掺膨胀剂水泥-黏土浆体膨胀性能的试验研究

2019-11-23雷进生涂保林李美云

三峡大学学报(自然科学版) 2019年6期

雷进生戴康涂保林马波李美云

(1. 防灾减灾湖北省重点实验室(三峡大学)，湖北宜昌 443002; 2. 三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002)

目前，注浆工程中使用最广泛的仍然是水泥基注浆材料[1-2]．水泥浆材不仅消耗大量水泥，而且在硬化过程中常常伴有析水和固相体积收缩，使结石体与被填充基体之间的粘结强度降低，形成微裂隙，影响地基加固质量．因此，考虑向水泥中加入膨胀剂和其他材料，通过物理和化学反应产生体积膨胀，补偿结石体收缩提高注浆质量．

膨胀剂用于补偿混凝土收缩的成果较多，但用于注浆加固地基的研究较少，且多集中于对掺膨胀剂的纯水泥浆和自由膨胀率的研究[3-6]．地下工程中浆体的膨胀为约束条件下的限制膨胀，通过调整水泥基注浆材料的组成、水胶比、膨胀剂掺量等参数，进行限制条件下的浆体膨胀性能试验研究，对地下工程注浆加固具有重要意义．黏土颗粒细小，具有较高的分散性和良好的亲水性能，可显著改善水泥浆的稳定性[7]；水玻璃可以调节水泥浆的凝结时间，提高浆体的可灌性．鉴于此，本文以黏土为掺合料，并外掺硫铝酸钙类膨胀剂和水玻璃，设计正交试验对改性水泥浆体的膨胀性能展开研究．探讨水固比、黏土掺量、水玻璃掺量和膨胀剂掺量对浆体限制膨胀率的影响，优化地基注浆加固的配合比，对提高地下工程的安全性与耐久性及节约成本具有一定意义．

1 试验研究

1.1 试验原料

1)水泥：华新牌P.O 42.5水泥，基本性能指标见表1．强度值为水灰比0.5，(20±2)℃养护条件下的测值．

表1 普通硅酸盐水泥的性能

2)膨胀剂：武汉三源特种建材有限公司生产的硫铝酸钙类膨胀剂(CSA)，由硫铝酸钙(CAS)和铝酸钙(CA)加入适量的天然硬石膏及活化剂配制而成．其膨胀源主要为钙矾石，20℃水中7 d的限制膨胀率不低于3.5%．

3)黏土：采用钠基膨润土．

4)水玻璃：天津致远化工厂生产，模数为1.0．

1.2 试验方案

要取得良好的地基加固效果，注浆材料应具有适度膨胀、性能稳定、可泵性较好的特点．工程经验和已有研究成果表明[7-9]，选择水泥和黏土为注浆材料，通过添加适量外加剂可使浆液具备上述特点．

正交试验方案见表2．

表2 正交试验方案

试验时先将黏土粉制浆，再依次加入水泥和外加剂继续搅拌．选取影响因素A为水固比(水的质量与水泥和黏土的总质量之比)，因素B为黏土掺量(等量替代水泥)，因素C为水玻璃掺量(占水泥比例，外掺)和因素D为膨胀剂掺量(占水泥比例，外掺)为影响因素．

对每个因素选择3个水平，对应试件编号1～9号．将L9(34)正交表用于改性水泥浆的配合比试验[10]．另将水灰比为0.6、0.7、0.8的3组纯水泥浆作为对照组，分别编号为1′、2′和3′号，共计12组试验．

1.3 试验方法

约束条件下的膨胀可以使水泥石结构致密化，提高其强度和密实度且不会引起开裂．参考GB/T 23439-2017《混凝土膨胀剂》附录A，在实验室中成型一维限制浆体试件，养护温度均为(20±2)℃．

采用40 mm×40 mm×160 mm三联块试模，结石体部分尺寸为40 mm×40 mm×140 mm．试件养护24 h后脱模，用比长仪测量试件初长L，测量完后将试件放入水中养护7 d．测量完试件第7 d的长度后，将试件转入恒温恒湿养护箱中养护至第28 d，湿度为(60±5)%．取一组试件测量值的平均值作为限制膨胀率的测量结果，计算值精确至0.000 1%．试件膨胀率按下式计算：

(1)

式中，ε为所测龄期的限制膨胀率(%)；L1为所测龄期试件长度测量值(mm)；L为试件的初始长度测量值(mm)；L0为试件的基准长度，140 mm．

2 结果与讨论

2.1 试验结果

试验测得的试件各龄期的限制膨胀率结果见表3．

表3 限制膨胀率试验结果

不同水固比条件下两种浆体限制膨胀率随龄期的变化曲线及不同配合比改性水泥浆体限制膨胀率随龄期的变化曲线分别如图1～2所示．

图1 不同水固比改性水泥浆体限制膨胀率与龄期的关系

图 2 不同配合比改性水泥浆体限制膨胀率与龄期的关系

由图1可知，浆体的限制膨胀率均在7 d时达到最大，之后出现回缩并逐渐趋于稳定．CSA膨胀剂水化较快，膨胀主要发生在14 d前，28 d基本膨胀完全．7 d前试件在水中养护，养护水对钙矾石的形成起着重要作用，所以限制膨胀率增长很快；7 d之后试件在湿度为60%的养护箱中养护，限制膨胀率减小，这是由于水汽不饱和，水泥失去内部毛细孔和凝胶孔的水分产生了干燥收缩[11-12]．水泥浆中存在一定浓度的Ca2+、SO42-和AlO2-，反应生成了少量钙矾石，此外少量游离的CaO水化也会产生体积膨胀．所以纯水泥浆体表现出了微膨胀性，这与徐强等[12-13]的试验结果一致．不同水固比下两种浆体的限制膨胀率大小关系分别为3号>2号>1′号>1号、4号>5号>2′号>6号、8号>9号>7号>3′号，说明在纯水泥浆液中加入一定比例的黏土、水玻璃和膨胀剂可以提高浆体的膨胀率．

由图2可知，不同配比的改性水泥浆体的限制膨胀率大小大体上遵循3号>2号>4号>5号>1号>8号>9号>6号>7号，且限制膨胀率随着龄期的增加先增大后减小，之后趋于稳定，在7 d达到最大值并稳定在28 d．这是因为：水泥凝固前期，水固比和膨胀剂起主要作用，产生大量钙矾石，限制膨胀率增大；中期水固比和膨胀剂的作用减小，但仍为主要因素，而水玻璃掺量的影响却在增加，水玻璃消耗了体系中的石膏，使得含铝矿物与石膏的反应速率减慢，生成的钙矾石减少，限制膨胀率减小；随着强度增长，水固比、水玻璃含量和膨胀剂含量对限制膨胀率的影响降低，膨胀剂的作用基本发挥完全，从而使得限制膨胀率趋于稳定．

2.2 极差分析

我国规范通常以28 d的自由或限制膨胀率作为膨胀性能判别的标准．由试验结果可知，试件28 d的限制膨胀率基本稳定，工程实践中应参考稳定后的膨胀值指导施工，因此对龄期为28 d的试件限制膨胀率进行直观分析，结果见表4．

表4 28 d限制膨胀率极差分析

由表4可以得出，A1B3C2D3是最优组合；因素A、B、C和因素D的极差分别为1.443、0.477、0.967和1.090，即影响28 d限制膨胀率的因素主次顺序为水固比>膨胀剂掺量>水玻璃掺量>黏土掺量，水固比对28 d限制膨胀率影响最大．

2.3 正交试验结果综合分析

为了更直观地看到各种因素对试验指标的影响，以各因素水平值为横坐标，限制膨胀率平均值为纵坐标，绘制限制膨胀率随因素水平值变化的趋势图，如图3所示．

图3 各因素对限制膨胀率的影响趋势图

由图3可得：浆体限制膨胀率随水固比的增大而减小，随黏土掺量的增加先增大后减小，随水玻璃掺量的增加先增大后基本保持不变，随膨胀剂掺量的增加而增大．由2.2的分析可知，配合比的设计应首先考虑水固比，其次是膨胀剂掺量．图3中水固比0.6，膨胀剂掺量12%时的试件7 d限制膨胀率均大于3.5%；从28 d的限制膨胀率大小来看，黏土掺量、水玻璃掺量分别为15%、2%时最优．

水泥是一种多矿物聚集体，主要由硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3A)和铁铝酸四钙(C4AF)这4种熟料矿物组成，作为膨胀源的钙矾石是C4AF早期产生的水化铝酸钙与水泥中的少量石膏反应生成的．水泥本身的硬化主要是由水泥水化生成的胶凝物质造成的，在C3S水化过程中产生氢氧化钙：

3CaO·SiO2+nH2O→

2CaO·SiO2·(n-1)H2O+Ca(OH)2

(2)

在水泥浆中，石膏溶解在水里，产生Ca2+和SO42-．水泥熟料中的C3A和C4AF等含铝矿物，以及膨胀剂中的膨胀矿物如硫铝酸钙和铝酸钙也溶于水中，产生AlO2-和Ca2+，它们相互反应产生钙矾石：

6Ca2++2AlO2-+3SO42-+4OH-+29H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O

(3)

钙矾石为针状晶体，难溶于水，在硬化水泥石中普遍存在．该结构非常稳定，自身具有膨胀性，可以使固相体积增加120%[14]．

由上述化学方程式可知，钙矾石的形成与水泥中石膏含量和含铝矿物含量密切相关．在限制条件下，水固比增大时，水泥石孔隙率提高、收缩变大，较多的膨胀能消耗在孔隙的挤压上，产生较多无效膨胀，从而导致限制膨胀率减小[15]；黏土的掺入对水泥的水解及水化反应具有一定的促进作用，有利于钙矾石的生成．但掺量超过10%时，替代的水泥量较大，石膏及含铝矿物的含量减少，导致钙矾石的生成量减少．因此，限制膨胀率随黏土掺量的增加先增大后减小；硅酸三钙(C3S)在水泥中的含量是恒定的，水化产生的氢氧化钙的量是确定的，故消耗的水玻璃量也是确定的．水玻璃掺量为1%时量不够，对水泥水化反应的促进作用较小．水玻璃掺量超过所需量时，超出的量与石膏反应消耗石膏．由于水玻璃掺量很少且相差很小，对钙矾石的生成影响较小，所以水玻璃掺量为3%与掺量2%时限制膨胀率基本相同；而膨胀剂越多，硫铝酸钙、铝酸钙和石膏也越多，与水泥反应生成的钙矾石越多，限制膨胀率越大．

2.4 最优配合比

王达等[15]认为，并非膨胀率大抗裂性就好，更重要的是膨胀回缩落差小，水泥浆性能优劣的关键在于其结石体最大膨胀值较大且回缩值较小．由试验结果及分析可知，水固比、黏土掺量、水玻璃掺量和膨胀剂掺量分别为0.6、15%、2%和12%时，试件7 d限制膨胀率大小满足规范要求，稳定后的28 d限制膨胀率与7 d时的最大限制膨胀率相差较小，即膨胀回缩落差小，膨胀性能明显优于纯水泥浆．因此，研究得出的组合A1B3C2D3的配合比是最优的，可以作为工程应用的参考配合比．