膨润土的性质及其对水泥浆溶液的影响

史建峰

20世纪80年代初日本首次研制出超细水泥浆材的湿式工法(WMC工法),此后许多国家相继以超细水泥作为灌浆材料,在此基础上我国于1987年研制成功了湿磨细水泥浆的灌浆技术;但是,因超细水泥成本高,每吨成本价都在2 000元以上,因此,限制了超细水泥在工程中的应用。90年代初,新的灌浆技术法开始在工程中应用,该法主要是通过添加膨润土来生产稳定浆液,目前国内外配制稳定灌浆液普遍采用膨润土作稳定剂。因此,文章介绍了膨润土的性质并着重研究了膨润土对水泥浆溶液的影响,以便为今后配制稳定浆液提供参考。

1 膨润土的性质、用途及作用机理

1.1 膨润土的性质

膨润土是一种以蒙脱石为主要矿物成分的黏土岩,颜色为白色、浅黄色。膨润土具有较强的吸湿性和膨胀性,可吸附8倍～15倍于自身体积的水量,体积膨胀可达数倍至30倍,在水介质中能分散成胶凝状和悬浮状,这种介质具有一定的粘滞能变性和润滑性,有较强的阳离子交换能力,对各种气体、液体、有机物质有一定的吸附能力。最大吸附量可达5倍于自身的重量。

1.2 膨润土的用途

天然钠基膨润土或人工钠化的高膨胀性膨润土不仅可用于地下连续墙施工、沉井、沉箱、顶管、打桩、地下防水、混凝土增塑添加物,还可用于颗粒水力运输、污水处理、隧道防护和电线接地盖土等。近年来用量大幅度增长的主要是土壤密封、地下连续墙施工和防水砂浆。膨润土能有效地吸附污染物质,作为土壤填料可用于废料填埋、水池、沟渠、水库和运河等防渗。根据土壤渗透情况,膨润土在土壤中用量为1 kg/m2～20 kg/m2。在隔挡墙施工中,膨润土砂浆与水泥或硅酸钠添加物混合可制成各种灌浆材料,用于处理条件变化较大的土壤。它们以流体形式注入土壤裂隙或裂缝,使之密封和固结。

1.3 膨润土的作用机理

膨润土在水中高度分散搭接成网络结构,并使大量的自由水转变为网络结构中的束缚水,而形成非牛顿液体类型的触变性凝胶。它的粘度对于悬浮液体系的稳定性具有重要影响,并与剪切速度变化有关。搅动时,网络结构破坏,凝胶转化为低粘滞性的悬浮液;静止时,恢复到初始凝胶网络结构的均相塑性体状态,粘度逐渐增大。在外力作用下悬浮液与胶体可以无限转化。这就是掺加膨润土后浆液触变性变好的原因。

2 试验

2.1 试验材料

膨润土：本试验所用的膨润土是土木工程用的泥浆土(见图1),蒙脱石含量为82.5%～95.3%,d060值介于1.495～1.503之间,吸水量大于36 g/100 g。水泥：本试验所用的水泥是P.O42.5普通硅酸盐水泥。水：普通自来水。

2.2 膨润土对水泥浆液的影响

2.2.1 吸水率

1)膨润土浆液：该试验采用250 mL量筒,将拌好的浆液200 mL注入量筒内,5 min后观察浆液由原来的200 mL膨胀为230 mL,体积明显增大,溶液呈淡土黄色,静置48 h,呈悬浮状,无明显离析。

2)水泥浆液：制成浆液5 min后观察,水泥颗粒开始下沉,有明显的离析现象发生。

3)膨润土水泥浆液：制成浆液后5 min观察,也有离析现象发生,但不如水泥浆液发生离析那样明显。

4)不同膨润土掺量下的水泥浆液吸水率：如图2所示采用250 mL量筒,将拌好的浆体注入量筒内,并将量筒上口加盖封好。随后每隔60 min将上口盖打开,使量筒倾斜,用吸管吸出析水,并分别记下浆液的体积数,最后计算出吸水率,以吸水率的大小评价浆液稳定性好坏,结果见表1。

表1 不同膨润土掺量下的水泥浆吸水率(W/C=0.8) %

通过表1我们可以发现：随着膨润土含量的增加,浆液最终达到稳定的时间缩短,吸水率降低,稳定性逐渐增加。

2.2.2 粘度

粘度也称流动度,是量度流体粘滞性大小的物理量,粘滞流体在层流中,其相邻流体层间的内摩擦力τ与沿接触面法向n的速度梯度dv/dn成正比,与接触面积成正比,与流体本身的性质有关,而与接触面上的压力无关,即：τ=η Adv/dn。其中,τ为流层的内摩擦力;η为粘度系数;A为接触面积;dv/dn为流体的流速梯度。

浆液粘度是指浆液所有组分混合后的初始粘度,水泥浆粘度测试有多种方法,主要采用旋转粘度计和漏斗粘度计测得水泥浆表观粘度,从中可知水泥浆液的粘度与水灰比成反比,但当水灰比达到某一值后,其粘度几乎不再变化。漏斗粘度计使用最方便直观,最适合施工现场使用。目前国际上用得较多的漏斗有三种：马什漏斗、梅开索尔漏斗及普里帕克漏斗,实际以马什漏斗使用最多,见图3。

参照GB 1346粘度测试方法,采用马什漏斗粘度计测试,以一定浆量从漏斗流出的时间长短,即相对粘度,评价浆液的流动性能,结果见表2。

表2 不同膨润土掺量下的水泥浆粘度(W/C=0.8)

通过表2我们可以发现：相同水灰比的浆液,膨润土用量越多粘度越大,凝结时间越长,结石率越高。

2.2.3 强度

配制相同水灰比(W/C=0.8)的水泥浆体,膨润土掺量分别为1%,1.5%,2%,2.5%,3%,测其3 d,7 d,28 d龄期硬化后的强度,抗压试件边长为7.07×7.07立方体试块,在标准条件养护下,强度试验结果见表3。

表3 不同膨润土掺量下的水泥浆强度(W/C=0.8) MPa

通过表3我们可以发现：在相同的水灰比下,随着膨润土掺量的增加,抗压强度在迅速减小。

3 结语

1)膨润土具有很好的稳定性,在水灰比一定的情况下随着膨润土掺量的增加,浆液的粘度增大、吸水率降低,从而使浆液有一种较好的稳定性。2)膨润土的掺入对水泥浆液的强度有一定影响,在相同的水灰比下,随着膨润土掺量的增加,抗压强度在迅速减小。3)水泥膨润土混合而成的浆液由于自身的特性决定了强度不会很高,但是作为帷幕的灌浆材料是适用的。

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