水泥基注漿材料優(yōu)化配比性能試驗與分析

張 發(fā) 馬芹永

(1.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著地下工程的發(fā)展,由于地下資源開采深度的增加,在工程擾動作用下,地層裂隙水、微裂隙滲流效應(yīng)也急劇增大[1-2]。為填充空隙,需采用注漿技術(shù)及時充填處理,減小對土體的撓動,防止土體坍塌。

注漿材料之所以能起到堵水和加固的作用,主要是由于注漿材料在注漿過程中發(fā)生由液相到固相再轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)石體的結(jié)果[3-5],因此,注漿材料的選擇至關(guān)重要。普通的水泥注漿材料由于其粒徑大、黏度大,對于深部微裂隙巖體的治理效果不明顯。

相關(guān)學(xué)者在注漿材料性能方面展開了大量的研究。夏小亮等[6]研究了硅粉改性超細(xì)水泥漿液性能及耐久性試驗分析,試驗結(jié)果表明:隨著硅灰摻量的增加,水泥漿液的黏度不斷增大,結(jié)石率大幅度增大,結(jié)石體強(qiáng)度不斷增大。李云峰等[7]研究了偏高嶺土對水泥膠砂力學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)偏高嶺土的加入提高了結(jié)石體的強(qiáng)度,同時也降低了漿液的流動性。Nasr M S等[8]研究了硅灰水泥高置換對水泥砂漿性能的影響,結(jié)果表明,由于硅灰的摻入,養(yǎng)護(hù)7 d試件的抗壓強(qiáng)度提高了近83%。Lun Yunxia等[9]研究了硅灰對水泥砂漿力學(xué)性能和耐久性的影響,發(fā)現(xiàn)硅灰的摻入顯著提高了水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗硫酸鹽侵蝕性。Abdel Gawwad H A 等[10]研究了偏高嶺土和二氧化硅對水泥砂漿性能的影響,發(fā)現(xiàn)在水泥砂漿中雙摻偏高嶺土和二氧化硅可以增強(qiáng)砂漿在低齡期養(yǎng)護(hù)時的力學(xué)性能,并增強(qiáng)其微觀結(jié)構(gòu),提高了結(jié)石體的穩(wěn)定性。

本文通過正交試驗和極差分析法獲得試驗的優(yōu)化成果,對漿液物理性能和力學(xué)性能進(jìn)行研究[11]。試驗表明:抗壓強(qiáng)度與硅灰摻量的增加成正比,與水灰比成反比;隨著偏高嶺土摻量增加,抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。因此,選取水灰比為0.75,偏高嶺土為10%,硅灰為10%,聚羧酸減水劑為0.15%的漿液優(yōu)化配比進(jìn)行一系列的性能試驗與分析。

1 試 驗

1.1 試驗原料

水泥采用產(chǎn)自淮南市八公山水泥廠的P·O42.5普通硅酸鹽水泥,密度為3 100 kg/m3;硅灰為鞏義市恒諾濾料有限公司生產(chǎn),其基本參數(shù)和化學(xué)成分見表1;偏高嶺土為鞏義市萬盈環(huán)保材料有限公司生產(chǎn),其基本參數(shù)和化學(xué)成分見表2;減水劑采用上海鍇源化工科技有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效粉狀減水劑。

表1 硅灰基本參數(shù)和化學(xué)成分

表2 偏高嶺土基本參數(shù)和化學(xué)成分

1.2 試驗設(shè)計

為探究水灰比、硅灰、偏高嶺土對漿液結(jié)石率和漿液黏度等物理性能[12]以及對結(jié)石體三點抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度力學(xué)性能的影響,開展如表3所示的4因素4水平的正交試驗來進(jìn)行測試。將表3中的水灰比、硅灰、偏高嶺土、聚羧酸高效減水劑分別記為因素A、B、C、D。水灰比中,灰配方包含了硅酸鹽水泥、硅灰和偏高嶺土因素,水配方包含聚羧酸高效減水劑和普通的自來水因素。

表3 正交試驗因素水平表

1.3 試驗方法

按照GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗方法》的要求和《注漿技術(shù)規(guī)程》(YS/T5211—2018)中的規(guī)定,確定試樣的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。在實驗之前將所需的注漿材料稱重,依次加入水泥凈漿攪拌鍋內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢?將配制出的注漿材料漿液進(jìn)行漿液物理性能試驗,經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后對漿液結(jié)石體進(jìn)行力學(xué)性能試驗。

1.3.1 結(jié)石率試驗

把制備好的注漿材料漿液注入量筒中,至100 m L,并用保鮮膜進(jìn)行密封,待24 h后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,記錄量筒內(nèi)結(jié)石體的體積,其與水泥漿液體積100 m L 的比值,即為注漿材料漿液的結(jié)石率。

1.3.2 黏度試驗

漿液黏度用標(biāo)準(zhǔn)漏斗法測試。采用孔徑5 mm,長100 mm 的1006型泥漿粘度計。用一只手將漏斗保持直立狀態(tài),用食指按住漏斗下部的流出口。然后用另一只手拿起量筒量取500 m L+200 m L=700 m L 的漿液經(jīng)篩網(wǎng)(篩孔為每吋16孔)注入干凈并直立的漏斗中,并將手中的量筒500 m L端向上放置于漏斗流出口的下方。啟動秒表,同時把食指移開出口管口,使?jié){液流入量筒。當(dāng)漏斗下方量筒內(nèi)的漿液500 m L 時,停止計時并記錄此時時間(用時間長短來衡量漿液的黏度,此時單位為s),即為漿液黏度[13]。

1.3.3 三點抗折強(qiáng)度試驗

把配制的水泥漿液倒入40 mm×40 mm×160 mm 的標(biāo)準(zhǔn)模具中,放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)24 h后,將水泥凈漿試塊從模具中取出,放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護(hù)6 d,然后把試件放在40 mm×40 mm×160 mm 的抗折夾具中,在抗壓壓力機(jī)以0.5 mm/min加載速率下測得養(yǎng)護(hù)時間為7 d的三點抗折強(qiáng)度[14],如圖1所示。

圖1 三點抗折強(qiáng)度測試

1.3.4 抗壓強(qiáng)度試驗

把通過三點抗折強(qiáng)度試驗折斷的試塊放在40 mm×40 mm×40 mm 抗壓夾具內(nèi)(承壓面S=0.4 m×0.4 m=0.16 m2),用WAW-1000型萬能試驗機(jī)在1 mm/min加載速率下進(jìn)行抗壓試驗,得到不同水泥漿液配比下的抗壓強(qiáng)度[15],如圖2所示。

圖2 抗壓強(qiáng)度測試

2 試驗結(jié)果與分析

研究漿液結(jié)石率和黏度是為提高漿液在裂隙中填充的密實性和可灌入性。根據(jù)不同漿液配方下性能指標(biāo)測試的結(jié)果,取各組三個試件算術(shù)平均值,如表4 所示。通過極差分析法,得出水灰比、硅灰、偏高嶺土和聚羧酸減水劑對注漿材料物理性能和力學(xué)性能的影響。

表4 性能指標(biāo)測試結(jié)果

2.1 結(jié)石率和黏度結(jié)果分析

水泥基注漿材料的結(jié)石率可以代表漿液的穩(wěn)定性,結(jié)石率高表明漿液在裂隙中填充得是否密實,表5為漿液結(jié)石率極差分析。由表5可以看出,對漿液結(jié)石率,影響強(qiáng)度的高低依次為硅灰、偏高嶺土、水灰比和聚羧酸減水劑,僅從漿液結(jié)石率較優(yōu)配比為B4C4A1D1,即硅灰為10%、偏高嶺土為20%、水灰質(zhì)量比為0.60、聚羧酸減水劑為0.05%。

表5 漿液結(jié)石率的極差分析 %

由試驗結(jié)果可知,大部分漿液黏度范圍在23.32～90.0 s之間,變化的幅度較大。陳晨等[16]研究油頁巖原位開采區(qū)注漿封閉漿液優(yōu)化及其防滲效果,實驗表明,漿液黏度較大,灌入巖體裂隙需要消耗的能量也較大,漿液的擴(kuò)散距離較短;但是,當(dāng)漿液黏度較小時,對土層和巖石的黏聚力較小,不易形成結(jié)石體。由《注漿技術(shù)規(guī)程》(YS/T5211—2018)可知,可灌漿液通過1006 型泥漿粘度計的時間宜選在25～40 s之間,且在25～35 s之間最好。從試驗結(jié)果來看,只有C-1、C-2、D-1、D-2、D-3、D-4組符合要求。

表6對漿液黏度進(jìn)行了極差分析。極差分析結(jié)果表明,對漿液黏度因素,影響強(qiáng)度的高低依次為水灰比、硅灰、偏高嶺土、聚羧酸減水劑,僅從漿液黏度考慮,較優(yōu)配比是A4B1C4D4,即水灰比為0.75、硅灰為4%,偏高嶺土為20%、聚羧酸減水劑為0.20%。

表6 漿液黏度的極差分析 %

不同材料摻量對結(jié)石率和黏度的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著水灰比的增加,結(jié)石率呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢,當(dāng)水灰比在0.65%～0.70%之間,結(jié)石率急速下降,這可能是由于自由水的增加,水泥顆粒下沉,自由水與水泥顆粒分離,漿液不易結(jié)成塊體,導(dǎo)致結(jié)石率下降,黏度也不斷減小。當(dāng)硅灰的摻量增加時,結(jié)石率和黏度都隨之增大,呈正相關(guān)性,這是因為硅灰具有干燥性,減少漿液中自由水的含量,使?jié){液變稠,黏度增大,結(jié)石率提高。由于偏高嶺土更易分散到漿液,使?jié){液結(jié)構(gòu)更加緊密,從而結(jié)石率逐漸增大。當(dāng)偏高嶺土為15%～20%時,漿液黏度急劇下降。張培森等[17]進(jìn)行的高強(qiáng)度低黏度注漿配比試驗研究表明,這可能是由于偏高嶺土增加,其保水潤滑作用顯著,使?jié){液黏度降低。但是,隨著聚羧酸減水劑的增加,結(jié)石率減小,這是因為減水劑具有電解質(zhì)的性質(zhì),釋放漿液中部分自由水,當(dāng)減水劑不斷增加時,漿液的穩(wěn)定性變差,結(jié)石率隨之減小。而黏度出現(xiàn)先減小后增大,這主要是由于聚羧酸減水劑中的R—COO—與Ca2+離子作用形成絡(luò)合物,降低溶液中的Ca2+離子濃度,延緩Ca(OH)2形成結(jié)晶,減少C—S—H 凝膠的形成,—COOH、—OH 和—NH2等與水親和力強(qiáng)的極性分子通過吸附、分散、潤滑等表面活性作用,提高了水泥顆粒的分散性和流動性,大大降低了漿液的黏度。

圖3 不同材料摻量對結(jié)石率和黏度的影響

2.2 三點抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

由試驗結(jié)果可知,在不同試驗條件下,結(jié)石體7 d三點抗折強(qiáng)度介于2.41 MPa和3.33 MPa之間。7 d三點抗折強(qiáng)度的極差分析結(jié)果見表7。由極差分析結(jié)果表明,僅從7 d結(jié)石體三點抗折強(qiáng)度考慮,較優(yōu)配比為B4D3A1C4,即硅灰為10%、聚羧酸減水劑為0.15%、水灰比為0.60、偏高嶺土為20%。

表7 7 d三點抗折強(qiáng)度的極差分析 MPa

由試驗結(jié)果可知,在不同試驗條件下,7 d結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度介于12.83 MPa和20.30 MPa之間。張培森等[17]進(jìn)行的高強(qiáng)度低黏度注漿配比試驗研究表明,7 d最小強(qiáng)度12.83 MPa已經(jīng)滿足規(guī)范和實際工程要求,因此,對7 d結(jié)石體抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析如表8所示,僅從7 d抗壓強(qiáng)度考慮其較優(yōu)配比為A1C2D3B4,即水灰比為0.60、偏高嶺土為10%、聚羧酸減水劑為0.15%、硅灰為10%。

表8 7 d抗壓強(qiáng)度的極差分析 %

圖4為不同材料摻量對7 d三點抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響。由圖4可知,隨著水灰比的增加,漿液結(jié)石體三點抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度逐漸減小。當(dāng)硅灰從4%增加到10%時,三點抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均勻性增加,這是因為水泥發(fā)生水化反應(yīng)生成的Ca(OH)2和硅灰中的SiO2迅速接觸,生成水泥水化膠合體,從而使注漿材料結(jié)石體抗折和抗壓強(qiáng)度增大[18]。隨著偏高嶺土的增加,三點抗折強(qiáng)度逐漸增大;而抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢,并且為摻量10%～15%時降低幅度很明顯。喬春雨等[19]對較大偏高嶺土摻量下水泥基材料的水化和性能研究表明,這主要是因為偏高嶺土摻量增加,導(dǎo)致影響強(qiáng)度主要因素——水泥含量減少,最終導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。隨著聚羧酸減水劑的增加,結(jié)石體壓折強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢,這可能是由于當(dāng)聚羧酸減水劑較低時,電解作用釋放結(jié)石體內(nèi)自由水,進(jìn)而增加漿液的流動性,促進(jìn)水泥水化反應(yīng);但當(dāng)減水劑摻量增加至0.15%時,自由水過多,反而使結(jié)石體的壓折強(qiáng)度降低。

圖4 不同材料摻量對7 d三點抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響

2.3 注漿材料漿液優(yōu)化配方綜合分析

根據(jù)上述不同性能指標(biāo)的分析結(jié)果和主次因素,優(yōu)化注漿材料漿液的各個摻合料的配比,得到最終較優(yōu)配比。在綜合分析中以黏度為主要指標(biāo);抗壓強(qiáng)度作為次要指標(biāo),因為7 d的注漿結(jié)石體抗壓強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了工程要求;以結(jié)石率和抗折強(qiáng)度為較次要指標(biāo)。

因素A(水灰比):極差分析結(jié)果表明,A 作為主要考慮指標(biāo),黏度是決定漿液能否灌入微細(xì)裂縫的主要因素。經(jīng)分析可知,當(dāng)漿液通過1006型泥漿粘度計測量的時間為25～35 s時,水灰比A4符合要求,故選取水灰比為A4,即0.75。因素B(硅灰):硅灰的加入明顯提高了漿液結(jié)石體的結(jié)石率。硅灰摻量B4的結(jié)石率達(dá)到了99.5%,故選取硅灰為B4,即10%。極差分析結(jié)果表明,B作為較次要考慮指標(biāo)。因素C(偏高嶺土):偏高嶺土的加入使?jié){液結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增后減的趨勢。而注漿工程中要求28 d的漿液結(jié)石體強(qiáng)度大于17 MPa[20],偏高嶺土摻量C2符合要求,故選取偏高嶺土為C2,即10%。極差分析結(jié)果表明,C作為次要考慮指標(biāo)。因素D(減水劑):極差分析結(jié)果表明,D 作為較次要考慮指標(biāo),抗壓抗折強(qiáng)度隨著減水劑摻量的增加呈現(xiàn)出先增后減的趨勢。故減水劑摻量D3符合要求,故選取減水劑為D3,即0.15%。

通過不同指標(biāo)綜合分析,選取漿液優(yōu)化配比為A4C2B4D3,即水灰比為0.75,偏高嶺土為10%,硅灰為10%,聚羧酸減水劑為0.15%。優(yōu)化漿液的性能測試結(jié)果如表9所示。

表9 優(yōu)化漿液性能測試結(jié)果

3 結(jié)論

(1)在雙摻硅灰和偏高嶺土?xí)r,隨著摻量的增加,7 d的三點抗折強(qiáng)度出現(xiàn)增長。在偏高嶺土為10%時,7 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到17.17 MPa,但是繼續(xù)增大偏高嶺土的摻量時會使抗壓強(qiáng)度降低。

(2)隨著聚羧酸減水劑摻量的增加,注漿材料結(jié)石體的7 d抗壓折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增后減的趨勢,在摻量為0.15%時達(dá)到了試驗中最優(yōu)的漿液配比。

(3)基于正交試驗和極差分析法,以漿液的黏度、結(jié)石率、抗壓折強(qiáng)度為優(yōu)化指標(biāo),獲得了注漿材料的優(yōu)化配比,其中水灰比為0.75,偏高嶺土為10%,硅灰為10%,聚羧酸減水劑為0.15%。

(4)優(yōu)化配比的注漿材料漿液性能:結(jié)石率為99%,黏度為34.72 s,28 d的抗壓強(qiáng)度為25.9 MPa、抗折強(qiáng)度為4.67 MPa,滿足實際工程上可灌入性好、抗壓強(qiáng)度高、結(jié)石率高的要求。