膨潤土膨化前后對水泥基凈漿漿液穩(wěn)定性影響分析

舒計(jì)城, 馬曉斌, 孫旭濤, 林志宇, 王士民

(1. 中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司,江蘇南京 211800;2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031)

0 引言

盾構(gòu)法由于具有對周圍環(huán)境影響小、對復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng)、施工安全快速等特點(diǎn),已成為大量城市地鐵、越江或跨海水下隧道修建的首選施工方法。同步注漿作為填充盾尾間隙、穩(wěn)固地層的重要工藝,注漿過程中所需的漿液需有較好的穩(wěn)定性以及較好的流動(dòng)性等。

然而,在近年來盾構(gòu)隧道穿越地層日趨復(fù)雜,常常會(huì)遇到諸如高滲透性地層、富水巖溶環(huán)境、以及裂隙發(fā)育的富水巖質(zhì)地層等富水環(huán)境。在這種特殊的地層環(huán)境下,盾尾間隙被地下水充填,極易造成同步注漿作業(yè)時(shí)因漿液被地下水稀釋而引起注漿圈長時(shí)間不膠凝的問題,更有甚者會(huì)出現(xiàn)注漿體隨地下水流散、膠凝材料被地下水稀釋流失等嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn),這將給盾構(gòu)隧道整體結(jié)構(gòu)帶來很大的安全隱患。因此,針對同步注漿漿液在富水地層條件下離析、膠凝材料流失、膠凝體不密實(shí)等抗水分散性能問題,需對現(xiàn)有的同步注漿漿液性能進(jìn)行提升,在保證原有漿液流動(dòng)性、穩(wěn)定性、膠凝時(shí)間、后期強(qiáng)度等性能前提下,提高其抗水分散性,以期獲得一種工作性能優(yōu)良、成本低廉的水抗水分散同步注漿漿液。

膨潤土作為一種國內(nèi)外配制砂漿液普遍采用的添加材料,通過吸水膨脹可形成絮凝物,提高漿液粘度,從而起到穩(wěn)定漿液的作用,但目前針對膨潤土對水泥漿液穩(wěn)定性方面的研究較少。水泥漿液穩(wěn)定性可通過析水性直觀描述,相關(guān)試驗(yàn)表明膨潤土能降低水泥漿液析水性,提高其穩(wěn)定性[1]。朱艷等[2-4]采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法研究膨潤土對水泥砂漿的作用機(jī)理,試驗(yàn)結(jié)果表明:加入膨潤土的砂漿粘滯性更大,穩(wěn)定性更好。費(fèi)子豪等[5-7]改變膨潤土的摻量分析膨水比對水泥漿液析水率與流動(dòng)度的影響,結(jié)果表明:隨著膨潤土摻量的增大,漿液流動(dòng)度及析水率都有顯著降低。

相比于膨化后膨潤土,未膨化的膨潤土由于與水接觸的時(shí)間短,其溶水膨脹性未能得到充分發(fā)揮,使得膨化前后膨潤土分別與膠凝材料作用機(jī)理存在一定差異,對水泥漿液穩(wěn)定性影響也不同。有鑒于此,采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法,系統(tǒng)分析膨化前后膨潤土對漿液穩(wěn)定性的影響規(guī)律,為今后注漿工程制備穩(wěn)定漿液提供參考。

1 膨潤土作用機(jī)理

膨潤土在改善漿液穩(wěn)定性、保水性、抗分散性等方面具有良好的效果。膨潤土的主要成分是蒙脫石和少量堿及堿土金屬的含水鋁硅酸鹽礦物(Nax(H2O)4{(Al2-xMg0.33)[ Si4O10](OH)2})[3]。蒙脫石顆粒溶于水后,由于顆粒的不規(guī)則性和顆粒晶體表面存在多種電荷,使得顆粒在水中產(chǎn)生較大的吸附力[2-3]。同時(shí),膨潤土溶于水后能夠吸水膨脹形成大量絮狀物,并相互搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使得大量自由水裝換為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)束縛水,增加溶液體系的粘性[9]。在吸附力及膨潤土顆粒自身粘結(jié)性作用下,膠凝材料顆粒能夠被吸附形成膨潤土顆粒表面包裹層。在膨潤土的溶水膨脹性、離子交換性、粘結(jié)性、吸附性一系列作用下,漿液體具有很強(qiáng)粘滯性,其穩(wěn)定性也得到整體提升[3]。

其中,膨潤土的吸水膨脹性與膨潤土的吸水率以及蒙脫石顆粒含量、比表面積有關(guān)。膨潤土吸水率隨著膨潤土吸水時(shí)間而降低,在到達(dá)平衡含水量以后,其吸水率幾乎為零[9]。膨潤土中蒙脫石顆粒含量決定可交換的離子濃度,蒙脫石含量越高,晶層中離子濃度越高,其離子交換速率越快,膨潤土的水合平衡也就越快;同時(shí),蒙脫石的比表面積越大,離子交換量越多,膨潤土吸水膨脹速率也越快[10-12]。因此,膨潤土含量一定情況下,吸水膨脹時(shí)間是膨潤土膨化程度的決定性因素,對膨潤土的性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)及后續(xù)試驗(yàn)中所使用基本材料:

(1)水泥。本試驗(yàn)采用標(biāo)號為P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥,廠方為燕新控股集團(tuán)。

(2)膨潤土。膨潤土細(xì)度200目,水分10%,膨脹倍數(shù)10 ml/g。

2.2 試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程中,固定漿液水灰比為3∶1,改變膨化前后膨潤土的膨水比,設(shè)計(jì)8組實(shí)驗(yàn)組。具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 膨化前后膨潤土試驗(yàn)配比

膨潤土膨化方法:將膨潤土加入蒸餾水中制成懸浮液,采用漿液攪拌機(jī)以2 000 r/min攪拌懸浮液5 min,靜置24 h后使膨潤土完全膨化。

2.3 評價(jià)指標(biāo)及測試方法

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),膨潤土對漿液穩(wěn)定性的影響主要通過泌水率和粘度2個(gè)指標(biāo)來表明。

2.3.1 泌水率

漿液泌水率反映的是漿液中水與膠凝材料之間分離特性,宏觀上反映為漿液的保水性能,泌水率越大,越容易出現(xiàn)砂粒下沉、砂與漿體分離等情況,進(jìn)而引發(fā)堵管問題。因此泌水率是同步注漿漿液穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中泌水率試驗(yàn)參照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》進(jìn)行,測定方法:

將拌和均勻的水泥漿液緩慢注入1 000 ml的量筒內(nèi),當(dāng)漿液液面位于900 ml±10 ml時(shí)停止注入,并用塑料薄膜覆蓋量筒口,以免漿液中的水分蒸發(fā)。然后將裝有漿液的量筒置于水平、無振動(dòng)的桌面上靜置,并記錄開始靜置的時(shí)間。待靜置起30 min后,每隔5 min觀測一次離析水高度h1,以及漿液漿體膨脹面高度h2,直至h2高度不再變化,然后按照式(1)計(jì)算泌水率:

泌水率(%)=(h1-h2)/h1×100%

(1)

泌水率取3個(gè)試樣測值的平均值,泌水率的測試如圖1所示。

圖1 泌水率的測定

2.3.2 粘度

粘度也可以稱為黏度,是指流體對流動(dòng)所表現(xiàn)的阻力。本次泥漿粘度測試使用1006型泥漿粘度計(jì)對膨潤土漿液進(jìn)行泥漿粘度測試(應(yīng)用于工程中的漿液粘度應(yīng)小于100 s),如圖2所示,對每個(gè)濃度泥漿進(jìn)行3次測試,具體測定方法:

圖2 粘度的測定

(1)測定粘度之前,泥漿粘度計(jì)用水沖洗干凈,泥漿攪拌1 min,量杯將500 ml及200 ml(共計(jì)700 ml)的泥漿通過篩網(wǎng)注入粘度計(jì),其流出口用手指堵住不使流出。

(2)測量時(shí)將500 ml的量杯置于流出口下方,當(dāng)放開堵住出口的手指時(shí),同時(shí)開動(dòng)秒表,泥漿流滿500 ml量杯所需的時(shí)間即為泥漿的粘度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 漿液泌水率

膨化前后膨潤土-水泥漿液拌合均勻1 h后,泌水率試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 膨化前后膨潤土對漿液泌水率影響試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知,膨化前后膨潤土對漿液泌水率影響趨勢相同,膨化后膨潤土對降低漿液泌水率效果略好。隨著膨水比的增大,漿液泌水率都逐漸減小;膨水比由2%提升至4%時(shí),漿液泌水率減小較為顯著,在膨水比達(dá)到4%以后,漿液泌水率減小幅度逐漸降低。

為了進(jìn)一步探究膨化前后膨潤土對漿液泌水率的影響規(guī)律,依照式(1)計(jì)算漿液泌水率,計(jì)算結(jié)果曲線如圖4所示。

圖4 膨化前后膨潤土對漿液泌水率影響曲線

相比于未膨化膨潤土,膨化后的膨潤土吸水膨脹倍數(shù)更大,使得更多的自由水轉(zhuǎn)化換為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)束縛水,溶液體系的粘性更強(qiáng),因此相同膨水比條件下經(jīng)24 h膨化后的膨潤土水泥漿液泌水率更小,如圖4所示。當(dāng)膨水比為4%時(shí),相比未膨化膨潤土,膨化后膨潤土水泥漿液30 min、1 h泌水率分別減少4%和4%。但膨水比介于6%～8%時(shí),未經(jīng)膨化和膨化后膨潤土水泥漿液的泌水率相差不大,尤其是當(dāng)膨水比為8%時(shí),2種狀態(tài)下膨潤土水泥漿液泌水率均未超過1%。

3.2 漿液粘度

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,不同膨水比條件下,膨化前后膨潤土-水泥漿液粘度試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖5所示。

圖5 膨化前后膨潤土對漿液粘度影響曲線

分析圖5可知,膨化后膨潤土懸浮液相比未膨化膨潤土懸浮液的粘度增大,最大增大幅度為6.2%。隨著膨水比增大,2種狀態(tài)膨潤土懸浮液粘度都呈逐漸增大的趨勢,但增大幅度都較小。當(dāng)膨水比為8%時(shí),2種狀態(tài)下膨潤土懸浮液粘度分別相對膨水比為2%時(shí)提升4.2%和5.3%。

當(dāng)加入水泥以后,膨潤土中的蒙脫石顆粒能對水泥顆粒產(chǎn)生較大的吸附力,同時(shí)又由于膨潤土懸浮液具有較大的粘性,膨潤土顆粒吸附在水泥顆粒表面形成包裹層,使?jié){液具有很強(qiáng)的粘滯性。隨著膨水比的增大,漿液體的粘滯性提升效果較顯著,當(dāng)膨水比為8%時(shí),未膨化膨潤土水泥漿液相比未膨化膨潤土懸浮液粘度提升28.6%。同時(shí),膨化后膨潤土水泥漿液相對未膨化膨潤土水泥漿液粘度提升也較大,當(dāng)膨水比為6%時(shí),漿液粘度提升12.2%。

4 結(jié)論

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同膨水比下膨化前后膨潤土對漿液穩(wěn)定性影響,得出幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)膨化后膨潤土水泥漿液泌水率性能優(yōu)于未膨化膨潤土,但效果有限,當(dāng)膨水比為8%時(shí),2種狀態(tài)下膨潤土水泥漿液泌水率均未超過1%。

(2)膨化后膨潤土水泥漿液粘度相比未膨化膨潤土提升較大,隨著膨水比的增大,膨化后膨潤土水泥漿液粘度提升更顯著。

(3)在不膨化條件下通過增加膨潤土摻量液可達(dá)到膨化后相同的效果,又考慮到膨化后漿液流動(dòng)性更小,且需要占用大量膨化場地,建議實(shí)際工程中膨潤土不膨化使用。