高水速凝材料渗透特性试验研究

胡良浩 汪 滨 臧德记

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2.水文水资源和水利工程国家重点试验室，江苏 南京 210029)



高水速凝材料渗透特性试验研究

胡良浩1,2汪 滨1,2臧德记1,2

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029； 2.水文水资源和水利工程国家重点试验室，江苏 南京 210029)

采用自主改进的TST-55型变水头渗透仪，试验研究了不同水灰比、龄期及使用淡水、海水时高水速凝材料的渗透性，并分析了其水化反应机理，指出高水速凝材料渗透系数随着龄期的增长不断减小；随着水灰比的降低而减小；海水可使该材料的渗透系数变高。

高水速凝材料，渗透系数，海水，水灰比

0 引言

高水速凝材料是一种高含水、快速固化的胶凝材料，有甲、乙两种粉料。其中高铝型甲料的主要化学成分为：CaO，Al2O3，SiO2，Fe2O3及少量MgO,TiO2等；硫铝型甲料则为：3CaO·3Al2O3·CaSO4，2CaO·SiO2等；乙料主要有石灰，石膏和外加剂等。这种材料，与其自身体积9倍的水混合而成的浆液能在30 min内凝结成具有相当强度的固化人工石——“含水90%的混凝土”[1]。高水速凝材料流动性好，甲乙两料浆在混合之前不凝固、易泵送；甲乙两料浆混合后凝固速度快，且凝固时间快慢可以调整；凝固后早期强度高。因此，广泛使用于采矿工程中巷道支护、采空区充填；也可作为地下工程、地下空洞充填、注浆堵漏、地基加固等的使用材料[1]。目前大部分水利海工工程中，都面临着取土石料难的问题，而就地取材、“水代土石”是最理想的解决手段。高水速凝材料具有速凝早强、高结晶水、耐水性等特性[2]以及混合浆液凝结时基本不析水，结石强度高，抗渗性好，微膨胀，不龟裂及凝结后受扰动甚至破坏后具有再结胶性能[3]，所以高水速凝材料在围垦围堤工程、港口工程[4]、快速堵漏以及地下防渗等水利工程中有很广的应用前景。研究高水速凝材料渗透系数变化规律，可为工程设计人员提供参考，并为矿井充填、围垦围堤等实际工程的可靠性提供理论依据和支持，具有重要的经济社会效益。

1 试验装置的设计

高水速凝材料的抗压强度以及抗渗等级远小于混凝土和水泥砂浆，从实际试验操作流程考虑无法使用目前常见的混凝土及砂浆抗渗仪。参照土的渗透系数测试方法，选用变水头法测试其渗透系数。使用TST-55变水头渗透仪需要用环刀在垂直或平行土样层面切取原状试样或扰动土制备成给定密度的试样。而高水速凝材料硬化体抗压强度远大于土体，无法使用环刀切取硬化体试样。若将高水速凝材料直接浇筑在环刀内待其硬化，在刚刚

凝结的硬化体中，会连续生成钙矾石，则要引起膨胀，这样间接的对试块施加了侧向围压。而围压对有高水速凝材料硬化体的变形以及充填体的刚度影响较大，从微观结构可以看出,其内部结构具有较多的孔隙，在围压的作用下，孔隙闭合使充填体密实。随着围压的加大,充填体压实程度变大[5，6]。这样将极大的降低对该材料渗透系数测定的准确性。基于上述分析，本文对TST-55变水头渗透仪进行改进以消除水化膨胀的影响。设计出拼装式渗透容器替代原来一体式渗透容器，如图1所示。

改进后试件可以在浇筑后脱模，等达到规定养护龄期后再将试块装入拼装式渗透容器内进行试验。这样就能很好的避免试块水化膨胀后，环刀对试块产生的附加围压。

2 高水速凝材料渗透系数测定结果

2.1 试验原理

根据土工试验规程，按式(1)计算渗透系数：

(1)

其中，a为变水头管截面面积，cm2；L为渗径，等于试样高度，cm；h1为开始时水头，cm；h2为终止时水头，cm；A为试样的断面面积，cm2；t为时间，s；2.3为ln和lg的换算系数。

按式(2)计算标准温度下的渗透系数：

(2)

其中，kT为水温T℃时试样的渗透系数，cm/s;k20为标准温度(20 ℃)时试样的渗透系数，cm/s；ηT为T℃时水的动力粘滞系数；η20为20 ℃时水的动力粘滞系数。

2.2 试验方法及结果

1)试验方法。本次试验采用改进后的TST-55变水头渗透仪。为了分析了解不同水灰比、不同龄期以及使用淡水、海水时高水速凝材料硬化体的渗透系数变化规律，本着经济、高效的原则，试验方案如表1所示。

表1 渗透系数试验方案

试验材料：高水速凝材料(高铝型)；自来水；海水(含氯化钠3.5%)。

2)试验结果。试验结果如表2所示。

表2 渗透系数测试结果 ×10-7 cm/s

通过对表2中试验结果分析得出，在试验水灰比范围内高水速凝材料硬化体最终渗透系数都能达到10-8级。从A组试验结果可知，使用淡水与高水速凝材料发生水化反应，渗透系数随龄期的增加不断减小。在试样达到最终养护龄期时，渗透系数随着水灰比的增加而变大。使用海水与高水速凝材料进行水化反应时，在水灰比相同的条件下，明显出现了早期渗透系数小的现象。对比A1B1，A5B5，A9B9可以发现，3 d龄期的渗透系数，后者只有前者的20%，10%，12%。随着龄期的不断增加，相同水灰比试样的渗透系数不断接近。对比A4B4，A8B8，A12B12可见，在水灰比相同的条件下，使用海水试样的最终渗透系数略大于使用淡水的试样。

3 水化反应机理分析

在单料水化阶段，乙料主要由石灰和石膏组成，水化比较简单，主要是溶解过程。甲料水化过程则相对复杂，铝酸一钙是高铝型甲料的主要矿物，其水化反应因温度的不同有如下几种方式：

CaO·Al2O3+10H2O=CaO·Al2O3·10H2O

(3)

2(CaO·Al2O3)+11H2O=

2CaO·Al2O3·8H2O+Al2O3·3H2O

(4)

3(CaO·Al2O3)+12H2O=

3CaO·Al2O3·6H2O+2(Al2O3·3H2O)

(5)

在一般条件下CaO·Al2O3·10H2O(CAH10)和2CaO·Al2O3·8H2O(C2AH8)同时共存，高温下水化产物主要是3CaO·Al2O3·6H2O(C3AH6)。其中CAH10和C2AH8都是六方晶系，其晶体呈片状或针状，相互交错结合，形成坚硬的结晶体。Al(OH)3凝胶又填充于晶体骨架的空隙，从而形成比较致密的结构。用X射线衍射鉴定可知α-Al(OH)3和β-Al(OH)3常共存，属单斜晶系，常用于防水织物[7]，Al(OH)3凝胶更是极难溶于水。表现在高水速凝材料硬化体特性中即是渗透系数较小。

甲乙料混合后，原来的凝胶团粒子开始重新组合成较大胶团，随着龄期的增长，硬化体里针状钙矾石骨架逐渐交错形成，凝胶团不断密实骨架孔隙，最终形成带有大量结晶水的高水速凝材料硬化体。

氯化钠添加到阳离子化溶胶体系中，能使溶胶表面离子头之间的排斥作用减弱，Zeta电位降低；又能促使溶胶颗粒脱离水相的趋势增大，促进了颗粒之间的聚集和交联作用，使得体系粘度增大，凝胶化时间缩短，从而加速体系的凝胶化[8]，因此出现使用海水浇筑的试样早期渗透系数相对较小的特点。实际上高水速凝材料浆液的pH值是通过各原料种类及配比、外加剂的种类及掺量来控制的。试验表明高水材料水灰比为2.5∶1时浆液在pH>11时能凝结，pH值约为12时凝结时间约20 min，此时主要水化产物为钙矾石[9]。氯化钠的加入会影响体系中H+的含量，使体系的pH值降低[8]，最终会降低体系中凝胶体和钙矾石含量，则使在相同水灰比下，试样B最终的渗透系数大于试样A。

4 结语

本文深入讨论了当前对高水速凝材料渗透性能研究现状，没有专门针对高水速凝材料渗透性能试验的相关规范和仪器设备。通过分析高水速凝材料的物理化学特性选用并改进了现有仪器进行试验。主要得出以下结论：

1)改进后的TST-55变水头渗透仪基本消除了高水速凝材料水化膨胀带来的试验误差，能够准确测出高水速凝材料渗透系数，为本次试验和后续工作提供可靠试验手段。

2)高水速凝材料渗透系数随着龄期的增长不断减小、随水灰比的降低而减小，最终渗透系数达到10-8级。不仅为后续工作提供了有效数据，也为实际工程领域提供了参考依据。

3)使用海水与高水速凝材料进行水化反应时，由于氯化钠能够加速Al(OH)3凝胶的形成，较早的密实了钙矾石针状缝隙，而Al(OH)3凝胶难溶于水的特性使得高水速凝材料更快形成抗渗性。氯化钠同时能增加溶液氢离子含量，降低体系的pH值，导致钙矾石最终含量减少，以至于高水速凝材料渗透系数变高。

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Research on seepage properties of high water quick-setting material and its mechanism analysis

Hu Lianghao1,2Wang Bin1,2Zang Deji1,2

(1.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,Nanjing210029,China)

This paper used the self improved TST-55 type falling head permeameter, tested and researched the permeability coefficient of rich water accelerated material decreased with the increase age of different water cement ratio, age and use of fresh water, sea water, decreased with the decrease of water cement ratio, the water permeability coefficient of the material was high of sea water.

rich water accelerated material, permeability coefficient, sea water, water cement ratio

1009-6825(2016)28-0115-03

2016-07-21

胡良浩(1990- )，男，在读硕士； 汪 滨(1964- )，男，教授级高级工程师； 臧德记(1981- )，男，硕士，高级工程师

TU502

A