水泥-膨润土浆液配比及适用性研究

费子豪 吴进高 明华军， 柯 睿 史存鹏

(1.三峡大学 水电工程施工与管理湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；3.三峡大学 特殊土土力学研究所，湖北 宜昌 443002；4.长江三峡勘测研究院有限公司(武汉)，武汉 430074)

纯水泥灌浆由于原材料(水泥)来源广、价格较低、配制简单等优点被广泛用于岩体裂隙、土体孔隙、混凝土裂缝等工程缺陷的渗透性灌浆处理.但其失水速度快、析水率高，对于较大裂缝，水泥浆液结石体往往不能完全堵塞裂缝，而留下贯通的孔隙(析出水所占空间)，造成防渗性能下降[1].同时，对于微裂隙极其发育的破碎带，采用纯水泥浆灌浆时会发生浆液回浓快、吃水不吃浆、灌浆管堵塞和爆管等问题[2-4].

由于膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的高塑性黏土，加入水泥浆中能吸附并制止水泥颗粒的沉积，降低浆液析水率.膨润土的掺加，还可以改善水泥浆液的稳定性和可灌性，降低浆液回浓现象[3-4].因此，工程中往往通过在纯水泥浆液中掺加一定量的膨润土，来改善纯水泥浆液性能.另外，水泥-膨润土浆液还作为垃圾填埋场垂直防渗系统[5]、盾构隧道同步注浆[6]等主要材料，得到广泛应用.

膨润土掺量和水固比是影响水泥-膨润土浆液性能的核心因素，然后这两个参量在工程应用和试验研究中取值范围变化较大，受工程经验等影响[2，5-9].因此，其严重影响着水泥-膨润土浆液配比选择及推广应用.浆液析水率反映了浆液的保水性能；浆体流动性直接决定了材料在现场灌注时可灌性好坏；终凝时间决定了浆液能否有效起到防渗堵漏作用[10].因此，析水率、流动度、终凝时间是直观反映膨润土改善水泥浆效果的指标.

本文以膨润土掺量和水固比作为水泥-膨润土浆液的配比参量，研究膨润土掺量和水固比对浆液析水率、流动度、终凝时间的影响，进而提出不同水泥-膨润土浆液配比的适用性，以有助于较好地工程应用.

1 试验方法

1.1 试验材料

本文使用的膨润土为商业钠基膨润土，相应的基本特性见表1.

表1 膨润土基本特性

水泥为普通硅酸盐水泥，采用普通硅酸盐水泥，其化学成分见表2.

表2 普通硅酸盐水泥化学成分 (单位：%)

1.2 试验内容及浆液配比

试验主要从各配比浆液的析水率、流动度、终凝时间进行分析.其中析水率和流动度试验参照《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范》(SL62-2014)；终凝时间试验参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GBT1346-2011).

试验用水泥-膨润土浆液配比，按照膨润土掺量分别为2%、5%、10%、25%、50%、100% 和 水 固 比 分别为0.5、1.0、2.0、3.0、5.0进行设计.膨润土掺量指的是膨润土相对水泥质量的百分比；水固比指的是浆液加水量与固相材料(水泥+膨润土)的质量比.具体试验用浆液见表3.

1.3 试验过程

试验过程包括拌浆和试验两部分，各试验内容严格按照相关规范进行操作，本部分仅介绍拌浆方法.

①根据方案浆液配比确定相应水泥、膨润土、水的用量；②取出部分试验用水加入到膨润土中，高速搅拌，使膨润土充分分散于水中；③将剩余试验用水加入水泥中，并使用高速搅拌机，持续搅拌超过30 s；④将充分分散后的膨润土浆液加入到水泥浆液中，并使用高速搅拌机，持续搅拌超过2 min，制成试验用水泥-膨润土浆液.

表3 试验用水泥-膨润土浆液配比

2 试验结果及分析

2.1 浆液流动度的影响性分析

流动度是水泥-膨润土浆液在施工时需要考虑的一项重要性能，浆体流动性直接决定了材料在现场灌注时可灌性好坏，因此需要研究不同变量对流动度的影响.表4和图1为不同膨润土掺量和水固比下，浆液的流动度试验结果.

表4 不同膨润土掺量、水固比下浆液流动度

图1 不同膨润土掺量下流动度随水固比变化曲线

对于膨润土掺量较大、水固比较低的浆液，由于浆液过于粘稠，无法透过圆锥薄膜，故其流动度记为0.由图1、表4可知，试验所用膨润土掺量、水固比数据范围内，不同膨润土掺量的浆液流动度均随水固比增加而增加；相同水固比对应浆液流动度随膨润土掺量增加而降低.同时对于任意膨润土掺量下浆液，其流动度增长速度随着水固比均为先增大后减小，表现为已然过稀，继续加水对浆液流动性提高作用不大.对比多条曲线发现，对浆液流动度变化程度影响，膨润土掺量增加会提高相应的需水量.因此，水泥-膨润土浆液流动度是膨润土掺量与掺水量之间的博弈.

2.2 浆液析水率的影响性分析

浆液析水率反映了浆液的保水性能，保水性能低会影响水泥的正常凝结硬化，降低了水泥与物面的粘结力.加入膨胀土最重要目的是，吸附并制止水泥颗粒的沉积.降低浆液析水率，有利于浆液的工程应用.因此需要研究不同变量对析水率的影响.图2为不同膨润土掺量和水固比下，浆液的析水率试验结果.

图2 不同膨润土掺量下析水率随水固比变化曲线

对于膨润土掺量较大、水固比较低的浆液，由于浆液过于粘稠且无法搅拌均匀，在试验过程中无析水现象，其静置2 h后的刻度依然为100 m L.由图2可知，试验所用膨润土掺量、水固比数据范围内，不同膨润土掺量的浆液析水率均随水固比增加而增加；相同水固比对应浆液析水率随膨润土掺量增加而降低.同时对于任意膨润土掺量下的浆液，其析水率随着水固比的增大而呈现增大的趋势，当水固比达到1时，掺水量的增加导致浆液有明显的析水增多现象.对比多条曲线发现，对浆液析水率的影响，随着掺水量的增多、膨润土掺量的减少，析水率变大.因此，水泥-膨润土浆液的析水现象在水固比未达到1时加入膨润土抑制作用明显；在水固比达到1后，随水固比增加析水率增加明显，浆液保水性能难以发挥.

2.3 浆液终凝时间的影响性分析

终凝时间决定了浆液能否有效起到防渗堵漏，兼有决定影响加固工程体效果.把握好浆液的终凝时间能让浆液在开始注入阶段维持液体较长时间，有利于浆液在裂隙中的扩散.当浆液进入目标区域后，又能在较短时间内迅速凝结，达到工程灌浆的需求.因此需要研究不同变量对流动度的影响.图3为不同膨润土掺量和水固比下，浆液的终凝时间结果.由图3可知，在本文试验中所用膨润土掺量、水固比数据范围内，相同膨润土掺量对应浆液的终凝时间随水固比的变大而变大.对于膨润土掺量的增加，其终凝时间是先增加后下降的，表现为当膨润土掺量增加的到一定值时，继续加水对终凝时间的影响不增反减.在工程应用中，这样的一个峰值可以使终凝时间根据注浆要求进行调整.

图3 膨润土掺量、水固比对浆液终凝时间的影响

针对实际工程效益，根据施工过程中影响因素(工程地质条件、水文地质条件、施工工艺等)，可利用不同膨胀土掺量实现终凝时间，以达成工程目标.

3 结 论

文章以膨润土掺量和水固比作为水泥-膨润土浆液配比参量，进行了浆液析水率、流动度、终凝时间的影响性分析，得到如下结论：

1)不同膨润土掺量的浆液流动度均随水固比增加而增加，但浆液流动度增长速度却随着水固比先增大后减小，最终趋于稳定.相同水固比对应浆液流动度随膨润土掺量增加而降低.浆液流动度体现为膨润土掺量与掺水量之间博弈.

2)水泥-膨润土浆液的析水现象在水固比未达到1时加入膨润土抑制作用明显；在水固比达到1后，随水固比增加析水率增加明显，浆液保水性能难以发挥.

3)水泥-膨润土浆液配比时，膨润土掺量在增加的过程中存在着一个对浆液终凝时间影响不增反减的峰值，把控这个峰值能实现终凝时间根据注浆要求进行及时调整的目的.

在以上膨胀土改良水泥浆液的室内实验中，各项指标均表明，膨润土掺加会改变水泥浆液的相关性能，规律性较为明显.在项目实际施工时可根据改良效果、工程造价、路基强度等需求，综合考虑确定本项目的最佳膨胀土掺量.