减水剂对水泥浆工程性能影响的试验研究*

安亚强 张 伟 武 强 马梦娜 丁 瑶

（1.陕西工业职业技术学院 土木工程学院，陕西 咸阳 712000；2.浙江华东工程咨询有限公司，浙江 杭州 712100）

锚杆支护作为边坡加固防护的主要形式之一，因其具有工艺简单、造价低廉而被广泛应用。水泥浆作为锚杆孔的主要灌浆材料之一，对于锁锚、增强边坡强度都有很重要的作用。水泥浆由水泥和水按一定比例配置而成的混合浆液，有时还会加入一些外加剂和掺合料以改善其流动性而更适用于实际工程。目前，工程中普遍通过加入减水剂等以改善水泥浆的凝结时间和流变性而达到控制性灌浆的目的[1]。

减水剂的减水机理是水泥在水化过程中会产生的絮凝状结构，加入减水剂后使水泥-水体系处于相对稳定的悬浮状态，且使加水初期的絮凝状结构分散解体释放出自由水，从而起到改善水泥浆流变性能的目的[2]。此外，水泥浆中加入减水剂之后，因减水剂的掺入使得水化反应的接触面积增大加速了水化反应速度，水泥浆的凝结时间显著缩短[3]。

金沙江某水电站引水发电进口二级边坡的锚索孔采用掺有减水剂的水泥浆浇灌锚索孔，但在施工中发生了跑浆、漏浆、塌孔和堵管的情况，针对此种工程实际问题，本文从掺减水剂的水泥浆的凝结时间、流动性和强度三方面展开对掺减水剂的水泥净浆性能的研究，以期获得单掺减水剂的水泥浆凝结时间与强度的发展规律，来指导实际工程的顺利施工。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验所用水泥为峨胜PO42.5型普通硅酸盐水泥，其基本性能均满足普通硅酸盐水泥要求。减水剂采用四川某公司生产的JC聚羧酸盐高性能减水剂，最大减水率是20%，推荐产量为1%，细骨料为中等河砂，细度模数2.83，含泥量小于3%。

1.2 方法

1.2.1 试验设备

水泥浆体Marsh时间自动测定仪，也称作马歇尔漏斗Marsh筒，用于测定含有外加剂的水泥浆体的流动性能，用该法研究确定水泥与外加剂的适应性，具有简便、快捷、试验误差小、敏感性好特点，可以直接确定掺有外加剂的水泥浆的流动性和其他相关性能。

1.2.2 试验设计

考虑到减水剂掺量和水灰比影响到水泥浆的凝结时间和强度大小，本试验根据工程现场灌浆经验取水灰比分别为0.5、0.55、0.58和0.6，减水剂掺量结合厂家推荐用量和施工现场的掺加量取四组水平，主要研究水灰比和减水剂掺量对水泥浆凝结时间、流动性和强度的影响规律。

试验的配合比设计根据相关规程《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB/T 50448-2015）和《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》（GB/T 17671-1999）规定进行设计，减水剂的掺量参照规范《聚羧酸系高性能减水剂》（JGT 223-2017）和《水泥与减水剂相容性试验方法》（JC/T 1083-2008）规定的方法，掺量以胶凝材料用量百分数计量。具体试验配合比见表1。

表1 试验配合比及结果

1.2.3 试验方法及试件制作

本试验中水泥浆凝结时间参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T1346）规定测定。

水泥浆的流动度测定方法采用《水泥与减水剂相容性试验方法》（JC/T 1083-2008）中的Marsh筒法进行测定Marsh度值。

水泥浆强度参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》规范，结合相关学者的研究[4]中的有关做法进行试验研究。抗压强度的标准试件应该采用尺寸为40mm×40mm×160mm的棱柱体[5]，凝结3d、7d后再对试件进行抗压强度的测定。

2 结果与分析

本次试验共21组配合比，每组配合比试验包括3组3d抗压强度试验和3组7d抗压强度试验，均在标准养护条件下养护，具体的试验结果见表1。

2.1 凝结时间分析

根据表1中水泥浆的凝结时间数据，得到不同水灰比和不同减水剂掺量的水泥浆的凝结时间的影响规律如图1所示。

图1 水灰比和减水剂掺量对水泥浆凝结时间的影响

由图1可得，随着减水剂掺量增加，不同水灰比下水泥浆初凝时间先缩短后延长，其中以减水剂掺量为2%时，各水灰比下水泥浆凝结时间最短。随着水灰比增加，水泥浆初凝时间变化幅度是增加的，其中以水灰比为0.5时水泥浆初凝时间变化幅度最小。

试验中，水灰比为0.6时，掺减水剂的水泥浆的初凝时间为比普通硅酸盐水泥的初凝时间最大可缩短16min。由此可知，可通过调整水灰比和减水剂掺量控制水泥浆的凝结时间在一定范围内变化以满足施工中对于水泥浆凝结硬化时间的要求。

2.2 流动性分析

水泥浆的流动性参考了《混凝土外加剂匀质性试验方法》（GB/T 8077-2012）等规范中关于水泥净浆流动性测定的方法，采用工程实际中普遍使用的Marsh筒来检验流动性较大的水泥浆的流动性。大流动性的水泥浆在灌注锚索孔时既可以及时封闭锚索孔内部孔壁的裂隙，又可增强锚索孔强度，以便加固边坡或者地基，保证结构的稳定性。本试验中不同水灰比下不同掺量的减水剂与水泥浆的流动性规律如图2所示。

由图2可知，随着减水剂掺量增加，水泥浆的流动性不断增加并趋于稳定，水泥浆的Marsh度不断降低并趋于稳定，表明低水灰比掺加减水剂后流动性普遍转好，减水剂掺量达3%之后，流动性趋于稳定，变化不大。

图2 水灰比和减水剂掺量对水泥浆流动性的影响

由以上规律可知，掺有减水剂的水泥浆可通过减水剂掺量来有效控制水泥浆的流动性，采用0.5的水灰比可有效控制水泥浆的Marsh度，有利于水泥净浆顺畅通过自流动达到所需灌浆的锚索孔内，达到填充密实目的。

2.3 强度分析

水泥胶砂强度试验因加入标准砂提升了水泥浆的强度，不能真实反映水泥净浆的真实强度，所以，本试验采用水泥浆体在胶砂试模中成型并试验，不同水胶比和减水剂掺量对水泥浆强度的影响规律如图3所示。

由图3可得出：

图3 水灰比和减水剂掺量对水泥浆抗压强度的影响

（1）随着减水剂掺量增加，水泥浆3d的早期强度和7d抗压强度对任一种水灰比，都具有不断减小的规律，这也体现了减水剂在一定程度上会降低水泥净浆的早期强度。

（2）对于同一掺量减水剂的水泥浆，随着水灰比减小其3d抗压强度逐渐增大。

（3）水灰比小于0.55且减水剂掺量小于1%时，掺减水剂的水泥浆3d抗压强度不低于10MPa，水灰比0.5且减水剂掺量1%时水泥浆早期强度比大于75%[6]。

从试验数据显然看出，大部分水泥浆的7d抗压强度比3d抗压强度稍高，只有部分水泥浆7d抗压强度比3d抗压强度有一定损失，究其原因主要在于随着水化反应趋于稳定，水化产物中碱的浓度增加，对钙矾石等水化产物有一定的腐蚀作用，所以出现了后期强度有损失的现象。

3 结语

通过掺减水剂的水泥浆试验研究，经过分析与对比，初步得出以下三条结论：

（1）水灰比、减水剂的掺量对水泥浆的凝结时间和强度有一定显著的影响，水灰比越小，凝结时间越短，早强强度越大；不同水灰比，减水剂掺量为1%～3%时水泥浆凝结时间较短；减水剂掺量小于1%时，早期抗压强度较好。

（2）水灰比小于0.55时，可通过减水剂掺量有效控制流动性大小。若精确控制流动性，可进一步探究减水剂掺量在2%～3%范围内受水灰比的影响规律，并以期通过大量试验得到Marsh度与水灰比、减水剂掺量之间的本构关系。

（3）为了保证水泥浆能够在一定流动性下灌满填实锚索孔，不出现堵管，同时也能在水泥浆硬化前期具有足够强度，需进一步探究水灰比、减水剂掺量与凝结时间、Marsh度和抗压强度之间的本构关系，以便精准控制水泥浆的凝结时间、早期强度和流动性大小，使其符合工程现场施工条件的要求。