一種綠色復(fù)合漿液的配合比優(yōu)化試驗研究

江祖龍

(錦曦控股集團(tuán)有限公司，福建 福州 350001)

注漿技術(shù)在水利工程建設(shè)中具有十分廣泛的應(yīng)用，是提高地基承載力和防滲布置的重要技術(shù)手段[1]。水泥作為傳統(tǒng)的注漿手段，具有悠久的應(yīng)用歷史。但是，水泥單漿液的缺點也是十分突出的，主要表現(xiàn)為滲透性差、易沉淀析水和結(jié)石率低等，并成為限制其廣泛應(yīng)用的重要因素[2]。此外，水泥屬于高污染、高耗能產(chǎn)品，限制水泥的生產(chǎn)和使用并尋求替代材料已經(jīng)成為當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域的重要研究課題[3]。在注漿施工領(lǐng)域，主要是尋求性能相近的綠色注漿材料，最大限度減少水泥用量。在這方面，利用礦渣粉替代一部分水泥，可以降低注漿成本、減少環(huán)境影響[4]。黏土具有吸水膨脹的特性，有利于改善漿液的穩(wěn)定性和析水性，提高結(jié)石率[5]?；诖耍玫V渣粉和黏土替代部分水泥料，通過試驗研究的方法，確定漿液的最佳配合比，為相關(guān)的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料和儀器

此次試驗使用的水泥為南方水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積為342 m2/kg；初凝時間為175 min，終凝時間為235 min；28 d抗折強(qiáng)度為7.5 MPa，抗壓強(qiáng)度為44.5 MPa，可以用于本次試驗研究；使用的黏土為低液限黏土；使用的礦渣粉為本溪萬泉細(xì)礦粉有限公司出品的S95型礦渣粉；使用的礦渣粉活性劑為氫氧化鈉；試驗用水為普通自來水。

此次試驗所使用的儀器主要包括SKM-2型水泥砂漿攪拌機(jī)、電子天平、量筒、秒表、SYE-2000型抗壓強(qiáng)度試驗機(jī)、40 mm×40 mm×160 mm 三聯(lián)試模、SHBY-40B型數(shù)控水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱。

1.2 試驗方案設(shè)計

充分研究和分析了該領(lǐng)域的研究成果和實際工程經(jīng)驗，設(shè)計0.75∶1和1.00∶1兩種不同的水膠比；10%、20%、30%三種不同的礦渣粉摻量以及5%、10%、15%三種不同的黏土摻量，同時結(jié)合不同的養(yǎng)護(hù)時間，對每個不同的水膠比設(shè)計了13組不同的配合比，獲得如表1所示的試驗方案。通過試驗的方法分析復(fù)合漿液的黏度、流動性、結(jié)石率以及抗壓強(qiáng)度，通過試驗結(jié)果的比較和分析，最終獲取漿液的最佳配合比。

1.3 試驗方法

試驗中測試的是漿液的表觀黏度，測試儀器為漏斗黏度計，其計算依據(jù)為黏度計中流出500 mL 漿液所需要的時間[6]。在測試開始之前首先利用清水將其沖洗干凈，對每組漿液連續(xù)進(jìn)行兩次測試，將其均值作為最終測試結(jié)果。

流動性是判別注漿漿液屬性的重要指標(biāo)，如果流動性過差，則不能滿足施工需要；如果流動性過強(qiáng)，漿液擴(kuò)散半徑過大，則不利于經(jīng)濟(jì)性的提升[7]。流動性的測試儀器為玻璃板、截錐圓模以及刮刀。試驗步驟為：將截錐圓模置于玻璃板的中央，將漿液快速倒入截錐圓模，用刮刀刮掉多余漿液，在提起截錐圓模的同時利用秒表計時，在30 s之后測量漿液在兩個方向上的最大直徑，其均值即為漿液的流動度。

表1 試驗方案設(shè)計

結(jié)石率按照結(jié)石體積和漿液的體積之比計算[8]。測定方法為將拌制好的漿液倒入標(biāo)準(zhǔn)試模中，終凝后養(yǎng)護(hù)24 h拆模，然后測量試塊在各個不同位置的高度，將其均值除以試模高度，結(jié)果即為漿液的結(jié)實率。

將制作的漿液倒入標(biāo)準(zhǔn)試模中，在24 h之后拆模，然后將其按照標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)3 d、7 d和28 d，對達(dá)到設(shè)定齡期的數(shù)塊進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測試，將三塊試塊的均值作為最終試驗成果。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 黏度試驗結(jié)果與分析

利用上節(jié)的試驗方法對不同試驗方案下的黏度進(jìn)行計算，結(jié)果如表2所示。從表中的計算結(jié)果可知，漿液的水膠比為0.75∶1時，黏度值會隨著漿液的配合比的變化而產(chǎn)生較大的變化，而水膠比為1∶1時，變化相對比較穩(wěn)定。由此可見，漿液的水膠比和配合比均會影響到漿液的黏度，而水膠比的影響更為顯著。從具體的配合比來看，礦渣粉摻量為10%和20%時，黏土摻量小于10%時的漿液黏度增長比較緩慢，黏土摻量大于10%時增長比較迅速。當(dāng)?shù)V渣粉摻量為30%時，漿液的黏度隨著黏土摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。總之，當(dāng)水膠比為0.75∶1，礦渣粉摻量為10%，黏土摻量不超過10%時，復(fù)合漿液的黏度值與純漿液的黏度值比較接近。

表2 黏度試驗結(jié)果 s

2.2 流動性試驗結(jié)果與分析

利用上節(jié)的試驗方法對不同試驗方案下的流動度進(jìn)行計算，結(jié)果如表3所示。從表中的計算結(jié)果可知，水膠比為1.00∶1時的漿液流動度均大于水膠比為0.75∶1時的漿液流動度；黏土摻量較小時流動度的波動較小，但是隨著摻量的增加漿液流動度的增加幅度也較大；與純水泥漿液相比，礦渣粉摻量10%，黏土的摻量在5%以內(nèi)時，漿液的流動度較好。

表3 流動度試驗結(jié)果 mm

2.3 結(jié)石率試驗結(jié)果分析

利用上節(jié)的試驗方法對不同試驗方案下的結(jié)石率進(jìn)行計算，結(jié)果如表4所示。從表中的計算結(jié)果可知，漿液的水膠比對結(jié)石率存在十分顯著的影響，總體而言，漿液的水膠比越大，結(jié)石率就越低。當(dāng)水膠比為0.75∶1時，除了純漿液之外，復(fù)合漿液的結(jié)石率均在95%以上；當(dāng)水膠比為1.00∶1時，復(fù)合漿液的結(jié)石率在82%和96%之間。

表4 結(jié)石率試驗結(jié)果 %

2.4 抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

立體抗壓值是衡量注漿漿液效果的重要指標(biāo)，抗壓強(qiáng)度值越高，漿液的注漿效果越好。利用上節(jié)的試驗方法對不同試驗方案下的漿液結(jié)石體立體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行統(tǒng)計計算，結(jié)果如表5所示。從表中的計算結(jié)果可知，在水膠比為0.75∶1，黏土和礦渣粉的摻量均為10%的條件下，漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度值較大，與單漿液相比有顯著的提升；當(dāng)水膠比1.00∶1的情況下，各配合比的漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度值普遍較小。例如，28 d強(qiáng)度值有礦粉摻量為10%的條件下達(dá)到了12.077 MPa，隨著礦渣粉摻量的不斷增多，漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度值明顯降低；在黏土的摻量大于10%的情況下，各個齡期的強(qiáng)度值均呈現(xiàn)出明顯下降的趨勢?？傊?，過大的水膠比不利于漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度的提升。

表5 立體抗壓強(qiáng)度值試驗結(jié)果 MPa

續(xù)表5 MPa

3 結(jié) 論

(1)漿液的水膠比和配合比均會影響到漿液的黏度，而水膠比的影響更為顯著。

(2)漿液的流動度會隨著水膠比的增大而增大，與純水泥漿液相比，礦渣粉摻量10%，黏土的摻量在5%以內(nèi)時，漿液的流動度較好。

(3)當(dāng)水膠比為0.75∶1時，除了純漿液之外，復(fù)合漿液的結(jié)石率均在95%以上；當(dāng)水膠比為1.00∶1 時，復(fù)合漿液的結(jié)石率在82%和96%之間。

(4)在水膠比為0.75∶1，黏土和礦渣粉的摻量均為10%的條件下，漿液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度值較大，與單漿液相比有顯著的提升；當(dāng)水膠比1.00∶1 的情況下，各配合比的漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度值普遍較小。

(5)綜合上述研究成果，推薦水膠比為0.75∶1、礦渣粉摻量10%、黏土5%為最佳配合比方案。