早强剂对水泥浆工程性能影响的试验研究*

安亚强 张伟 郭欢 马梦娜 徐洁

（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）

水泥灌浆是一种水工建筑物边坡防护与加固的措施，由于其工艺简单、高效经济等优点而被广泛使用。水泥净浆是水泥灌浆措施中的一种主要灌浆材料，对于锁锚、固锚、封缝堵漏、增强边坡稳定性有很重要的作用。水泥灌浆一般为纯水泥浆液，当加入外加剂和掺合料后，会显著改善水泥净浆的工作性能和强度。故大多数工程中普遍通过加入早强剂、粉煤灰等外加剂和掺合料以改善水泥浆的早期强度和流变性而达到控制性灌浆的目的[1]，形成了一种新型水泥基混合浆液。

金沙江流域某水电站引水发电进口二级边坡的锚索孔采用水泥净浆浇灌锚索孔[2]，但在施工中锚索孔及其所在边坡岩体发生了漏浆、塌孔的情况，采用多种工艺措施效果甚微，针对此种工程实际问题[3]，特提出在水泥净浆中掺入早强剂，以探究单掺早强剂的水泥灌浆材料凝结时间、流动性与强度的发展规律，探索早强剂对解决漏浆、塌孔等工程实际问题的重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验采用四川省峨胜牌PO42.5型水泥，其基本性能均满足工程和试验要求。早强剂采用四川某公司生产的JC-7复合早强剂，属于无机复盐型[4]，厂家推荐掺量为3%；细骨料为中等河砂，细度模数2.8，含泥量小于3%，均满足工程和试验要求。

1.2 试验方法

1.2.1试验设备

水泥浆体流动度测定使用马歇尔漏斗Marsh筒，该仪器在工程现场因其简便、快捷而普遍采用。

水泥灌浆材料凝结时间采用标准维卡仪、初凝测针和终凝测针进行测定。

1.2.2试验设计

一般情况下，由于水灰比和早强剂对水泥浆的强度和流动性影响较大，本试验根据工程现场灌浆经验水灰比取三个水平（见表1），早强剂掺量结合厂家推荐用量和施工现场的经验掺量取八组水平，结合工程现场经验进行有效组合（见表1），主要探究水灰比和早强剂掺量对水泥浆凝结时间、流动性和早期强度的影响规律。

试验配合比的设计与计算根据《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB/T50448）和《水工建筑物水泥灌浆施工技术规程》（DL/T5148）规定，早强剂参照规范《混凝土外加剂均质性试验方法》（GB/T8077）和《混凝土早强剂》（T/CECS10124）确定掺加方法和试验要求，掺量以水泥质量百分数计量。

表1 试验配合比及结果

1.2.3试验方法及试件制作

试验中水泥净浆凝结时间参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T1346）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/T1083）中的Marsh筒法测定Marsh流动度值，以此指标判断流动性。

水泥净浆强度试件采用尺寸为40mm×40mm×160mm的棱柱体[6]成型，参照《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T17671），结合相关学者的研究中的有关做法[5]进行试验研究，测定3d和7d早期抗折强度和抗压强度。

2 试验结果与分析

本试验共设计15组配合比，每组配合比试验先测定凝结时间，再分别测定不同时间的Marsh度值，最后在标准养护到规定龄期测定水泥净浆的强度，具体的试验结果见表1。

2.1 凝结时间分析

根据水泥净浆的凝结时间数据可得水灰比和早强剂掺量对水泥浆的凝结时间的影响规律如图1所示。

由图1可知，随早强剂掺量不断增加，水灰比越小，水泥浆初凝时间越短，其中以早强剂掺量为2%～3%时，水泥浆初凝时间普遍小于300min，终凝时间最多不超过600min。从这一规律，显然得到早强剂在一定程度上能够缩短水泥浆的凝结时间，可有效阻断漏浆和塌孔的形成过程。

2.2 流动性分析

图1 水灰比和早强剂掺量对水泥浆凝结时间的影响

水泥浆的流动性评定参考《混凝土外加剂匀质性试验方法》（GB/T8077-2012）等规范中Marsh筒法来测定水泥浆的流动性。由于流动性大的水泥浆在浇灌锚索孔时既可以自由流淌填充密实锚索孔内裂隙空间，又可与锚孔原岩粘结成为牢靠的整体，保证边坡的整体稳定性。本试验中水灰比和早强剂掺量对水泥浆的流动性影响规律如图2所示。

图2 水灰比和早强剂掺量对水泥浆流动性的影响

图2的曲线反映出：随着早强剂掺量增加，水泥浆的Marsh流动度降低并趋于稳定；水灰比越小，水泥浆的Marsh流动性比较稳定，早强剂掺量达3%时，水灰比为0.5的水泥浆流动性趋于稳定。

由以上规律可知，早强剂对水泥浆流动性的影响比较小，本试验采用的无机复盐早强剂与水泥中的铝酸三钙及其产物氢氧化钙继续反应，加速固相产生和结晶析出，并不能有效增加水泥浆的流动性。

2.3 强度分析

水泥胶砂强度虽然由于砂的加入提高了水泥胶砂密实度而增强了水泥胶砂的强度，但此水泥胶砂不能完全反映水泥净浆（不含骨料）的实际强度，故本试验采用水泥净浆体在胶砂试模中成型而不加任何骨料的方法直接按照胶砂强度的方法测定水泥净浆的强度，水灰比和早强剂掺量对水泥浆强度的影响规律如图3所示。

图3 水灰比和早强剂掺量对水泥浆抗压强度的影响

由图3可得：

（1）当早强剂掺量增加时，水泥浆3d和7d抗压强度，都有先增加后减小的规律，这体现了早强剂能有效提升水泥净浆的早期强度，但是水灰比不同，水泥浆的最优掺量不同。

（2）当早强剂掺量相同，水泥浆水灰比越小，其3d抗压强度越大。

（3）水灰比为0.5时，随早强剂掺量增加，抗压强度先增加后减小，3d强度普遍大于7d强度；水灰比大于0.5时，随早强剂掺量增加，3d强度先小于7d强度，随后3d强度先大于7d强度。

（4）水灰比为0.5时，掺早强剂的水泥浆与普通硅酸盐水泥的3d抗压强度的强度比均超过了100%，早强剂掺量3%时，强度比最高达到了124%[7]，复合早强剂起到了增加水泥浆早期强度的作用[8]。

根据早强剂的作用机理和试验结果分析，水泥浆早期强度高后期强度有所减小主要原因在于早强剂中的硫酸盐和氯盐与水泥熟料反应，不仅加速水化反应速度，还因生成固相产物（如钙矾石）增加水泥石强度，但随水化反应进行，水泥净浆水化产物中碱的浓度持续增加[9]，对生成的盐等固相产物有一定的腐蚀溶解作用，所以出现水泥浆后期强度有所损失[10][11]的现象。

3 结语

通过单掺早强剂的水泥浆试验研究，初步得出以下三条结论：

（1）水灰比、早强剂掺量对水泥浆的凝结时间和强度有一定的影响，水灰比越小，水泥浆初凝时间越短；早强剂掺量为2%～3%时早强剂对水泥浆有显著的促凝增强作用。

（2）复合早强剂具有一定改善在水泥浆流动性的作用。在水灰比为0.5时，早强剂掺量为3%来为控制水泥浆的流动性大小的分界点，也可进一步探究同掺早强剂和减水剂对水泥浆的流动性的影响规律。

（3）水泥浆早期强度最大的早强剂最优掺量为3%。若要从根本上解决堵管和塌孔问题，需进一步探究掺早强剂的水泥浆的凝结时间、流动性和强度之间的本构关系，以便水泥浆在初凝前通过自身流动性达到一定密实度，并在塌孔前水泥浆能够达到一定的强度保证边坡和岩体稳定性，更准确控制水泥浆的凝结时间、早期强度和流动性，以期符合工程现场施工条件。