磷酸盐缓凝剂对水泥基速凝类浆液影响机制的研究与应用

赵　鹏，张庆松，郑东柱，朱明听，李　鹏

(山东大学岩土与工程结构研究中心，济南　250061)



磷酸盐缓凝剂对水泥基速凝类浆液影响机制的研究与应用

赵鹏，张庆松，郑东柱，朱明听，李鹏

(山东大学岩土与工程结构研究中心，济南250061)

水泥基速凝类浆液是目前广泛应用的注浆材料，开展关于外加剂对于水泥基速凝类浆液影响机制的研究具有重要意义。针对水泥基速凝类浆液中的水泥-水玻璃浆液，开展室内试验分析与研究磷酸盐缓凝剂对浆液黏度时变特性的影响机制。试验结果表明水泥-水玻璃浆液凝胶过程分为3个阶段，并分析发现添加磷酸盐缓凝剂后水泥-水玻璃浆液初凝期持续时间显著增加，在该时期浆液呈固液混合的糊状，浆液黏度稳定于40 Pa·s以下。初凝期持续时间主要受浆液混合体积比影响。将研究结论应用于指导注浆处治工程实践，效果良好，为相关注浆工程提供了一定的借鉴作用。

注浆工程； 水泥-水玻璃浆液； 缓凝剂； 黏度时变性

1　引　言

注浆是解决不良地质问题的有效手段，注浆材料的选择是影响注浆治理效果的关键因素之一[1,2]。水泥基浆液材料因材料价格低廉、来源广泛、注浆操作方便，并且能够满足提高被注介质强度、降低被注介质渗透性的基本需要，是目前工程中主要应用的注浆材料[3-5]。添加了各类外加剂的水泥基浆液在面临高水压、大流量突水突泥灾害时，能起到良好的注浆封堵效果，因此在注浆工程中应用广泛[6-8]。然而目前缺乏关于外加剂对水泥基浆液理化性质影响机制的研究与应用，注浆工程中一般根据工程经验确定浆液配比、注浆压力、扩散半径等注浆参数。

Baker[9]和刘嘉材[10,11]等虽然都建立了相应的注浆扩散理论，但都假设浆液为无黏度时变特性的牛顿流体，与实际工况不符；阮文军[12,13]对多种水泥基浆液的流型、可灌性等参数均有研究，但对于影响水泥基速凝类浆液的黏度时变特性的主要因素缺乏深入分析与研究；吴德宝、万文等[14]对目前注浆工程中主要应用的水泥-水玻璃等水泥基速凝类浆液的基本性能进行了试验，但对于外加剂的影响缺乏讨论。水泥-水玻璃浆液的黏度时变过程受多种因素影响，其中关于磷酸盐缓凝剂对于浆液黏度时变特性的影响目前鲜有讨论。而浆液的黏度时变特性是影响注浆模型建立与理论推导的重要因素，因此开展关于缓凝剂对浆液黏度时变性影响机制的研究十分必要。本文采用正交试验，分别测定添加与未添加缓凝剂水泥-水玻璃浆液黏度时变性，分析浆液黏度变化规律与影响因素，这对于水泥基速凝类浆液的相关理论建立以及其在施工过程中的应用具有一定的参考意义。

2　试　验

2.1试验材料

(1)水泥

本次室内试验使用水泥为由江西省莲花县水泥厂生产的32.5R普通硅酸盐水泥，材料符合《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》(GB175-99)标准。水泥各组分参数见表1。

表1　水泥各组分参数

(2)水玻璃

本次室内试验使用水玻璃材料，水玻璃密度为1.35 g/cm3，模数M=3.0，水玻璃浓度Be’=37.5。

(3)磷酸盐缓凝剂

本试验采用无水磷酸二氢钠作为水泥缓凝剂。磷酸二氢钠通过与水泥液相中的钙离子产生沉淀反应在水泥颗粒表面形成包覆层来降低水泥水化速率。通过焦宝祥[15]的研究表明，水泥-水玻璃溶液中过量添加磷酸盐类缓凝剂会产生促凝作用，无法达到试验预期效果，因此试验中磷酸二氢钠添加量为水泥质量的2%。

2.2试验仪器

图1　SV-100正弦波振动式黏度计Fig.1　SV-100sinusoidal vibrating type viscometer

本试验采用日本SV-100正弦波振动式黏度计，见图1，黏度计测定量程为1～120 Pa·s，可直接测得浆液黏度变化曲线与温度变化曲线。

SV-100正弦波振动式黏度计采用正弦波电流使两个碟片反响振动，振动频率相同。当碟片测定的浆液不同时，为使碟片振幅相同，驱动电流将与浆液黏度成正比。测定重复精度1%(标准偏差)。

2.3试验过程

(1)配制水泥浆液的水灰比采用1∶1和1.2∶1，水泥浆液和水玻璃按混合体积比(水泥浆液体积：水玻璃体积)采用1∶1、2∶1、3∶1，分组进行正交试验。选取水灰比为1∶1、1.2∶1，混合体积比2∶1、3∶1浆液添加缓凝剂进行黏度测定。每组使用的水泥质量为100 g，缓凝剂添加质量为水泥质量的2%。

(2)水泥浆与添加剂混合后以相同速度搅拌3 s，然后倒入仪器器皿中，仪器设置每1 s测定一次混合浆液的黏度及温度，保存测量数据，同时观察并记录浆液混合后形态变化过程。

3　结果与讨论

3.1浆液黏度时变曲线

通过室内试验，获得了不同水灰比、混合体积比浆液黏度与温度随时间变化的数据与曲线。现选取几组典型测试数据及曲线进行分析：未添加磷酸盐缓凝剂时，水泥-水玻璃浆液黏度随时间变化曲线分别如图2所示；添加磷酸盐缓凝剂后，水泥-水玻璃浆液黏度随时间变化曲线分别如图3所示。

图2　未添加缓凝剂浆液黏度曲线(a)水灰比W/C=1∶1;(b)水灰比W/C=1.2∶1Fig.2　Viscosity curves for grout without retarder

图3　添加缓凝剂后浆液黏度曲线(a)水灰比W/C=1∶1;(b)水灰比W/C=1.2∶1Fig.3　Viscosity curves for grout with retarder

3.2浆液黏度时变性分析

由图2中黏度时变曲线及试验中浆液形态变化记录分析可知，未添加磷酸盐缓凝剂的水泥-水玻璃浆液凝胶过程可分为混合期、初凝期、固化期三个阶段：黏度低于20 Pa·s时，浆液处于混合期，此时材料凝胶反应不完全，黏度增长缓慢，浆液外观呈液体状，流动性强；黏度高于20 Pa·s但低于100 Pa·s时，浆液进入初凝期，此时黏度增长速度快，浆液外观呈固液混合的糊状，并迅速失去流动性；黏度高于100 Pa·s后，浆液进入固化期，此时黏度已超过仪器量程最大值，所测黏度值失去实际意义，浆液外观呈膏状，并已失去流动性。

由图3中黏度时变曲线及试验中浆液形态变化记录分析可知，添加磷酸盐缓凝剂后的水泥-水玻璃浆液黏度随时间变化过程发生了显著变化：混合期材料凝胶反应不完全，此时浆液所受影响程度较低，黏度增长速度与未添加缓凝剂时变缓少许，浆液外观呈液体状，流动性强；进入初凝期后浆液黏度长时间稳定保持在40 Pa·s以下，黏度增长速度初期较慢，而后逐渐增大，浆液外观呈固液混合的糊状，具有一定流动性；随后浆液进入固化期，黏度持续上升并达到固化，此时浆液黏度已超过仪器量程最大值，所测黏度值失去实际意义，浆液外观呈膏状，并已失去流动性。

根据浆液黏度时变特性，将浆液的凝胶过程划分为多个阶段，对于浆液性能研究与现场注浆施工具有指导意义。未添加缓凝剂水泥-水玻璃浆液阶段参数见表2，添加缓凝剂水泥-水玻璃阶段参数见表3。

表2　未添加缓凝剂浆液阶段参数

表3　添加缓凝剂浆液阶段参数

对比以上数据及浆液黏度时变曲线分析可得：

(1)磷酸盐缓凝剂对于水泥-水玻璃浆液黏度时变性影响显著，缓凝剂的添加降低了水泥的水化速率，延缓了浆液的凝胶过程，使浆液黏度长时间稳定40 Pa·s以下。

(2)水灰比、混合体积比对于添加与未添加缓凝剂的水泥-水玻璃浆液黏度时变性均具有显著影响，水灰比越高、水泥所占体积比越小，浆液黏度增长速度越低，凝胶时间越长。

(3)相对于材料混合体积比，水灰比对未添加磷酸盐缓凝剂的水泥-水玻璃浆液黏度时变性影响更大，高水灰比延缓了水泥水化速率，可显著增加浆液混合期、初凝期时间，降低混合浆液的黏度增长速率，延缓浆液凝胶过程。

(4)相对于水灰比，材料混合体积比对添加了磷酸盐缓凝剂的水泥-水玻璃浆液黏度时变性影响更大。水灰比相同时，混合体积比为2∶1的浆液初凝期持续时间远大于混合体积比为3∶1的浆液。混合体积比中水泥所占比重越低，水泥与水玻璃反应越不充分，浆液凝胶越迟缓，黏度增长速度越慢。

4　浆液材料适用性分析

添加磷酸盐缓凝剂与未添加磷酸盐缓凝剂的水泥-水玻璃浆液黏度时变性差异明显，在注浆治理工程中根据实际地质灾害情况与注浆材料特性，选择合适的浆液参数配比，才能达到理想的治理效果。

未添加磷酸盐缓凝剂的水泥-水玻璃浆液存在混合期，此时浆液黏度较低，流动性强，应尽量避免突涌水灾害治理中地下动水的冲刷与稀释作用。进入初凝期后浆液黏度上升迅速，凝胶时间短，对于抵抗地下动水效果良好，但扩散范围有限。适用于较小范围内注浆封堵与加固。

添加磷酸盐缓凝剂后，水泥-水玻璃浆液黏度初凝期稳定在一定范围内，浆液外观呈固液混合糊状，在被注介质孔隙、裂隙中具有良好的运移扩散能力，同时可以抵抗一定程度的动水冲刷。可通过灵活调节浆液配合比控制浆液凝胶时间，进行较大范围内的注浆封堵与加固。

5　现场工程应用

5.1工程概况

图4　钻孔及初支涌水Fig.4　Gushing water of drilling hole and initial support

在江西省吉莲高速永莲隧道F2断层破碎带突水突泥灾害治理工程中，隧道开挖至进口左洞ZK91+329.5里程处时掌子面右上方开始出现股状涌水，多处注浆孔口管出现涌水现象，涌水量初始约为5 m3/h，峰值达33 m3/h，水质浑浊(如图4)。探测到掌子面右前方存在水囊，地下水压较大，传统注浆材料与注浆工艺无法达到理想治理效果。

5.2现场材料试验

根据工程工况，使用添加缓凝剂的水泥-水玻璃浆液作为主要注浆堵水材料。缓凝剂选用磷酸氢二钠，添加量为水泥质量的2%。为了达到良好的注浆扩散与封堵效果，现场对不同水灰比、混合体积比(水泥浆液体积：水玻璃体积)浆液进行了多组试验测定其初终凝时间。试验结果整理如表4、表5。

表4　浆液材料初凝时间

表5　浆液材料终凝时间

5.3注浆工艺及浆液配比选择

(1)根据探测结果，针对掌子面涌水处及其前方水囊影响区岩体，设计并施做127个注浆钻孔对掌子面前方25 m范围内进行帷幕注浆处治;

(2)基于现场试验结果及注浆材料黏度时变特性考虑，选择水灰比W/C=1∶1、水泥与水玻璃体积比2∶1并添加磷酸盐缓凝剂的水泥-水玻璃混合浆液对掌子面前方水囊影响区岩体进行注浆治理，缓凝剂添加质量为水泥质量2%。同时使用传统水泥-水玻璃浆液对掌子面附近区域涌水岩体进行注浆封堵;

(3)采用前进式分段注浆工艺对掌子面前方不同治理区域进行分段治理，注浆段距3～5 m。注浆压力控制根据梯级压力设计施行，钻孔浅部注浆设计终压为2～3 MPa，深部为4～6 MPa。

图5　注浆后岩芯情况 Fig.5　Rock core after grouting

图6　掌子面浆脉Fig.6　Slurry vein on tunnel face

5.4注浆治理效果

注浆治理结束后，通过检查孔取芯发现浆液扩散范围较远，注浆治理后岩芯坚固密实，注浆加固效果明显(如图5)，说明治理效果良好，开挖掘进条件满足设计要求。注浆治理区域开挖后围岩强度高，稳定性强，渗透性低，开挖过程中未再发生涌水事故。开挖掌子面浆脉明显、分布紧密，浆液扩散范围达到设计要求(如图6)，经现场工程量统计反算，得到现场地层浆液充填率为87.1%，浆液损失率低于25%，说明浆液材料具有一定抵抗地下动水冲刷与稀释能力，可以应用于复杂地质条件下注浆工程中。

6　结　论

(1)水泥-水玻璃浆液黏度时变过程可分为3个阶段。未添加缓凝剂时浆液材料混合后反应不完全，存在混合期，而后浆液进入初凝期，黏度迅速增长直至终凝并进入固化期，浆液由固液混合的糊状转化为膏状，流动性迅速丧失；添加磷酸盐缓凝剂后，水泥水化速率显著降低，混合期浆液黏度增长速度变慢，而后初凝期长时间维持在某低黏度区间内，浆液长时间保持为固液混合的糊状，最终浆液黏度增长速度再次增加直至浆液最终固化;

(2)水泥浆水灰比与浆液材料混合体积比均影响浆液黏度时变性。水灰比越高、水泥浆所占材料混合体积比越低，浆液黏度增长速度越慢，凝胶时间越长。对于未添加磷酸盐缓凝剂浆液，相对于材料混合体积比，水灰比对浆液黏度时变性影响更大。高水灰比可显著延缓浆液凝胶；对于添加磷酸盐缓凝剂的水泥-水玻璃浆液，混合体积比对浆液黏度时变性影响更明显，水泥浆液含量的减少导致水泥与水玻璃反应不充分，浆液初凝期的持续时间显著延长;

(3)未添加缓凝剂的水泥-水玻璃浆液黏度上升迅速、凝胶时间短，适用于小范围的注浆封堵与加固；添加磷酸盐缓凝剂的水泥-水玻璃浆液可通过调节配比控制浆液凝胶时间，且浆液具有一定抵抗动水能力，适用于较大范围注浆封堵与加固。将研究结论应用于指导注浆处治工程实践，效果良好，为相关注浆工程提供了一定的借鉴作用。

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Research and Application of Influence Mechanism about Phosphate Retarder for Cement-based Fast Curing Grouts

ZHAOPeng,ZHANGQing-song,ZHENGDong-zhu,ZHUMing-ting,LIPeng

(Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,China)

It is great significance to research the influence mechanism of additive for cement-based fast curing grout which is widely used in grouting project. Laboratory test is developed to analyze and research the influence mechanism of time-dependent behavior of viscosity about phosphate retarder for cement-sodium silicate, which is a kind of cement-based fast curing grout. Reaction progress of grout is classified to three periods according to the results, and the duration of initial setting time of grout with phosphate retarder is extended obviously. During that time, the grout is solid-liquid mixed paste, and the viscosity is stability below 40 Pa·s.Initial setting time duration is mainly affected by the volume mixing ratio.The research conclusion is applied to guide the grouting project, the treatment effect is good, and provides a certain reference for the related grouting engineering.

grouting project;cement-sodium silicate;retarder;time-dependent behavior of viscosity

国家自然科学基金(41272385)

赵鹏(1991-)，男，硕士研究生.主要从事地下工程灾害注浆治理研究工作.

TD26

A

1001-1625(2016)04-0989-06