矿渣粉—石英粉—水泥基注浆材料性能研究

林跃忠，韩昕昊，陈玉开，李恩广

（山东科技大学山东省土木工程防灾减灾重点实验室，山东 青岛 266590）

1 引言

水泥复合浆液具有价格低、强度大、工艺简单等优点，是工程中常用的注浆浆液。但是水泥的析水率大、凝结时间长等缺点，导致在注浆过程中来不及凝结，被流水冲刷而流失，而且水泥复合浆液后期存在易开裂的问题，导致后期的强度无法保证。因此，国内外的探究主要是集中在提高水泥复合浆液的流动性、结实率以及析水率等问题，主要采用的方法就是采用复合浆液来改善水泥浆特性。因为采用复合浆液可以有效地改善水泥的脆性和凝结时间的问题，来提高水泥的粘度和强度。

本文采用的是以矿渣粉、石英粉和水泥为材料，分别研究了不同掺量矿渣粉和石英粉对该浆液的抗压强度、流动性和析水率的影响，从而产生一种造价低的注浆材料。

2 试验

2.1 原材料

本文采用的基本材料是硅酸盐水泥、矿渣粉和石英粉。

2.2 试验流程

将石英粉、矿渣粉、水泥和水混合后进行快速搅拌，搅拌大约3min后进行粘度和流动性的测定，测定完，混合搅拌3min，进行试块的制作和析水率的测定，养护3d，7d，28d后进行结石率和立方体抗压强度的测定。

2.3 试验方案

试验选择水灰比为0.5:1，按照矿渣粉含量（10%、20%、30%）和石英粉含量（5%、10%、15%）以及养护时间的不同，设计了9组不同的试验，分别进行粘度、流动性、析水率、结石率和立方体抗压强度进行试验，并经过分析得出效果最好的配合比。

2.4 试验方法

2.4.1 粘度

①在测试前先用水把滤斗和量杯洗干净来确保正常流动。

②在进行实验时，用左手堵住漏斗的口，右手握住漏斗，将浆液倒入漏斗中。

③将烧杯放置在漏斗口下，松开左手的同时记录时间，当烧杯中的浆液满后，停止时间并记录。

④连续测两次，取平均值。

2.4.2 流动性

①将透明塑料板放置在水平面，用水润湿塑料板，使其表面湿润并不带水迹。

②将模具放置在塑料板中间，倒入浆液，抹平模具口。

③提起模具，记录两个不同方向的长度，取平均值，即流动度值。

④重复进行如上步骤。

2.4.3 析水率

将复合浆液倒入250mL的量筒内，大约倒入200mL时记录初始高度（H1），再2h后记录浆液的最终高度（H2），2h后析出的高度（初始高度与2h后高度的差）与H1的比值就是析水率。在倒入量筒的过程中，应当避免碰到杯壁和放置量筒抖动。

2.4.4 结石率

将浆液倒入70.7mm模具中，24h后拆模，用尺子在试块的三个方向上测其高度，多测几组取平均值，试块与模具的高度之比就是结石率。

2.4.5 立方体抗压强度

将浆液倒入70.7标准模具中，24h后拆模，养护3d、7d、28d，到养护时间后取出，测其立方体抗压强度，每组三个试块，取其平均值。

2.5 配合比

本实验的配合比如表1所示。

水泥基浆液配合比 表1

3 数据分析

3.1 流动性

经试验所得，流动性越好说明其扩散的范围越大，浆液的流动性能越好，越容易流下。矿渣粉—石英粉—水泥基浆液的流动性试验结果如表2所示。

矿渣粉-石英粉-水泥基浆液流动性试验结果 表2

水灰比为0.5的浆液流动性如表2所示。可得到结论：

①浆液的流动度值保持在150mm～200mm之间；

②与水泥浆液相比，矿渣粉掺量10%，石英粉掺量10%的时候，流动性最好。

3.2 粘度

粘度值越大，说明浆液的流动性能越差。矿渣粉—石英粉—水泥基浆液的粘度试验结果如表3所示。

液粘度试验结果 表3

其中粘度的校正公式为：

α为校正后的粘度值；B为清水的标准值（本文取15s）；D为实测浆液的粘度值；W为实测水的粘度值。

图1 不同配合比对粘度的影响

从表3中可得在水灰比为0.5的时候，浆液的粘度值范围在47s～130s，其变化范围较大，但总体来看，其粘度值保持在60s～130s。

不同的配合比，对于浆液粘度的影响也是不同的，由表中可得，随着矿渣粉掺量的增加（10%、20%），浆液的粘度随之降低。总的来说，石英粉掺量越多，粘度值越低；矿渣粉掺量越大，粘度值越高。

3.3 析水率、结石率

浆液的稳定性随着析水率的增加而降低，析水率越小浆液的稳定性越好。矿渣粉—石英粉—水泥基浆液的析水率试验结果如表4所示。

结石率与浆液的稳定性成反比，即与析水率成反比。结石率越高，其浆液的稳定性越好；反之，结石率越低，其稳定性越差。矿渣粉-石英粉-水泥基浆液的结石率试验结果如表4所示。

析水率、结石率试验结果 表4

其中，结石率的计算公式为：

H1为试块的高度值，H2为标准模具的高度值（70.7mm）

图2 不同配合比对析水率的影响

从表4中可得：矿渣粉和石英粉的掺量对于复合浆液的析水率影响不大。

在水灰比为0.5时，复合浆液的结石率均在97.7%～99.9%。随着矿渣粉掺量的提高，其浆液的结石率越低；而随着石英粉的掺量提高，浆液的结石率越高。这说明，石英粉掺量多的浆液结石率要比矿渣粉掺量多的结石率好。

3.4 抗压强度

立方体抗压强度对于浆液来说是一个具有代表性的标志，强度越高，说明浆液的能力越好。矿渣粉—石英粉—水泥基浆液的立方体抗压强度试验结果如表5所示。

强度试验结果 表5

在水灰比为0.5时，纯水泥浆液的抗 压 强 度 3d 为 14.32MPa；7d 为20.97MPa；28d 的为 35.37MPa。从表5中可以得出：石英粉掺量为5%时，矿渣粉含量越多，立方体抗压强度越低；石英粉掺量为10%时，矿渣粉含量越多，立方体抗压强度越高。矿渣粉含量一定时，石英粉含量越多，立方体抗压强度越低。

图3 养护期为3d的抗压强度曲线

图4 养护期为7d的抗压强度曲线

图5 养护期为28d的抗压强度曲线

4 结语

在矿渣粉掺量10%，浆液的流动性最好；石英粉掺量越多，浆液粘度值越低；矿渣粉掺量越大，浆液粘度值越高；浆液的析水率大小随着石英粉和矿渣粉的掺量的增加而降低，而且矿渣粉对浆液析水率的影响比石英粉对其的影响更大；随着矿渣粉掺量的提高，其浆液的结石率越低；而随着石英粉的掺量提高，浆液的结石率越高。