不同外加剂对高流态早强注浆浆液流变性的影响分析

2019-08-07彭明琼

陕西水利 2019年12期

彭明琼

（伊宁市农业农村局，新疆伊宁 835000）

随着水利工程技术的发展和进步，盾构法已经成为地下隧洞工程施工的主要施工方法之一[1]。背后注浆技术是盾构施工中的一项重要和关键技术，对保证围岩稳定和施工安全具有重要作用[2]。同步注浆是背后注浆技术中较为先进的一种方法，按照盾构同步注浆的施工工艺要求，其注浆材料需要有较好的流动性和较快的凝结时间[3]。因此，高流态早强注浆材料研究就成为盾构注浆工程研究的重要课题[4]。显然，对注浆浆液设计而言，高流动性和早强性本身就是一对矛盾，浆液本身保持高流态性能的时间不能过短，否则不利于施工的顺利进行，也不能过长，否则不利于注浆后浆液的凝固和硬化，还会造成浆液扩散范围过大，不利于提升注浆效果[5]。因此，在浆液的设计过程中，必须要根据浆液各种成分的与性能，对外加剂的成分和添加数量进行科学与合理的设定和控制。

1 注浆材料设计

综合盾构注浆工程特点以及高流态早强注浆材料的研究成果，将超细硅酸盐水泥作为高流态早强注浆浆液的基本组成材料，并选取玻璃微珠、超细硅粉以及纳米二氧化硅作为颗粒性外加剂，选取聚羧酸减水剂作为辅助外加剂[6]。

采用的超细水泥是以本溪市宏达水泥有限公司生产的普通425 硅酸盐水泥为基础，加入适量的石膏进行粉磨加工和筛分得到的，细度为1000 目；玻璃微珠又称为改性超细粉煤灰，属于亚微米级别的球状粉体，是当前注浆浆液设计中常用的超细粉体材料。本次研究中使用大连佳科有限公司生产的玻璃微珠；超细硅灰属于非晶体硅，主要成分为无定型二氧化硅，一般是合金硅冶炼厂收集到的飞灰加工而成，本次研究中的超细硅灰由鞍山旭达有限公司提供，比表面积为1.75 cm2/g，平均粒径为0.2 μm；试验用纳米二氧化硅来自北京昌德伟业有限公司，为气相法生产的无定型固体胶状纳米粒子。试验用聚羧酸减水剂为南京立新化工有限公司生产的CQJ-JSS 型聚羧酸减水剂。根据相关研究成果和工程经验，玻璃微珠、超细硅灰以及纳米二氧化硅的添加量分别为6%、8%和3%，在具体实验过程中，根据单因素法保持其余两个外加剂的添加量不变，设定另一种外加剂的不同添加量进行试验，根据试验结果分析不同外加剂对高流态早强注浆浆液流变性影响。

2 试验仪器和试验方法

2.1 浆液的制备

在试验用注浆浆液制备过程中，必须要保证各种外加剂有效分散在水泥浆液中，以达到提高浆液流动性和强度的目的[7]。因此，需要采取高速搅拌或超声波分散等合理的分散机制[8]。基于此，研究中采用如下方法进行浆液制备：

首先，制备浆液配比和需水量：超细水泥（100%）、减水剂（1%）、缓凝剂（0.2%）、水（80%）以及不同质量分数的玻璃微珠和超细硅灰。（括号内的数值为质量分数。）

并将其加入塑料桶，再加入外加剂，然后利用搅拌机以500 rad/min 的转速低速搅拌，时间为1 min。

低速搅拌完成之后，将搅拌机调整至高速档位，以1800 rad/min 的转速进行高速搅拌，时间为2 min，以实现外加剂在水溶液中的有效分散。

在高速搅拌完成后，立即加入超细水泥，然后仍以1800 rad/min 的转速进行高速搅拌，时间为3 min，确保外加剂和水泥浆的均匀分散。

浆液的制备要严格按照上述程序和时间进行，确保整个过程在8 min 之内完成，尽量减小搅拌对浆液流变性的影响，消除可能出现的水泥假凝现象。

2.2 浆液流变特征的测试方法

研究中采用美国Brookfield 公司生产的DV3THB 流变仪进行浆液流变特征测试，在测试过程中先将配置好的浆液倒入烧杯静置30 s，然后移动烧杯使测试仪的SC4-21 转子浸入浆液中部，再静置30 s 后开始测量，并利用Rheocaclc T 软件自动采集数据。

对于制备浆液样品的黏度时变性测试利用DV3TLV 流变仪进行，在测试过程中需要首先对浆液样品的黏度范围进行预估，并以预估结果为依据选用对应型号的转子，测试时要保证足够的测试时长，一般要达到1 h，以有效模拟实际注浆操作时间范围内的浆液粘度时变规律。

3 试验结果与分析

3.1 玻璃微珠的影响

在其余配比不变的情况下，对不添加玻璃微珠以及玻璃微珠的添加量分别为2%、4%、6%、8%、10%和12%条件下的浆液进行试验，利用试验过程中采集的数据，绘制出如图1 所示的浆液粘度时变曲线。由图可知，在相同玻璃微珠的添加量下浆液黏度历时变化特征来看，在试验的前10 min 内，浆液的黏度呈缓慢增加态势，之后增加速度逐渐变大，在25 min 之后则快速增加。从不同玻璃微珠添加量的横向对比来看，当制备的浆液中玻璃微珠的添加量小于8%的情况下，浆液的黏度会随着添加量的增大而减小，而添加量大于8%时，浆液的黏度会随着添加量的增大而增大。由此可见，在浆液中添加玻璃微珠可以有效改善浆液的黏度，但是改善的极限添加量为8%，如果高于此添加量，就会对降低浆液粘度起到反作用。在这方面，冯金等学者的研究结果是浆液中粉煤灰添加量的临界值为50%，与本次研究结果差别很大。这说明，玻璃微珠的粒径对改善浆液的黏度方面存在较大影响，需要通过试验研究测定。

图2 为玻璃微珠不同添加量下的浆液流变曲线。由图可知，在各种不同添加量下，剪切应力都随着剪切速率的增加而增大，同时流变指数也随着添加量的增大而增大，而浆液的触变性呈现出先降低再升高再降低的变化趋势，在添加量为8%时浆液的触变性最高，而添加量为6%时，不仅具有较低的浆液粘度，同时也有相对较高的触变性。

图1 不同玻璃微珠添加量下黏度时变曲线

图2 不同玻璃微珠添加量下流变曲线·

3.2 超细硅灰的影响

在其余配比不变的情况下，对不添加超细硅灰以及超细硅灰的添加量分别为2%、4%、6%、8%、10%和12%条件下的浆液进行试验，利用试验过程中采集的数据，绘制出如图3 所示的浆液粘度时变曲线和图4 所示的浆液流变性曲线。由图3 可知，在相同超细硅灰添加量下浆液黏度的历时变化特征来看，在试验的前10 min 内，浆液的黏度基本保持不变，之后开始缓慢增加，在30 min 之后，添加量小于8%时增加仍然缓慢，但是添加量大于8%时的增长比较迅速。但是在所有工况下，黏度的增加速率均明显慢于玻璃微珠。从图4 来看，在各种不同添加量下，剪切应力都随着剪切速率的增加而增大，同时流变指数也随着添加量的增大而增大，而浆液的触变性并没有显著的变化规律。但是，不同添加量下的触变环面积均比未添加超细硅灰时的面积大，说明添加硅灰会降低浆液的触变性。综合上述分析，超细硅灰的添加量为6%最为合适。

图3 不同超细硅灰添加量下黏度时变曲线

图4 不同超细硅灰添加量下流变曲线

3.3 纳米二氧化硅的影响

在其余配比不变的情况下，对不添加纳米二氧化硅以及纳米二氧化硅的添加量分别为1%、2%、3%、4%、5%条件下的浆液进行试验，利用试验过程中采集的数据，绘制出如图5 所示的浆液粘度时变曲线和图6 所示的浆液流变性曲线。由图5 可知，在相同纳米二氧化硅添加量下浆液黏度的历时变化特征来看，在整个试验过程中浆液的黏度均呈现出缓慢增加的特征，增加的速率基本保持不变，当添加量为5%时，同一时刻的浆液粘度均比其他添加量明显偏大。从图6 可以看出，随着添加量的增大，相同剪切速率下水的浆液剪切应力呈现出增大趋势。从不同添加量下的触变环面积来看，当添加量在3%以下时，浆液的触变性变化不明显，当添加量在3%以上时，浆液的触变性有一定提高。