外加劑對(duì)可控水泥漿工作性能的影響

潘衛(wèi)東，陳大江

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

普通水泥注漿材料是目前使用最多的注漿材料。普通水泥注漿是將一定比例的水泥和水混合，抗壓抗剪強(qiáng)度較高，而且材料豐富，價(jià)格低廉，但是存在泌水率過高和凝結(jié)時(shí)間過長(zhǎng)的問題，而加入速凝劑、保水劑、緩凝劑和減水劑等外加劑能夠有效改善這些問題。但多種外加劑混合時(shí)，外加劑之間的相容性問題目前研究較少，即不同外加劑之間會(huì)產(chǎn)生怎樣的相互影響，對(duì)于外加劑的效果會(huì)加強(qiáng)或是減弱目前研究不多。由于外加劑種類較多，全面試驗(yàn)則試驗(yàn)次數(shù)過多，而正交試驗(yàn)法適用于多因素試驗(yàn)，試驗(yàn)次數(shù)少，效率高?；诖?，該文在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇合適外加劑及其因素水平，采用正交試驗(yàn)方法對(duì)可控水泥漿進(jìn)行試驗(yàn)。得到適宜水泥漿凝膠時(shí)間、泌水率小和流動(dòng)性較好的可控水泥漿。

1 試驗(yàn)原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

(1)水泥：采用普通硅酸鹽水泥P.O.42.5級(jí)，其性能滿足現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范要求。

(2)保水劑：超細(xì)的無機(jī)粉體。

(3)速凝劑：采用分析純PPP，含量大于99.8%。

(4)減水劑：采用聚羧酸減水劑，固含量10%。

(5)緩凝劑：采用PN，含量大于99.8%。

(6)水：自來水。

1.2 試驗(yàn)方法

(1)擴(kuò)展度

按照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中截錐流動(dòng)度試驗(yàn)方法檢測(cè)可控水泥漿的擴(kuò)展度。

(2)泌水率

按照TB/T 3192—2008《鐵路后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道壓漿技術(shù)條件》中自由泌水試驗(yàn)方法檢測(cè)可控水泥漿泌水率。

(3)凝膠時(shí)間

參照文獻(xiàn)[1]中凝膠時(shí)間試驗(yàn)方法檢測(cè)可控水泥漿的凝膠時(shí)間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)采用L32(45)正交水平表進(jìn)行可控水泥漿試驗(yàn)，速凝劑摻量(a)、保水劑摻量(b)、緩凝劑摻量(c)和減水劑摻量(d)作為試驗(yàn)的4個(gè)因素，因素水平見表1。

采用0.8∶1和1∶1兩個(gè)水灰比進(jìn)行試驗(yàn)，水灰比為0.8∶1的可控水泥漿試驗(yàn)結(jié)果見表2，試驗(yàn)結(jié)果的正交分析見表3。水灰比為1∶1的可控水泥漿試驗(yàn)結(jié)果見表4，試驗(yàn)結(jié)果的正交分析見表5。

表1 試驗(yàn)因素水平表

由表3、5可以得到以下規(guī)律：

(1)擴(kuò)展度。水灰比為0.8∶1時(shí)，緩凝劑對(duì)20 min的水泥漿擴(kuò)展度有顯著影響，而水灰比為1∶1時(shí)，緩凝劑對(duì)10、20和30 min的水泥漿擴(kuò)展度都有著顯著影響。隨著緩凝劑摻量的增加，水泥漿在10、20和30 min的擴(kuò)展度都逐漸增大。水泥的主要成分為C3A和C3S，C3A在開始時(shí)水化速率較快，以后的反應(yīng)較慢，而C3S剛好相反，開始時(shí)水化速率較慢，但以后會(huì)很快。在水泥水化過程中，加入緩凝劑，會(huì)降低水泥漿溶液的表面張力，使得水泥顆粒與水顆粒的接觸點(diǎn)變多，加快了C3A的初期水化，生成了Aft。但是生成的Aft會(huì)覆蓋在未水化的水泥表面，阻礙水泥的進(jìn)一步水化。而且緩凝劑中羥基和羧基的存在也會(huì)減緩C3S的水化速率和抑制CH結(jié)晶的析出，進(jìn)一步降低水化的速率，所以，在水泥水化剛開始時(shí)，緩凝劑對(duì)于水泥水化速率的影響并不明顯，但隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，C3S水化反應(yīng)加快，緩凝劑對(duì)水化反應(yīng)的影響會(huì)變大，所以隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，緩凝劑對(duì)于水泥漿擴(kuò)展度的影響越來越顯著。但是在水灰比為0.8∶1時(shí)，30 min的擴(kuò)展度并不明顯，這是因?yàn)榇藭r(shí)16個(gè)配方的水泥漿都基本不流動(dòng)了，相互之間的區(qū)別用擴(kuò)展度無法體現(xiàn)。

表2 可控水泥漿試驗(yàn)結(jié)果(水灰比0.8∶1)

表3 試驗(yàn)結(jié)果的方差分析(水灰比0.8∶1)

表4 可控水泥漿試驗(yàn)結(jié)果(水灰比1∶1)

表5 試驗(yàn)結(jié)果的方差分析(水灰比1∶1)

(2)泌水率。無論是水灰比為0.8∶1還是水灰比為1∶1，保水劑對(duì)水泥漿的泌水率都有很顯著的影響，隨著保水劑摻量的增大，泌水率降低。因?yàn)楸Ｋ畡┑念w粒粒徑非常小，通常只有0.1～0.3 μm，比表面積非常大，當(dāng)摻入保水劑時(shí)，雖然會(huì)置換出一部分填充水，但需要大量的吸附水包裹顆粒，置換出來的填充水要小于需要的吸附水，因此隨著保水劑摻量的增加，水泥漿泌水率降低。同樣，無論是水灰比為0.8∶1還是水灰比為1∶1，緩凝劑對(duì)于水泥漿的泌水率有非常顯著的影響，隨著緩凝劑摻量的增加，泌水率逐步增大，這是因?yàn)樗喑跗趯?duì)水化反應(yīng)的抑制，使游離水增多，讓泌水率增大。

(3)凝膠時(shí)間。無論是水灰比為0.8∶1還是水灰比為1∶1，緩凝劑對(duì)于水泥漿的凝膠時(shí)間都有非常顯著的影響，隨著緩凝劑摻量的增加，凝膠時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)，這是因?yàn)榫從齽┲械聂然谒嗨a(chǎn)物的堿性介質(zhì)中與游離Ca2+反應(yīng)，生成不穩(wěn)定的絡(luò)合物，在水泥水化過程中會(huì)抑制Ca2+的濃度，同時(shí)OH-容易與水分子通過氫鍵締合，在水泥表面形成穩(wěn)定的溶劑化水膜，進(jìn)一步阻止了水化反應(yīng)的進(jìn)行，延長(zhǎng)水泥凝膠時(shí)間。而水泥初期對(duì)水化反應(yīng)的抑制，使游離水增多，導(dǎo)致泌水率增大。

(4)減水劑對(duì)于擴(kuò)展度、泌水率和凝膠時(shí)間都沒有明顯的影響。減水劑主要影響水泥漿擴(kuò)展度，但在正交分析中并沒有體現(xiàn)，可能是由于所選聚羧酸減水劑受到了緩凝劑的復(fù)合影響，所用緩凝劑能夠顯著提高聚羧酸減水劑的分散性和分散保持性。或未考慮到添加劑之間的相互影響，或者該試驗(yàn)設(shè)計(jì)范圍不夠?qū)挘倌齽┖蜏p水劑對(duì)水泥漿工作性能并無明顯影響。

保水劑對(duì)于水泥漿性能的影響主要是通過顆粒粒徑，它是物理方面的作用，因此和其他添加劑之間不會(huì)產(chǎn)生相互影響。而速凝劑對(duì)于水泥漿的性能影響主要是通過消耗水泥中起緩凝作用的石膏，來加快水化反應(yīng)的進(jìn)行，而石膏的作用是在水泥顆粒的表面形成保護(hù)膜來阻止水化反應(yīng)的進(jìn)行，因此緩凝劑的摻入會(huì)降低速凝劑的作用效果。而減水劑的作用機(jī)理和緩凝劑類似，加入減水劑之后，憎水基團(tuán)會(huì)指向水泥顆粒，親水基團(tuán)會(huì)指向水分子，這樣水泥顆粒會(huì)被減水劑包裹，由于親水基團(tuán)都指向外，在同性相斥之下，絮狀結(jié)構(gòu)分離開，絮狀結(jié)構(gòu)所包圍的游離水被釋放，這樣導(dǎo)致了水泥漿的擴(kuò)展度增大，與緩凝劑作用機(jī)理相類似，會(huì)增強(qiáng)緩凝劑的作用，但在此次試驗(yàn)中表現(xiàn)并不明顯，可能是所選減水劑的固體含量過低，減水劑的摻量不夠?qū)е碌摹?/p>

從正交試驗(yàn)結(jié)果來看，可以在32組試驗(yàn)中找到滿足要求的外加劑添加配方，即能夠控制凝膠時(shí)間(10～20、20～30和30～60 min 3個(gè)范圍)內(nèi)泌水率較低(低于5%)和具有較好流動(dòng)性能的可控水泥漿。

因減水劑對(duì)試驗(yàn)各指標(biāo)并沒有顯著影響，因此最后的配方中并沒有添加減水劑，而根據(jù)水泥漿凝膠時(shí)間來選擇緩凝劑摻量，水泥漿泌水率來選擇保水劑摻量，且為了在實(shí)際工程中使用方便，各個(gè)配方中的速凝劑和保水劑摻量一樣。

3 結(jié)論

(1)緩凝劑對(duì)水泥漿前期擴(kuò)展度的影響不明顯，對(duì)于水泥漿后期的擴(kuò)展度有很顯著的影響，隨著緩凝劑摻量的增大，擴(kuò)展度增大。

(2)保水劑和緩凝劑對(duì)水泥漿的泌水率都有很顯著的影響，隨著保水劑摻量的增大，泌水率降低。隨著緩凝劑摻量的增加，泌水率增大。

(3)緩凝劑對(duì)于水泥漿的凝膠時(shí)間有非常顯著的影響，隨著緩凝劑摻量的增加，凝膠時(shí)間也會(huì)延長(zhǎng)。

(4)速凝劑和減水劑對(duì)水泥漿擴(kuò)展度、泌水率和凝膠時(shí)間并無顯著影響。