(超)細水泥在壓濾作用下的漿液性能研究

黃立維，王克祥，黃紀村，邢占清

(1.中國水利水電科學研究院， 北京 100038； 2. 北京中水科工程集團有限公司， 北京 100040；3.中國三峽建設(shè)管理有限公司， 北京 100038；)

灌漿作為一種比較成熟的施工技術(shù)，在各工程領(lǐng)域中均得到了廣泛的應用。灌漿材料的流動性能和結(jié)石體抗壓強度是灌漿設(shè)計中漿液水灰比、漿液級配、屏漿時間等施工參數(shù)選擇的重要依據(jù)，也是評價灌后被灌體力學性能、耐久性等灌漿效果的重要因素。灌漿材料按材料性質(zhì)可分為化學灌漿材料，如：丙凝、環(huán)氧樹脂、丙烯酸鹽等，和顆粒型灌漿材料，如：水泥、黏土、水泥黏土等?；瘜W漿材多為溶液性材料，具有黏度低，凝結(jié)時間易精確控制，不受顆粒尺寸影響等優(yōu)點，但化學漿材或多或少都存在一定的毒性，易引起環(huán)境污染，其耐久性也未明確肯定，費用昂貴。水泥漿液是最為常用的顆粒型灌漿材料，有強度高、耐久性好、無毒無味，來源方便、價格低廉等優(yōu)點，得到了廣泛應用，但普硅水泥粒徑較大，最大粒徑可達90 μm以上，不能有效灌入細微孔(裂)隙中，難以滿足某些工程的灌注要求。更細顆粒的(超)細水泥得到了發(fā)展應用，其是以普通水泥或水泥熟料為原材料，用專有粉磨設(shè)備制備的、粒徑小于一定尺寸的細水泥，通常把最大粒徑<32 μm、平均粒徑6 μm～8 μm的水泥定義為細水泥，把最大粒徑小于12 μm、平均粒徑3 μm～6 μm的水泥定義為超細水泥[1]。

Arenzana等[2]、Tax等[3]、Shondeep等[4]和王玲等[5]對(超)細水泥顆粒細化后的流變性、穩(wěn)定性、凝結(jié)時間、漿體硬化強度、彈性模量和變形系數(shù)及強度等物理力學性能也進行了大量的研究；Noske[6]、Borchardt[7]、Pantazopoulos等[8]和于秀文等[9]、馬志登等[10]研究了(超)細水泥在國內(nèi)外大壩的帷幕灌漿、油井封堵、路面裂縫的修補、地下工程、礦山等工程的應用情況，均取得了良好的防滲加固效果。這些研究主要直接通過室內(nèi)漿材試驗的方法測試(超)細水泥漿液在標準養(yǎng)護條件下的流動性能和抗壓強度，而在實際灌漿過程中，當(超)細水泥漿液在擴散路徑上停止流動時，或者漿液懸浮顆粒粒徑大于受灌體的孔隙時，在灌漿壓力的作用下(超)細漿液會發(fā)生析水，即為壓濾效應，壓濾效應貫穿了整個灌漿過程，在已有研究中均沒有涉及到(超)細水泥漿液在灌漿過程中的壓濾機理和其影響因素，也沒有考慮灌漿過程中漿液凝聚體中水分和孔隙結(jié)構(gòu)在高灌漿壓力下的變化規(guī)律。本文擬通過研究不同壓濾條件下(超)細水泥漿液的流動性能的變化規(guī)律和結(jié)石強度增長特性以及相應硬化結(jié)石體的結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建(超)細水泥漿液的壓濾作用計算模型，試驗和計算分析水泥漿液在高灌漿壓力作用下的漿液流動性和抗壓強度，為灌漿工程(超)細水泥漿液配比優(yōu)選、灌漿參數(shù)確定和定量評價灌漿效果提供依據(jù)。

1 漿液壓濾室內(nèi)試驗

(1) 材料。本文選取的灌漿原材料，包括某品牌的普通硅酸鹽水泥P.O52.5和某廠家直接在水泥廠用超細粉磨設(shè)備生產(chǎn)的灌漿專用超細水泥，將0.5∶1.0的普通硅酸鹽水泥漿液通過長科院研制的GSM型濕磨機研磨2min后制成濕磨細水泥，然后添加3%～5%的高效減水劑UNF-5高速攪拌形成各種水灰比的(超)細水泥漿液，均為典型的賓漢姆型流體特性。

濕磨細水泥和干磨超細水泥的顆粒細度采用激光粒度分析儀測試(分散劑選用無水乙醇)，結(jié)果如表1所示。

表1 (超)細水泥顆粒粒度及強度性能指標

(2) 試驗裝置及方法。利用直徑為30 cm、高度為25 cm的鋼管加工制作成加壓倉，鋼管的一端設(shè)置鋼絲網(wǎng)和高強透水閉漿布模擬漿液在壓力作用下的排水固結(jié)情況，管內(nèi)預先置入成型試模，再倒入拌制好的漿液，另一端采用高彈材料分隔加壓水和漿液進行灌漿過程的壓濾效應試驗。裝置和壓濾使用過程示意圖見圖1。

圖1 試驗裝置示意圖和加壓倉實圖

將澆筑好的試模放入試驗裝置中，密封后進行不同壓力、不同時間的壓濾試驗，結(jié)束后進行流動性測試和標準養(yǎng)護28 d后進行抗壓強度測試。(超)細水泥漿液的配合比及其基本參數(shù)如表2所示。

表2 (超)細水泥漿液的配合比及其基本參數(shù)

(3) 試驗成果。選取了不同水灰比的(超)細水泥漿液進行了不同壓力和不同時間的流動性測試(采用馬氏漏斗，測試漿液的流動時間)，試驗結(jié)果如表3所示。

表3顯示了水灰比對(超)細水泥漿液漏斗黏度的影響，當漿液水灰比減小(3.0∶1.0變化到0.7∶1.0)時，馬氏漏斗黏度(時間)逐步升高，變化相對較快，說明漿液的流動性越來越差。超細水泥和細水泥均有類似的規(guī)律，且細水泥在相同水灰比時，比超細水泥的馬氏漏斗黏度小，流動性相對較好。

表3 不同壓力、不同時間(超)細水泥漿液馬氏漏斗黏度表

表3還顯示了(超)細水泥漿液在不同壓力不同時間的壓濾作用下，其馬氏漏斗黏度(時間)隨著壓力增加和壓濾時間變長也將逐步增大，漿液的流動性逐步變差，說明在壓濾作用下，漿液中的自由水以及部分孔隙水逐步析水。且在高灌漿壓力或長壓濾時間時，漿液中的水分析出速度也將加快，馬氏漏斗黏度也快速增加，漿液的流動性快速變差，直至漿液出現(xiàn)滴流、不流現(xiàn)象，完全喪失流動性。超細水泥和細水泥均有類似的規(guī)律，超細水泥的馬氏漏斗黏度受壓濾作用的影響相對較大。

同時選取了不同水灰比的(超)細水泥漿液進行了不同壓力和不同時間抗壓強度測試(受試樣限制，僅選取有限的壓力和時間進行試驗)，試驗結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 細水泥壓濾試驗的抗壓強度

圖3 超細水泥壓濾試驗的抗壓強度

從圖2、圖3中可以看出，不同水灰比的(超)細水泥漿液在經(jīng)過灌漿壓力和長時間的壓濾作用后，(超)細水泥結(jié)石體28 d強度均有不同程度的增長，而且表現(xiàn)出壓濾時間越長，灌漿壓力越大，其結(jié)石體28 d強度越高的規(guī)律，遠遠超過了常規(guī)壓力和標準養(yǎng)護下的28 d抗壓強度，而且隨著壓濾壓力的增大和時間的延長，在高壓濾作用下，不同水灰比的結(jié)石體28 d強度數(shù)值相差并不大，主要原因在于結(jié)石體強度主要與結(jié)石體的孔隙率(包含其中的水分)有關(guān)，經(jīng)高壓濾作用后漿液剩下的含水率大致相同，即使是3∶1高水灰比(超)細水泥漿液也能經(jīng)高壓濾作用后達到很高的結(jié)石體強度。超細水泥和細水泥均有類似的規(guī)律，細水泥受壓濾作用后抗壓強度增加幅度相對更大。

2 漿液壓濾計算強度

(1) (超)細水泥結(jié)石體結(jié)構(gòu)模型。水化后(超)細水泥結(jié)石體可以看作固-液-氣三相多孔體系，主要由水化凝聚體、空隙中含有的水分和空氣組成，可建立(超)細水泥結(jié)石體孔結(jié)構(gòu)模型如圖4所示[11]。

圖4 (超)細水泥硬化漿體的結(jié)構(gòu)模型

在水化反應過程中，空隙中的空氣將大部分排出，可以忽略不計?？障吨械乃挚梢苑譃椋鹤杂伤?、蒸發(fā)水和不可蒸發(fā)水。其中，自由水在灌漿壓力和重力作用下將很快析出同時伴隨著漿液中顆粒的沉淀。蒸發(fā)水主要時空隙中留存的水分，在灌漿壓力作用下將隨時間逐步析出，同時其占據(jù)的空間將被壓縮。不可蒸發(fā)水可能的最大值是(超)細水泥顆粒質(zhì)量的固定值，與(超)細水泥顆粒的細度、水化程度等有關(guān)。

(2) (超)細水泥漿液的固結(jié)強度。(超)細水泥由于細度較常規(guī)水泥小，活性較強，其漿液流動性比水泥漿液差，多采用0.7∶1.0及以上的水灰比進行灌注以滿足漿液流動性的要求。在灌漿過程開始后，隨著漿液擴散半徑的增加，灌漿壓力將沿著擴散路徑逐步減小。相應的，(超)細水泥漿液的擴散速度降低，除與地層接觸部分存在少量的析水可認為漿液的水灰比沒有發(fā)生大的變化，但當擴散速度降到某一臨界值時，或者漿液擴散到某一開度較小以至于(超)細水泥顆粒不能通過時，(超)細水泥顆粒將在重力和流動阻力的作用下開始沉淀，同時顆粒團聚在一起，在水化的同時產(chǎn)生固結(jié)析水，水泥凝聚體顆粒之間的骨架被不斷壓縮，導致顆粒間的孔隙水被逐步排出，直至達到穩(wěn)定的過程。根據(jù)符平等的研究，經(jīng)過灌漿壓力和一段壓濾時間作用后，空隙孔所析出的水總量為[12]：

(1)

其中：q為空隙內(nèi)析出的水量；r為空隙孔的半徑，在固結(jié)排水過程中將逐步變??；J為空隙孔中的壓力梯度；η為水的黏滯系數(shù)。t為壓濾時間；N為計算斷面上的空隙孔的數(shù)量。

根據(jù)Power的研究成果，可認為(超)細水泥與普通硅酸鹽水泥一樣，其結(jié)石體的28 d抗壓強度R與結(jié)石體的膠空比X存在如下的公式：

R=R0Xn

(2)

(3)

式中：R0為孔隙率為0時(即X=1)的結(jié)石強度；X為膠空比；n為試驗常數(shù)，與(超)細水泥種類以及試驗條件有關(guān)，波動于2.6～3.0之間。

(3) 結(jié)石強度計算。根據(jù)(超)細水泥漿液的固結(jié)、排水機理和強度理論，編制了(超)細水泥結(jié)石體的抗壓強度計算程序，結(jié)合漿液常規(guī)抗壓強度數(shù)值，對上述試驗中的漿液壓濾效應進行了模擬計算，獲得了不同水灰比漿液在不同灌漿壓力和不同壓濾時間作用下，其結(jié)石體28 d抗壓強度的結(jié)果，與試驗結(jié)果對比如圖5—圖8所示。

圖5 (超)細水泥漿液3.0∶1.0(上圖)和

圖6 (超)細水泥漿液1.0∶1.0(上圖)和

圖7 (超)細水泥漿液3.0∶1.0(上圖)和

圖8 (超)細水泥漿液1.0∶1.0(上圖)和

根據(jù)公式(1)可以得出，(超)細水泥漿液的強度R與灌漿壓力P的大小和時間t的乘積有關(guān)，因此可以得出以下的函數(shù)關(guān)系：

R=f(P·t)=f(C)

(4)

式中：P·t為壓濾強度C，則(超)細水泥漿體的強度與壓濾強度C的關(guān)系如圖9所示。

圖9 不同水灰比漿液的計算抗壓強度與壓濾強度關(guān)系

通過對圖5—圖9分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 不同水灰比(超)細水泥漿液的計算強度的變化趨勢基本一致，同試驗強度的數(shù)值差別不大(最大誤差<10%)，說明通過本文建立的(超)細水泥結(jié)石體計算模型所計算出的28 d強度基本能反映漿液的抗壓強度，采用上述的計算模型和方法能近似對壓濾試驗的漿液抗壓強度進行計算分析。試驗強度的數(shù)值存在一定的不規(guī)則性和離散程度更大，主要原因是漿液的抗壓強度室內(nèi)測試本身由于試樣制作、養(yǎng)護、測試等原因存在固有偏差，根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范規(guī)定，同一批試樣抗壓強度誤差不得超過15%。

(2) 在雙對數(shù)圖中，不同水灰比(超)細水泥漿液的計算強度曲線近似平行直線，直線表明如果壓濾壓力對數(shù)和壓濾時間對數(shù)變化幅度相同，那么(超)細水泥結(jié)石體的計算強度的變化幅度也相同，曲線平行說明對應不同的計算強度變化階段，壓濾壓力對數(shù)和壓濾時間對數(shù)所對應的變化幅度比例都保持不變。

不同水灰比的(超)細水泥漿液結(jié)石體的計算強度與壓濾壓力和壓濾時間表現(xiàn)出正相關(guān)的關(guān)系，在不同的壓濾作用下，其強度均有不同程度的提高，而且隨著壓濾作用強度的提高(即較高的壓力和較長的時間)，其計算強度也相應的提高，但提高的速度越來越低，最終在經(jīng)過高灌漿壓力和長時間壓濾作用后，各水灰比的漿液結(jié)石體均達到了很高的計算強度，而且計算強度的數(shù)值相差不大。

(3) 在壓濾強度對數(shù)圖中，不同水灰比漿液結(jié)石體的計算強度與壓濾強度對數(shù)表現(xiàn)為線性關(guān)系，說明壓濾強度對數(shù)變化時，結(jié)石體的計算強度也相應的等比例變化。由于壓濾強度是灌漿壓力和作用時間的乘積，說明增大灌漿壓力對數(shù)和延長壓濾時間對數(shù)均可以提高相同的結(jié)石體的計算強度，而且其作用一樣，因此在實際灌漿過程中，灌漿壓力對數(shù)和時間對數(shù)的效果是一樣的。在計算模型的構(gòu)建過程中，假設(shè)了空隙孔的半徑隨著空隙水的排水同比例、均勻的變小，實際上當計算強度較高時(即空隙孔的半徑較小時)，空隙孔的半徑變化表現(xiàn)出更強烈的非線性和變化幅度越來越小，造成計算過程存在一定的誤差，因此在計算模型中假定了計算抗壓強度不會一直增長，而將接近R0，同時也表明當壓濾強度很大時，對漿液結(jié)石體的計算強度影響也將越來越小。

(4) 室內(nèi)壓濾試驗和理論計算的28 d強度變化規(guī)律都表明，經(jīng)過壓濾作用后，不同水灰比(超)細水泥漿液的28 d抗壓強度都遠遠超過其常規(guī)室內(nèi)試驗和標準養(yǎng)護條件下的抗壓強度，而且在較高的壓濾強度作用的28 d抗壓強度差別不大，說明經(jīng)過較高壓濾強度作用后，即使較高的水灰比漿液也能達到很高的28 d抗壓強度，而與漿液水灰比關(guān)系不大，因此在實際灌漿過程中，采用較稀的水灰比灌注也能取得較高的漿液結(jié)石體強度。但值得注意的是，在實際灌漿過程中，雖然灌漿壓力有可能達到5 MPa以上，在漿液擴散過程中卻不可能存在106以上的壓力梯度和良好的排水條件，因此在漿液擴散過程中，不會出現(xiàn)(超)細水泥漿液在高壓力梯度下的快速排水、凝結(jié)的現(xiàn)象，其結(jié)石體強度也會小于其壓濾試驗的抗壓強度，而高于其常規(guī)試驗的抗壓強度，其具體數(shù)值可以通過計算漿液擴散過程中的壓力分布和排水過程分析獲得。

3 結(jié) 論

(1) 在不同壓力不同時間的壓濾作用下，(超)細水泥漿液馬氏漏斗粘度(時間)隨著壓力增加和壓濾時間延長也將逐步增大，漿液的流動性逐步變差。

(2) 不同水灰比的(超)細水泥漿液在經(jīng)過灌漿壓力和長時間的壓濾作用后，結(jié)石體28 d強度均有不同程度的增長，而且表現(xiàn)出壓濾時間越長，灌漿壓力越大，其結(jié)石體28 d強度越高的規(guī)律，遠遠超過了常規(guī)壓力和標準養(yǎng)護下的28 d抗壓強度。，在高壓濾作用下，隨著壓濾壓力的增大和時間的延長不同水灰比的結(jié)石體28 d強度數(shù)值相差不大。因此較大的水灰比漿液也能達到較高的28 d抗壓強度。

(3) 不同水灰比(超)細水泥漿液的28 d抗壓強度與漿液所承受的壓濾強度對數(shù)大致成線性比例關(guān)系，增大灌漿壓力和延長壓濾時間均可以提高結(jié)石體抗壓強度，且兩者對抗壓強度的提高效果一樣。

(4) 在實際灌漿過程中，不會存在類似試驗模擬條件下高的壓力梯度和良好的排水條件，(超)細水泥漿液結(jié)石體28 d抗壓強度將小于壓濾試驗的抗壓強度，而高于其常規(guī)試驗的抗壓強度。