减水剂影响下湿磨黏土水泥灌浆材料性能研究

2020-02-06唐皇阳逸鸣

交通科学与工程 2020年4期

唐皇，阳逸鸣

(湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳 413000)

全风化花岗岩地层遇水极易软化崩解，隧道开挖或道路建设工程中，易发生突水、突泥、塌陷和地下水流失等现象[1−3]。工程中常用灌浆法对其进行加固处理，以增加施工安全性，但因其密实程度高、细微裂隙发育造成可灌性差[4]。

为了对致密地层有更好的灌浆效果，有学者提出采用湿磨水泥和超细水泥对该类地层进行灌浆，这类材料颗粒粒径较普通水泥小，提高了密实地层的可灌性，但存在成本高和稳定性差等问题[5−6]。也有学者提出在湿磨黏土水泥浆材中，用黏土取代部分水泥，不仅降低了材料成本，而且可增加浆液的稳定性，是一种比较理想的致密地层灌浆材料[7]。湿磨后，水泥和黏土得到充分反应，浆液黏度增大，不利于灌浆泵的泵送和地层中扩散。如何降低湿磨黏土水泥浆液的黏度，又不影响其稳定性，是亟须解决的问题。徐长伟[8]等人研究了磷渣废料对水泥基灌浆材料性能的影响，证明了磷渣废料替代部分石英砂，不影响灌浆材料的力学性能。王碧英[9]认为水胶比是影响水泥基灌浆材料流动度、抗压强度和竖向膨胀率的重要因素。成志强[10]等人分析了水胶比、砂胶比、粉煤灰、膨胀剂对水泥基灌浆材料析水率的影响，建议水泥基灌浆材料水胶比应小于0.55。这些研究针对的是水泥基灌浆材料性能的影响，但对于减水剂对灌浆材料基本性能影响的研究鲜见。因此，本研究对掺入苯系和聚羧酸盐系2 种高效减水剂的湿磨黏土水泥浆液进行室内试验，考虑不同掺量的减水剂和水固比的影响，对浆液的密度、析水率、流动度、漏斗黏度、初凝时间及结石体力学性能进行分析，以获得最优的减水剂材料及掺量，可为现场灌浆施工和设计提供指导。

1 试验

1.1 试验材料

1) 水泥：选用湖南碧螺牌425 普通硅酸盐水泥(P.O42.5)，其密度为3.06 g/cm3，标准稠度为29.5%，细度80 μm，筛余为1.9%，初凝凝结时间为90 min，终凝凝结时间为325 min，3,28 d 的抗压强度和抗折强度分别为19.1,4.3 MPa 和48.57,7.64 MPa。

2) 黏土：取自云南红河州某工地现场，其天然密度为1.53 g/cm3，密度为2.74 g/cm3，液限为31.5%，塑限为18.2%，渗透系数为3.0×10−5cm/s。

3) 减水剂：减水剂A、B 分别为苯系高效减水剂FDN-C 和聚羧酸盐系高效减水剂。

1.2 试验参数及方案

理想的灌浆材料应具有良好稳定性、可控性和可注性(流动性)。主要表现为：基本性质在一般条件下不轻易改变；凝结时间可以在2 h 内调控；浆液黏度小、流动度大，施工易泵送；浆液静止时，无较大析水。同时，保证固化后，结石体强度满足工程需要。

选用黏土原浆密度为1.20 g/cm3，以减水剂掺量和浆液水固比为变量，设计浆液和结石体性能试验，以研究浆液性能的变化规律。其中，2 种减水剂的掺量(占水泥质量)分别为 0%,0.1%,0.5%和1%,5%,10%；浆液水固比分别为0.6,1.0 和1.5,2.0。

1.3 浆液配制

根据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范(SL 62—2014)》[11]，采用水泥砂浆的配置技术要求和湿磨黏土水泥的配制方法[7]。本实验中的浆液采用黏土加水配成黏土原浆。在原浆中，加入掺了减水剂的普通硅酸盐水泥，搅拌2～3 min。再将配好的黏土水泥浆液放入胶体磨机，湿磨5 min，形成湿磨黏土水泥浆液。

2 改性浆液性能研究

2.1 浆液密度

浆液密度在灌浆过程中，对浆液可泵性有一定的影响，密度增大，可泵性相对降低。采用1002型泥浆密度计对各试验组浆液进行密度测试，测试结果如图1 所示。从图1 中可以看出，浆液密度随减水剂掺量增大变化不大。当其掺量小于1%时，浆液密度有一定波动，但波动范围不大；超过1%后，浆液密度保持不变。导致这种现象的原因可能是减水剂掺量为1%时，达到水泥与减水剂充分反应的饱和点。水固比是影响浆液密度变化的重要因素，水固比越大，浆液密度越小，可泵性越好。

图1 减水剂掺量−密度的变化关系Fig.1 Relationship between the water-reducing agent dosage and specific gravity

2.2 浆液析水率

析水率是指在一定时间内(一般2 h 内)浆液析出水分的多少，反映浆液在这段时间内的稳定程度。采用内径为27 mm、最大标准刻度为100 mL、最小刻度为1 mL 的圆柱量筒对其进行测定，V1为析出水的体积，析水率为V1%，试验结果如图2 所示。从图2 可以看出，浆液析水率随减水剂掺量和水固比的增加而增加。这是由于减水剂能够降低水泥水化所需的水分，减水剂掺量越小，所需的水分也小，即析出的水分越多。其中，减水剂小于1%时，增加速率较大；超过1%时，增加速率减缓且趋于平稳。减水剂A 对浆液析水率的影响大于减水剂B 的，但2 种减水剂下的最大析水率均不大于5%，根据《水工建筑物水泥灌浆施工技术规范(SL 62—2014)》[11]中的要求，属稳定浆液。

图2 减水剂掺量−析水率的变化关系Fig.2 Relationship between the water-reducing agent dosage and syneresis rate

2.3 浆液流动度

浆液流动度直接影响浆液的可泵程度和扩散能力，流动度越大，黏度越小，可泵性越好，扩散能力越强。采用净浆流动度测试法，对其进行测试，试验结果如图3 所示。从图3 中可以看出，浆液流动度随减水剂掺量的增加而增加。当减水剂掺量小于1%时，流动度增长速率较快；当掺量超过1%时，流动度增长速率趋于平缓。这是由于减水剂减小了水泥水化所需的水分，导致浆液自由水分增多，增大了配合后浆液的水固比，使浆液的流动度增大。相同水固比和减水剂掺量下，减水剂A 对浆液流动度的影响大于减水剂B 的。其中，水固比1.5、减水剂掺量10%的浆液流动度最大，达41.4 cm，流动性良好。

图3 减水剂掺量−流动度的变化关系Fig.3 Relationship between the water-reducing agent dosage and fluidity

2.4 浆液漏斗黏度

浆液在流动或泵送过程中，受到浆液自身黏滞力的影响。而漏斗黏度则是度量浆液黏滞系数的一个物理量，漏斗黏度越小，浆液流动度越大，扩散半径越大。实际工程中，为了防止扩散半径过大，造成跑浆浪费，还需对浆液的黏度进行控制。采用马氏漏斗黏度计，对其漏斗黏度进行测试，试验结果如图4 所示。

图4 减水剂掺量−漏斗黏度的变化关系Fig.4 Relationship between the water-reducing agent dosage and viscosity

从图4 中可以看出，浆液漏斗黏度随减水剂的增加而减小。当水固比大于1.0 时，减水剂掺量大于1%时，浆液漏斗黏度保持不变；当水固比为1.0，减水剂掺量大于5%时，浆漏斗液黏度保持不变；当水固比为0.6 时，浆液漏斗黏度在试验掺量范围内，逐渐减小。这是由于水固比减小，浆液水泥含量增大，所需反应的减水剂量也随之增加。掺入减水剂A 的浆液漏斗黏度，最小可降至21 Pa·s；减水剂B 最小为24 Pa·s。这都与单液水泥浆最小黏度(15 Pa·s)接近，能很好的适应各种灌浆泵的泵送及地层扩散。但掺量小于5%时，掺入减水剂A 浆液漏斗的黏度明显小于减水剂B 的，表明：减水剂A 的效果优于减水剂B 的。

2.5 浆液初凝时间

实际施工中，为得到较理想的灌浆效果，常要求浆液的凝结时间在一定范围内可控，采用维卡仪对其凝结时间进行测定，结果如图5 所示。从图5中可以看出，浆液初凝时间随减水剂掺量的增加而增加。其中，随减水剂A 和B 的掺量增加至1%时，各水固比浆液的初凝时间由67,92,108,121 min 分别增至154,167,176,187 min 和197,200,213,245 min；超过1%时，部分试件无法凝结。表明：减水剂掺量不宜超过1%，改性后浆液初凝时间可控范围分别为154～187 min 和197～245 min。

图5 减水剂掺量−初凝时间的变化关系Fig.5 Relationship between the water-reducing agent dosage and initial setting time

2.6 结石体无侧限抗压强度

结石体强度是反映注浆质量的重要指标。为测试浆液7,14,28 d 无侧限抗压强度，将试件制作为70 mm×70 mm×70 mm 的立方体。运用STYE-3000C 型全自动混凝土压力试验机，进行结石体的抗压强度测试，试验结果如图6 所示。从图6 中可以看出，结石体抗压强度随减水剂掺量的增大，呈先增大后减小趋势。这是由于掺入适量减水剂采用相同用水量和水胶比下，减水剂降低了水泥水化需要的水量，多余水分被湿磨消耗，从而降低了水胶比，提高了其结石体强度。当掺入超过适量的减水剂时，水泥用量和水胶比不变情况下，大大降低了水泥水化热需要的水分，导致大量水分释放，而湿磨过程未将其完全消耗，导致其抗压强度下降。其中，水固比为0.6 和1.0 时，分别掺入2 种减水剂(28 d 结石体抗压强度均≥5 MPa)，满足一般地基承载力要求。