,形成低強(qiáng)度(結(jié)石抗壓強(qiáng)度不大于5 MPa)、低彈模(不大于2 GPa)、低滲透性(不大于1×10-6? cm/s)的膨潤土水泥穩(wěn)定漿液,推薦穩(wěn)定漿液配合比、漿液性質(zhì)及結(jié)石性能試驗(yàn)結(jié)果見表7。
因膨潤土和粉煤灰自身強(qiáng)度和彈模相對較低,在同等水膠比條件下還可減少水泥用量,故摻入適量膨潤土和粉煤灰較好的調(diào)節(jié)結(jié)石抗壓強(qiáng)度;同時(shí)膨潤土具有增稠、減小析水率的作用,可提高穩(wěn)定漿液可控性。減水劑對穩(wěn)定漿液的流變性能影響顯著,添加減水劑可大大提高漿液的流動(dòng)性,改善漿液的可灌性。故推薦膨潤土水泥穩(wěn)定漿液需摻入粉煤灰和高效減水劑,水膠比為0.60~0.75,膨潤土/水泥=0.5~1.0,粉煤灰/膨潤土=0.7~1.0,試驗(yàn)研究成果可供工程參考。
4結(jié) 論
對比研究了水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰、減水劑對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液性能的影響,重點(diǎn)對漿液流動(dòng)度、結(jié)石抗壓強(qiáng)度及彈性模量、凝結(jié)時(shí)間、抗沖刷等進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得出如下結(jié)論:
(1)工程中應(yīng)優(yōu)先調(diào)整水膠比和膨潤土摻量,以調(diào)節(jié)穩(wěn)定漿液流動(dòng)度、結(jié)石抗壓強(qiáng)度及彈性模量、凝結(jié)時(shí)間;高效減水劑對穩(wěn)定漿液流動(dòng)度及凝結(jié)時(shí)間影響顯著,因穩(wěn)定漿液較稠,通??紤]摻減水劑;粉煤灰可降低穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度及彈性模量。
(2)遇灌漿部位水流流速較大時(shí)(>0.5 m/s),宜選用膨潤土摻量(與水泥質(zhì)量比)≥60%、水膠比≤0.60的穩(wěn)定漿液。
(3)形成低強(qiáng)度(結(jié)石抗壓強(qiáng)度不大于5 MPa)、低彈模(不大于2 GPa)、低滲透性(不大于1×10-6
cm/s)的膨潤土水泥穩(wěn)定漿液,推薦膨潤土水泥穩(wěn)定漿液摻入粉煤灰和高效減水劑,水膠比在0.60~0.75,膨潤土/水泥=0.5~1.0,粉煤灰/膨潤土=0.7~1.0,試驗(yàn)研究成果可供工程參考。
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(編輯:唐湘茜)