范利丹，史志杰，余永強，李開放，張子建

（河南理工大學 土木工程學院，河南 焦作 454000）

0 前言

然而近些年，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和技術(shù)的進步，交通工程向縱、深方向迅猛發(fā)展，與此同時，礦井開采深度也不斷增加，高地溫（熱害）問題日漸成為隧道（洞）工程、采礦工程及其他地下工程中常遇到的地質(zhì)問題[1-3]，高溫地熱現(xiàn)象將使?jié){材表現(xiàn)出不同于常溫下的性能，如凝結(jié)時間縮短、強度降低、耐久性變差等。然而，目前該方面只有極少的研究報道[4-5]。

普通水泥漿因其較低的成本優(yōu)勢、較高的強度和廣泛的適用性，仍然是目前注漿工程中應(yīng)用較多的注漿材料，此外，膨潤土作為改善漿液穩(wěn)定性、分散性、保水性的礦物材料，也常被用來和水泥共同配制注漿液。漿液結(jié)石體抗壓強度作為注漿施工的一個重要指標，對堵水加固效果的好壞起著至關(guān)重要的作用。本文通過在實驗室模擬高地溫環(huán)境，對普通水泥漿在不同溫度、不同水灰比和不同齡期下的抗壓強度進行分析研究，并考察了摻有膨潤土水泥漿結(jié)石體的抗壓強度變化，以期對高地溫環(huán)境中的注漿工程帶來一定的借鑒。

1 試驗

1.1 試驗材料和儀器設(shè)備

水泥：焦作中晶水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥，主要性能指標如表1所示；膨潤土：產(chǎn)自信陽，鈉基膨潤土，作為漿液的穩(wěn)定劑，主要性能指標如表2所示；減水劑：河南美亞有限公司生產(chǎn)的MY-1聚羧酸高效減水劑，緩凝型，減水率29%，可降低漿液的黏度；水：自來水。

表1 水泥的主要性能指標

表2 膨潤土的主要性能指標

主要設(shè)備有水泥凈漿攪拌機、SHBY-40A標準養(yǎng)護箱、JYZ-700混凝土加速養(yǎng)護箱、NYL-300型壓力實驗機、40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模等。

1.2 試驗方法

按一定比例配制漿液，經(jīng)水泥凈漿攪拌機攪拌（低速120 s，高速120 s）后，配制成特定配比的漿液各16組；將漿液倒入40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模中；將試模分別放入20℃的標準養(yǎng)護箱和40、60、80℃的混凝土加速養(yǎng)護箱（相對濕度≥90%）中養(yǎng)護24 h，然后拆模；在加速養(yǎng)護箱繼續(xù)養(yǎng)護至3、7、14 和 28 d；測試試塊的抗壓強度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 凈漿結(jié)石體的抗壓強度

水泥漿結(jié)石體是由水化產(chǎn)物、未經(jīng)水化的水泥顆粒以及孔隙組成，水化產(chǎn)物中的晶體主要有 Ca（OH）2、鈣礬石（AFt）和單硫型水化硫鋁酸鈣（AFm），晶體相互搭接、交錯和粘連，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在水泥漿結(jié)石體中起重要的骨架作用，水化硅酸鈣凝膠（C-S-H）填充于其中。C-S-H凝膠比表面積很大，表面能高，相互間受到分子間的引力作用，相互接觸而形成了水泥石的強度。常溫下，隨著水化齡期的延長，水化產(chǎn)物生成量逐漸增加，水泥漿結(jié)石體強度不斷提高。但隨著養(yǎng)護溫度的升高，水泥漿在水化速率、水化程度、水化產(chǎn)物組成和組織結(jié)構(gòu)方面都會發(fā)生變化，從而影響到結(jié)石體的強度。表3為水灰比分別為0.6、0.8、1.0和1.2的凈漿在不同溫度養(yǎng)護下形成的結(jié)石體在不同齡期的抗壓強度。

2.1.1 抗壓強度和溫度之間的關(guān)系

由表3可以看出，養(yǎng)護齡期為3 d時，水灰比0.6的結(jié)石體抗壓強度隨溫度的升高先提高后降低，在溫度為40℃時最高，相對于20℃時提高了57.04%；水灰比0.8、1.0和1.2的結(jié)石體隨著溫度的升高，抗壓強度逐漸提高，80℃時的抗壓強度相對于20℃時提高1倍以上。7 d齡期時，各水灰比結(jié)石體的抗壓強度在低于40℃時，隨溫度升高，呈較快增長趨勢，40℃時的抗壓強度約為20℃時的1.5倍，之后增長變緩，60℃之后則開始降低。14 d和28 d齡期時，在溫度低于40℃時，各水灰比漿體的抗壓強度隨溫度升高而提高，40℃后則隨溫度升高而降低。

主題學習的具體過程：1）選擇主題，學生、教師單獨選取，或者師生共同選擇；2）確定核心概念，盡可能避免學生偏離學習主題；3）提出引導性問題，畢竟學習時間是有限的，引導性問題能夠引導學生在有限的時間內(nèi)對應(yīng)該深入探究的問題進行探究；4）布置學習任務(wù)，從外部驅(qū)動學習者學習；5）設(shè)計學習內(nèi)容，因為主題學習內(nèi)容包括課程既定內(nèi)容和與主題相關(guān)的內(nèi)容，故要通過設(shè)計學習內(nèi)容將二者進行整合；6）確定學習資源，一般來說，任何形式的資源都可用來支持主題學習；7）設(shè)計學習活動，這是主題學習的核心環(huán)節(jié)；8）形成一個時間表，可根據(jù)實際情況具體設(shè)計；9）評價，注重過程性的評價。此過程如圖1所示。

上述結(jié)果說明，溫度升高對漿體的早期強度有提升作用，但對后期強度發(fā)展不利。分析其原因在于，溫度越高，水泥水化速率越快，在早期階段水泥顆粒外層即有較多的C-S-H凝膠和Ca（OH）2晶體等水化產(chǎn)物生成[6]，這些產(chǎn)物快速沉淀從而使得水泥漿結(jié)石體具有較高的早期強度；在14 d和28 d的中后期階段，20℃和40℃養(yǎng)護的水泥漿體還能夠繼續(xù)水化并不斷發(fā)展強度，并且水化產(chǎn)物能均勻擴散并沉淀，產(chǎn)物之間搭接較好，形成的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中大孔徑孔隙較少，組織結(jié)構(gòu)較為均一；但60℃和80℃高溫養(yǎng)護條件下，因前期水化程度已經(jīng)較高，且較多的水化產(chǎn)物覆蓋在未水化的水泥顆粒上，水泥水化反應(yīng)變緩，繼而影響到強度的發(fā)展[7]。另一方面，因60℃和80℃高溫養(yǎng)護時生成的水化產(chǎn)物擴散速度低于生成速度，所以水化產(chǎn)物沒有足夠的時間有序沉淀，產(chǎn)物之間搭接錯亂，結(jié)構(gòu)較為粗糙，并且圍繞最初水泥顆粒的周圍，沉淀析出大量水化產(chǎn)物。而遠離水泥顆粒的地方，則水化產(chǎn)物較少，因而形成了較多和具有較大尺寸的毛細孔，導致了不均勻的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。溫度越高，較大孔的數(shù)量增多，并且孔徑越大，也就使得孔的平均尺寸變大，從而使得體系結(jié)構(gòu)中不均勻程度增大，也就對強度越不利[6，8]。

此外，在試驗范圍內(nèi)，水灰比越小，有助于漿體強度發(fā)展的溫度閾值越低，這可能是，水灰比小時水泥顆粒之間距離較近，強度發(fā)展對水化產(chǎn)物生成速率的要求不高，反而是較低溫度下，所生成水化產(chǎn)物的均勻、有序搭接和沉淀對其強度增長更為有利。

2.1.2 抗壓強度和水灰比之間的關(guān)系

由表3可以看出，同一溫度條件、同一齡期的結(jié)石體抗壓強度隨水灰比的增大而降低，這主要和水化產(chǎn)物的生成量有關(guān)，水灰比小的，水化產(chǎn)物較多，且孔隙率較低。另一方面，隨著水灰比的增大，強度降低幅度逐漸趨小。

2.1.3 抗壓強度和齡期之間的關(guān)系

從表3可以看出，在20℃和40℃養(yǎng)護下，各水灰比結(jié)石體的抗壓強度都隨齡期的延長逐漸提高，40℃時較20℃強度增長幅度稍有減弱；60℃時各水灰比漿體的抗壓強度在7 d之前呈快速增長趨勢，7 d之后增長變緩，14 d之后則呈緩慢下降趨勢；80℃養(yǎng)護下，各水灰比漿體的抗壓強度在養(yǎng)護3 d之后就開始緩慢下降。

以上結(jié)果表明，在溫度較低的20℃和40℃養(yǎng)護時，漿體的抗壓強度能夠隨齡期延長不斷發(fā)展，而在較高溫度的60℃和80℃養(yǎng)護下，強度隨齡期的延長反而有下降趨勢，且溫度越高強度下降的越早。一方面，原因如2.1.2節(jié)分析，在溫度較低的情況下水泥水化速率慢，水化反應(yīng)隨著齡期的增加逐步、有序完成，直至28 d水化反應(yīng)程度達到較高程度，水泥石強度也發(fā)展到一個較高水平。在較高溫度條件下，水泥水化速率較快，并且在靠近水泥顆粒的地方，水化產(chǎn)物大量堆積，影響水泥顆粒繼續(xù)參與水化反應(yīng)，因而在較短齡期內(nèi)，漿體強度發(fā)展到一定程度后，其增長開始變緩。對于60℃、80℃養(yǎng)護下的漿體分別在14 d、3 d齡期之后，強度呈微弱下降趨勢，分析其原因在于，當溫度較高時，經(jīng)過一定時間的養(yǎng)護，部分水化初期生成的針棒狀A(yù)Ft晶體會轉(zhuǎn)變成片狀晶型的AFm[8-9]，此外，較高溫度下針棒狀鈣礬石晶體結(jié)構(gòu)也會變小。片狀晶型的AFm生成，會導致強度下降，并且該轉(zhuǎn)化過程會帶來毛細孔的增加，從而對強度帶來不利影響。低溫下生成的Aft針棒狀晶體較長，有利于產(chǎn)物之間的相互嵌接，并且會起到類似纖維的增強作用，但是晶體結(jié)構(gòu)較小的Aft的生成，會使其對體系的增強作用減弱[8]，這些都導致了60℃以上高溫中，強度隨齡期延長而降低的現(xiàn)象。

2.2 溫度對摻膨潤土漿液結(jié)石體強度的影響

在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，水灰比較大的水泥凈漿具有較高的析水率，不滿足穩(wěn)定漿液對析水率低于5%的要求，因此，選擇能提高漿液穩(wěn)定性、保水性，且具有一定火山灰效應(yīng)的膨潤土作為外摻料，以6%和9%的添加量（相對于水泥質(zhì)量）加入到水灰比為1.0的漿液中，并加入0.2%（相對于水泥質(zhì)量）的高效聚羧酸減少劑來提高漿液的流動性，研究其對漿液結(jié)石體強度的影響。表4是摻膨潤土漿液結(jié)石體在不同溫度養(yǎng)護下各齡期的抗壓強度。

表4 摻膨潤土漿液結(jié)石體在不同養(yǎng)護溫度下的抗壓強度

由表4可見：

（1）在20℃和40℃的較低溫度下，摻膨潤土的漿液結(jié)石體在各養(yǎng)護齡期內(nèi)的抗壓強度都比凈漿結(jié)石體抗壓強度高，摻量為12%的漿液結(jié)石體抗壓強度稍高于摻量為6%的，28 d抗壓強度相對于水泥凈漿分別提高31.43%和25.00%。這應(yīng)該是膨潤土所具有的火山灰活性效應(yīng)[10]，使其能和水泥水化產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)，即膨潤土的摻入，會帶來除水泥水化產(chǎn)物之外更多的水化產(chǎn)物，并且能起到細化孔隙的作用[11]，從而使?jié){液結(jié)石體抗壓強度提高。

（2）當溫度為60℃時，摻膨潤土漿液的抗壓強度與水泥凈漿相差不大。溫度升高到80℃時，摻膨潤土漿液結(jié)石體的強度則低于水泥凈漿體強度，摻量為12%時，28 d抗壓強度下降18.57%。推測其原因，認為高溫下膨潤土膨脹力明顯增強對強度帶來了不利影響，尤其在后期，膨脹作用導致孔隙增大、孔隙率增加的不利影響占據(jù)了主導地位，使得早齡期火山灰效應(yīng)帶來的優(yōu)勢退居次要，因此，膨潤土摻量為6%和12%的結(jié)石體28 d抗壓強度相當，且都低于凈漿結(jié)石體的抗壓強度。

3 結(jié)論

（1）在相同溫度和相同齡期內(nèi)，結(jié)石體的抗壓強度隨水灰比增大而降低；水灰比較大時，降低幅度變緩。

（2）隨溫度升高，水泥水化反應(yīng)加快，結(jié)石體3 d抗壓強度隨溫度升高呈提高趨勢（0.6水灰比漿體除外）；但因水化速率過快帶來的水化產(chǎn)物搭接紊亂、產(chǎn)物分布不均勻、較大孔隙率和較大孔徑，使得漿體中、后期抗壓強度隨溫度升高先提高（低于40℃時）后降低（高于40℃時）。水灰比越小，有助于漿體強度發(fā)展的溫度閾值越低。

（3）相同水灰比的水泥漿體，在20℃和40℃的較低溫度時，水化反應(yīng)能夠隨齡期延長均勻進行，漿體的抗壓強度能不斷提高。在60℃及以上的高溫中養(yǎng)護時，生成的AFt晶體會轉(zhuǎn)變成AFm晶體，并且自身晶粒變短，并帶來較大的孔隙率和平均孔徑，因此60℃和80℃養(yǎng)護條件下，結(jié)石體抗壓強度分別在14 d和3 d后呈降低趨勢。

（4）在20℃、40℃較低溫度養(yǎng)護下，因膨潤土的火山灰效應(yīng)，其加入能夠提高水灰比為1.0的漿體強度，在養(yǎng)護溫度為80℃時，膨潤土的加入反而對漿體強度不利。

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