李 開 放

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

膨潤(rùn)土摻量對(duì)水泥注漿體強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

李 開 放

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 河南 焦作 454000)

針對(duì)國(guó)內(nèi)外地下施工過(guò)程當(dāng)中多次遇到高溫地?zé)崴畣?wèn)題，在實(shí)驗(yàn)室模擬了40℃溫度條件下，不同水灰比對(duì)水泥漿液的抗折、抗壓和析水率性能的影響以及在不同水灰比時(shí)摻加不同量膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿液的抗折、抗壓和析水率性能的影響，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明：水泥凈漿隨水灰比增大其抗折、抗壓均下降，析水率明顯增加；隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長(zhǎng)其抗折、抗壓強(qiáng)度均不斷增加。摻加膨潤(rùn)土對(duì)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度影響較大，但隨著摻量的增加，降低幅度明顯減弱，摻加膨潤(rùn)土對(duì)水泥砂漿的抗折強(qiáng)度影響較小。

水灰比；膨潤(rùn)土；漿液性能

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市化進(jìn)程以及交通設(shè)施的不斷完善，地下工程的數(shù)量明顯增多，并且向著長(zhǎng)、大、深的方向發(fā)展，特別是在我國(guó)的高山高原地區(qū)，隧道、地鐵高層建筑等很多工程不同程度地遇到了高溫地?zé)崴畣?wèn)題，此問(wèn)題將直接影響到工程的施工進(jìn)度以及工程質(zhì)量，是目前亟需解決的問(wèn)題。高溫地下水水溫25 ℃～108 ℃，地溫梯度高于正常地溫梯度(2.5 ℃/100 m)。在遇到高溫地?zé)崴?xiàng)目中，水溫位于25 ℃～45 ℃占主導(dǎo)地位[1]，例如：西南某新建鐵路項(xiàng)目等[2]。注漿施工是一種有效的防范和治理地下水問(wèn)題以及加固裂隙的施工方法。根據(jù)不同地質(zhì)條件配制不同的漿液，通過(guò)適當(dāng)?shù)淖{設(shè)備，將漿液注入到巖土體的裂隙、空隙和空洞中去，漿液凝結(jié)成結(jié)石體與原有巖土體緊密結(jié)合，從而降低巖土的滲透性，提高其各方面的性能[3]。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中應(yīng)用的注漿材料種類繁多，但不同的漿液各有利弊，其中化學(xué)注漿液對(duì)環(huán)境的污染比較嚴(yán)重，而水玻璃注漿液存在強(qiáng)度低、耐久性差的弊端，超細(xì)水泥注漿液則受施工成本過(guò)高的困擾，制約了其在施工現(xiàn)場(chǎng)的普及度[4]。為了解決單一注漿液存在的問(wèn)題，往往采用混合注漿液，通過(guò)往水泥漿液中摻入膨潤(rùn)土、減水劑等外加劑，使水泥漿液的流動(dòng)性增強(qiáng)、析水率降低，對(duì)于結(jié)石體的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度的影響不大，能夠在堵水加固方面取得較優(yōu)的效果[5]。因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中仍以普通水泥漿作為主要注漿液[6-8]。解決深埋隧道中出現(xiàn)的高溫問(wèn)題，探索高溫環(huán)境下水泥漿材的性能變化規(guī)律，在實(shí)際的工程應(yīng)用中具有重要的意義。為了解決高溫工程當(dāng)中的注漿問(wèn)題，配制出一種適合類似工程的注漿液。經(jīng)綜合考慮，本試驗(yàn)擬在室內(nèi)模擬高溫下的實(shí)際環(huán)境，設(shè)計(jì)出接近實(shí)際的試驗(yàn)條件，對(duì)40℃溫度條件下?lián)郊优驖?rùn)土對(duì)水泥漿性能的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，能為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

1.1 水泥

本試驗(yàn)擬采用的水泥為產(chǎn)于焦作中晶水泥廠的P·O 42.5水泥，化學(xué)成分詳如表1所示。

表1 水泥化學(xué)成分

1.2 膨潤(rùn)土

試驗(yàn)用膨潤(rùn)土的主要礦物成分為蒙脫石，主要化學(xué)成分為 SiO2、Al2O3、H2O 及少量的 Fe2O3、MnO2、MgO、CaO、K2O、Na2O、TiO2等可作為穩(wěn)定劑添加于水泥漿液中，能夠顯著提高注漿結(jié)石體的穩(wěn)定性。膨潤(rùn)土有很強(qiáng)的吸水性、觸變性、分散性、膠結(jié)性、膨脹性及陽(yáng)離子交換性。

膨潤(rùn)土是一種主要成分是蒙脫石的黏土，其所含的蒙脫石的種類和含量對(duì)于膨潤(rùn)土的性能有很大影響。當(dāng)膨潤(rùn)土在水中分散時(shí)，由于外表面吸附的陽(yáng)離子數(shù)量較少，有向外擴(kuò)散的趨勢(shì)，同時(shí)又受到帶電晶層的吸引，從而形成絡(luò)合物或者有機(jī)、無(wú)機(jī)復(fù)合物。水泥的水化產(chǎn)物針狀鈣礬石能夠與膨潤(rùn)土中的蒙脫石很好地相互結(jié)合，而蒙脫石特有的層狀架構(gòu)可以很好地填充在水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的空隙里，這樣水泥漿液的空隙就會(huì)減少，從而改善了混凝土的性能[9]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備有某省某縣樂(lè)壽建材儀器廠生產(chǎn)的水泥膠砂三聯(lián)試模，規(guī)格為：40 mm×40 mm×160 mm；某市錫東建材設(shè)備廠生產(chǎn)的JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機(jī)；某建儀儀器機(jī)械有限公司的JYT-700型混凝土加速養(yǎng)護(hù)箱；某長(zhǎng)城機(jī)電設(shè)備廠的KZJ-500型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)；某市建筑材料儀器機(jī)械廠的NYL-300型壓力試驗(yàn)機(jī)。

2 試驗(yàn)方案

2.1 水泥凈漿性能

本試驗(yàn)采取工程項(xiàng)目中最常用的4個(gè)水灰比進(jìn)行研究，水灰比為0.6、0.8、1.0、1.2，為對(duì)比摻加膨潤(rùn)土對(duì)于水泥砂漿性能的影響，先做出40℃溫度下4組不同水灰比的水泥凈漿的試件，置于養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并用抗折試驗(yàn)機(jī)和抗壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)定其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，與摻加膨潤(rùn)土的試件性能進(jìn)行比較分析。40℃時(shí)，不同水灰比下水泥凈漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度如表2和表3所示。

表2 不同水灰比下試件抗折強(qiáng)度 /MPa

表3 不同水灰比下試件抗壓強(qiáng)度 /MPa

從表2、表3中試件的抗折、抗壓強(qiáng)度可以看出，隨著水灰比的增大，試件的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有不同程度的減小，根據(jù)表2、表3繪制試件抗折抗壓強(qiáng)度曲線如圖1所示。從圖1可以看出，隨著水灰比增大，3 d和7 d的抗折強(qiáng)度差值逐漸減小，而抗壓強(qiáng)度在水灰比超過(guò)0.8之后減小幅度明顯變小，且3 d和7 d之間的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度差值逐漸減小。試塊折斷斷面如圖2、圖3所示。

圖1 強(qiáng)度隨水灰比變化曲線

圖2 抗壓試塊壓斷斷面 圖3 抗折試塊折斷斷面

2.2 摻加膨潤(rùn)土水泥砂漿性能

依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》(GB17671—1999)規(guī)定，根據(jù)混合后的注漿液的吸水率和黏度來(lái)確定本試驗(yàn)采用的注漿液中膨潤(rùn)土的摻量。其中，析水率是指水泥砂漿在靜止條件下水泥顆粒沉淀從而析出的水的體積所占總體積的百分比，黏度指標(biāo)很好地反應(yīng)了水泥漿液的流變性。試驗(yàn)中采用某試驗(yàn)儀器廠1006型泥漿黏度計(jì)對(duì)不同配比的水泥漿液黏度進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)水泥砂漿析水率以及黏度指標(biāo)來(lái)確定不同水灰比下膨潤(rùn)土的摻量[10]，如表4所示。

表4 不同水灰比下膨潤(rùn)土摻量

根據(jù)表4的配比，經(jīng)水泥凈漿攪拌機(jī)低速攪拌2 min，高速攪拌2 min后，配置出不同配比的水泥漿液，將攪拌均勻的水泥漿液倒入規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的三聯(lián)試模中，將試模和試件一起放入40 ℃養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)，養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行脫模，對(duì)試件繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至3 d、7 d后，利用某機(jī)電設(shè)備廠KZJ-500型電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)和某市建筑材料儀器機(jī)械廠NYL-300型壓力試驗(yàn)機(jī)測(cè)定試件的抗折和抗壓強(qiáng)度[11-12]，結(jié)果如表5所示。

表5 不同配比水泥漿強(qiáng)度

從表5可知，水灰比為0.6時(shí)，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，3 d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均有所增加，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，其抗壓強(qiáng)度有所增加；水灰比為0.8時(shí)，隨著膨潤(rùn)土摻量增加，試件各性能均有略微降低；水灰比為1.0、1.2時(shí)，隨著膨潤(rùn)土摻量增加，試件的各性能變化幅度不大。

表2、表3、表5的數(shù)據(jù)比較分析可知，摻加膨潤(rùn)土之后試塊不同期齡的的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。水灰比相同時(shí)，增加膨潤(rùn)土摻量后，抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度降低幅度變?。浑S著水灰比增大，試件抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度均有降低趨勢(shì)，且趨勢(shì)逐漸減小。

3 結(jié) 語(yǔ)

本試驗(yàn)通過(guò)模擬40℃地溫條件，測(cè)定了該環(huán)境下水泥凈漿的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度以及摻加膨潤(rùn)土的水泥漿液的抗折強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度，分析后得到以下結(jié)論：

(1)膨潤(rùn)土對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度影響較大，但隨著摻量的增加，強(qiáng)度降低幅度明顯減弱。

(2)在漿液水灰比相同時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度基本隨著膨潤(rùn)土摻量的增加而減小；而試件的抗折強(qiáng)度變化不明顯。

(3)膨潤(rùn)土對(duì)水泥砂漿的抗折強(qiáng)度有一個(gè)最佳摻量，對(duì)水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度也有一個(gè)最佳摻量，不過(guò)這兩個(gè)摻量值不相同，在實(shí)際工程中，應(yīng)多次調(diào)配試驗(yàn)，確定最佳配合比。本試驗(yàn)研究結(jié)論可對(duì)類似的工程項(xiàng)目有一定的指導(dǎo)意義。

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Experimental Research on Effect of Bentonite on Cement Slurry Fracture Resistance

LI Kaifang

(Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)

In view of high temperature geothermal water that frequently exist in underground constructions, a simulation was taken in the lab to find the influence of different water cement radio and different quality of bentonite clay based on different water cement radio to cement slurry′s fracture resistance, compression properties and bleeding radio. Results show that cement slurry′s fracture resistance and compression properties declined while bleeding radio increased with increasing of water cement radio. With the increase of the curing time, the fracture resistance and compression properties of cement slurry increased constantly. Bentonite clay had greater influence on the compressive strength of cement slurry, while the amplitude of reduction attenuate obviously. Bentonite clay had less effect on fracture resistance.

water cement ratio; bentonite; slurry performance

10.3969/j.issn.1674-5403.2017.04.002

TU528

A

1674-5403(2017)04-0006-04

2017-09-10

李開放(1990-)，男，河南開封人，在讀碩士研究生，主要從事工程材料方面的研究.