膨润土掺量对水泥注浆体强度影响的试验研究

李 开 放

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

膨润土掺量对水泥注浆体强度影响的试验研究

李 开 放

(河南理工大学 土木工程学院， 河南 焦作 454000)

针对国内外地下施工过程当中多次遇到高温地热水问题，在实验室模拟了40℃温度条件下，不同水灰比对水泥浆液的抗折、抗压和析水率性能的影响以及在不同水灰比时掺加不同量膨润土对水泥浆液的抗折、抗压和析水率性能的影响，并对试验结果进行分析。结果表明：水泥净浆随水灰比增大其抗折、抗压均下降，析水率明显增加；随着养护时间的增长其抗折、抗压强度均不断增加。掺加膨润土对水泥砂浆的抗压强度影响较大，但随着掺量的增加，降低幅度明显减弱，掺加膨润土对水泥砂浆的抗折强度影响较小。

水灰比；膨润土；浆液性能

随着国家经济发展、城市化进程以及交通设施的不断完善，地下工程的数量明显增多，并且向着长、大、深的方向发展，特别是在我国的高山高原地区，隧道、地铁高层建筑等很多工程不同程度地遇到了高温地热水问题，此问题将直接影响到工程的施工进度以及工程质量，是目前亟需解决的问题。高温地下水水温25 ℃～108 ℃，地温梯度高于正常地温梯度(2.5 ℃/100 m)。在遇到高温地热水项目中，水温位于25 ℃～45 ℃占主导地位[1]，例如：西南某新建铁路项目等[2]。注浆施工是一种有效的防范和治理地下水问题以及加固裂隙的施工方法。根据不同地质条件配制不同的浆液，通过适当的注浆设备，将浆液注入到岩土体的裂隙、空隙和空洞中去，浆液凝结成结石体与原有岩土体紧密结合，从而降低岩土的渗透性，提高其各方面的性能[3]。在现场施工过程中应用的注浆材料种类繁多，但不同的浆液各有利弊，其中化学注浆液对环境的污染比较严重，而水玻璃注浆液存在强度低、耐久性差的弊端，超细水泥注浆液则受施工成本过高的困扰，制约了其在施工现场的普及度[4]。为了解决单一注浆液存在的问题，往往采用混合注浆液，通过往水泥浆液中掺入膨润土、减水剂等外加剂，使水泥浆液的流动性增强、析水率降低，对于结石体的抗折强度、抗压强度的影响不大，能够在堵水加固方面取得较优的效果[5]。因此，在工程实际应用中仍以普通水泥浆作为主要注浆液[6-8]。解决深埋隧道中出现的高温问题，探索高温环境下水泥浆材的性能变化规律，在实际的工程应用中具有重要的意义。为了解决高温工程当中的注浆问题，配制出一种适合类似工程的注浆液。经综合考虑，本试验拟在室内模拟高温下的实际环境，设计出接近实际的试验条件，对40℃温度条件下掺加膨润土对水泥浆性能的影响进行试验研究，能为实际工程的设计和施工提供参考。

1 试验材料及设备

1.1 水泥

本试验拟采用的水泥为产于焦作中晶水泥厂的P·O 42.5水泥，化学成分详如表1所示。

表1 水泥化学成分

1.2 膨润土

试验用膨润土的主要矿物成分为蒙脱石，主要化学成分为 SiO2、Al2O3、H2O 及少量的 Fe2O3、MnO2、MgO、CaO、K2O、Na2O、TiO2等可作为稳定剂添加于水泥浆液中，能够显著提高注浆结石体的稳定性。膨润土有很强的吸水性、触变性、分散性、胶结性、膨胀性及阳离子交换性。

膨润土是一种主要成分是蒙脱石的黏土，其所含的蒙脱石的种类和含量对于膨润土的性能有很大影响。当膨润土在水中分散时，由于外表面吸附的阳离子数量较少，有向外扩散的趋势，同时又受到带电晶层的吸引，从而形成络合物或者有机、无机复合物。水泥的水化产物针状钙矾石能够与膨润土中的蒙脱石很好地相互结合，而蒙脱石特有的层状架构可以很好地填充在水泥水化过程中产生的空隙里，这样水泥浆液的空隙就会减少，从而改善了混凝土的性能[9]。

1.3 试验设备

试验设备有某省某县乐寿建材仪器厂生产的水泥胶砂三联试模，规格为：40 mm×40 mm×160 mm；某市锡东建材设备厂生产的JJ-5型行星式水泥胶砂搅拌机；某建仪仪器机械有限公司的JYT-700型混凝土加速养护箱；某长城机电设备厂的KZJ-500型电动抗折试验机；某市建筑材料仪器机械厂的NYL-300型压力试验机。

2 试验方案

2.1 水泥净浆性能

本试验采取工程项目中最常用的4个水灰比进行研究，水灰比为0.6、0.8、1.0、1.2，为对比掺加膨润土对于水泥砂浆性能的影响，先做出40℃温度下4组不同水灰比的水泥净浆的试件，置于养护箱中进行养护，并用抗折试验机和抗压试验机测定其抗折强度和抗压强度，与掺加膨润土的试件性能进行比较分析。40℃时，不同水灰比下水泥净浆的抗折强度和抗压强度如表2和表3所示。

表2 不同水灰比下试件抗折强度 /MPa

表3 不同水灰比下试件抗压强度 /MPa

从表2、表3中试件的抗折、抗压强度可以看出，随着水灰比的增大，试件的抗折强度和抗压强度均有不同程度的减小，根据表2、表3绘制试件抗折抗压强度曲线如图1所示。从图1可以看出，随着水灰比增大，3 d和7 d的抗折强度差值逐渐减小，而抗压强度在水灰比超过0.8之后减小幅度明显变小，且3 d和7 d之间的抗折强度、抗压强度差值逐渐减小。试块折断断面如图2、图3所示。

图1 强度随水灰比变化曲线

图2 抗压试块压断断面 图3 抗折试块折断断面

2.2 掺加膨润土水泥砂浆性能

依据《水泥胶砂强度检验方法》(GB17671—1999)规定，根据混合后的注浆液的吸水率和黏度来确定本试验采用的注浆液中膨润土的掺量。其中，析水率是指水泥砂浆在静止条件下水泥颗粒沉淀从而析出的水的体积所占总体积的百分比，黏度指标很好地反应了水泥浆液的流变性。试验中采用某试验仪器厂1006型泥浆黏度计对不同配比的水泥浆液黏度进行测定，根据水泥砂浆析水率以及黏度指标来确定不同水灰比下膨润土的掺量[10]，如表4所示。

表4 不同水灰比下膨润土掺量

根据表4的配比，经水泥净浆搅拌机低速搅拌2 min，高速搅拌2 min后，配置出不同配比的水泥浆液，将搅拌均匀的水泥浆液倒入规格为40 mm×40 mm×160 mm的三联试模中，将试模和试件一起放入40 ℃养护箱内，养护24 h后进行脱模，对试件继续养护至3 d、7 d后，利用某机电设备厂KZJ-500型电动抗折试验机和某市建筑材料仪器机械厂NYL-300型压力试验机测定试件的抗折和抗压强度[11-12]，结果如表5所示。

表5 不同配比水泥浆强度

从表5可知，水灰比为0.6时，随着膨润土掺量的增加，3 d的抗折强度和抗压强度均有所增加，随着养护时间的增加，其抗压强度有所增加；水灰比为0.8时，随着膨润土掺量增加，试件各性能均有略微降低；水灰比为1.0、1.2时，随着膨润土掺量增加，试件的各性能变化幅度不大。

表2、表3、表5的数据比较分析可知，掺加膨润土之后试块不同期龄的的抗折强度、抗压强度均呈现降低的趋势。水灰比相同时，增加膨润土掺量后，抗折强度、抗压强度降低幅度变小；随着水灰比增大，试件抗折强度、抗压强度均有降低趋势，且趋势逐渐减小。

3 结 语

本试验通过模拟40℃地温条件，测定了该环境下水泥净浆的抗折强度、抗压强度以及掺加膨润土的水泥浆液的抗折强度，抗压强度，分析后得到以下结论：

(1)膨润土对水泥砂浆抗压强度影响较大，但随着掺量的增加，强度降低幅度明显减弱。

(2)在浆液水灰比相同时，试件的抗压强度基本随着膨润土掺量的增加而减小；而试件的抗折强度变化不明显。

(3)膨润土对水泥砂浆的抗折强度有一个最佳掺量，对水泥砂浆的抗压强度也有一个最佳掺量，不过这两个掺量值不相同，在实际工程中，应多次调配试验，确定最佳配合比。本试验研究结论可对类似的工程项目有一定的指导意义。

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[12] 国家质量技术监督局,GB17671—1999 水泥胶砂强度检验方法[S].1999:5-17.

Experimental Research on Effect of Bentonite on Cement Slurry Fracture Resistance

LI Kaifang

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In view of high temperature geothermal water that frequently exist in underground constructions, a simulation was taken in the lab to find the influence of different water cement radio and different quality of bentonite clay based on different water cement radio to cement slurry′s fracture resistance, compression properties and bleeding radio. Results show that cement slurry′s fracture resistance and compression properties declined while bleeding radio increased with increasing of water cement radio. With the increase of the curing time, the fracture resistance and compression properties of cement slurry increased constantly. Bentonite clay had greater influence on the compressive strength of cement slurry, while the amplitude of reduction attenuate obviously. Bentonite clay had less effect on fracture resistance.

water cement ratio; bentonite; slurry performance

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.002

TU528

A

1674-5403(2017)04-0006-04

2017-09-10

李开放(1990-)，男，河南开封人，在读硕士研究生，主要从事工程材料方面的研究.