費子豪 吳進高 明華軍， 柯 睿 史存鵬

(1.三峽大學 水電工程施工與管理湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 水利與環(huán)境學院，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學 特殊土土力學研究所，湖北 宜昌 443002；4.長江三峽勘測研究院有限公司(武漢)，武漢 430074)

純水泥灌漿由于原材料(水泥)來源廣、價格較低、配制簡單等優(yōu)點被廣泛用于巖體裂隙、土體孔隙、混凝土裂縫等工程缺陷的滲透性灌漿處理.但其失水速度快、析水率高，對于較大裂縫，水泥漿液結石體往往不能完全堵塞裂縫，而留下貫通的孔隙(析出水所占空間)，造成防滲性能下降[1].同時，對于微裂隙極其發(fā)育的破碎帶，采用純水泥漿灌漿時會發(fā)生漿液回濃快、吃水不吃漿、灌漿管堵塞和爆管等問題[2-4].

由于膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的高塑性黏土，加入水泥漿中能吸附并制止水泥顆粒的沉積，降低漿液析水率.膨潤土的摻加，還可以改善水泥漿液的穩(wěn)定性和可灌性，降低漿液回濃現(xiàn)象[3-4].因此，工程中往往通過在純水泥漿液中摻加一定量的膨潤土，來改善純水泥漿液性能.另外，水泥-膨潤土漿液還作為垃圾填埋場垂直防滲系統(tǒng)[5]、盾構隧道同步注漿[6]等主要材料，得到廣泛應用.

膨潤土摻量和水固比是影響水泥-膨潤土漿液性能的核心因素，然后這兩個參量在工程應用和試驗研究中取值范圍變化較大，受工程經(jīng)驗等影響[2，5-9].因此，其嚴重影響著水泥-膨潤土漿液配比選擇及推廣應用.漿液析水率反映了漿液的保水性能；漿體流動性直接決定了材料在現(xiàn)場灌注時可灌性好壞；終凝時間決定了漿液能否有效起到防滲堵漏作用[10].因此，析水率、流動度、終凝時間是直觀反映膨潤土改善水泥漿效果的指標.

本文以膨潤土摻量和水固比作為水泥-膨潤土漿液的配比參量，研究膨潤土摻量和水固比對漿液析水率、流動度、終凝時間的影響，進而提出不同水泥-膨潤土漿液配比的適用性，以有助于較好地工程應用.

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本文使用的膨潤土為商業(yè)鈉基膨潤土，相應的基本特性見表1.

表1 膨潤土基本特性

水泥為普通硅酸鹽水泥，采用普通硅酸鹽水泥，其化學成分見表2.

表2 普通硅酸鹽水泥化學成分 (單位：%)

1.2 試驗內容及漿液配比

試驗主要從各配比漿液的析水率、流動度、終凝時間進行分析.其中析水率和流動度試驗參照《水工建筑物水泥灌漿施工技術規(guī)范》(SL62-2014)；終凝時間試驗參照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GBT1346-2011).

試驗用水泥-膨潤土漿液配比，按照膨潤土摻量分別為2%、5%、10%、25%、50%、100% 和 水 固 比 分別為0.5、1.0、2.0、3.0、5.0進行設計.膨潤土摻量指的是膨潤土相對水泥質量的百分比；水固比指的是漿液加水量與固相材料(水泥+膨潤土)的質量比.具體試驗用漿液見表3.

1.3 試驗過程

試驗過程包括拌漿和試驗兩部分，各試驗內容嚴格按照相關規(guī)范進行操作，本部分僅介紹拌漿方法.

①根據(jù)方案漿液配比確定相應水泥、膨潤土、水的用量；②取出部分試驗用水加入到膨潤土中，高速攪拌，使膨潤土充分分散于水中；③將剩余試驗用水加入水泥中，并使用高速攪拌機，持續(xù)攪拌超過30 s；④將充分分散后的膨潤土漿液加入到水泥漿液中，并使用高速攪拌機，持續(xù)攪拌超過2 min，制成試驗用水泥-膨潤土漿液.

表3 試驗用水泥-膨潤土漿液配比

2 試驗結果及分析

2.1 漿液流動度的影響性分析

流動度是水泥-膨潤土漿液在施工時需要考慮的一項重要性能，漿體流動性直接決定了材料在現(xiàn)場灌注時可灌性好壞，因此需要研究不同變量對流動度的影響.表4和圖1為不同膨潤土摻量和水固比下，漿液的流動度試驗結果.

表4 不同膨潤土摻量、水固比下漿液流動度

圖1 不同膨潤土摻量下流動度隨水固比變化曲線

對于膨潤土摻量較大、水固比較低的漿液，由于漿液過于粘稠，無法透過圓錐薄膜，故其流動度記為0.由圖1、表4可知，試驗所用膨潤土摻量、水固比數(shù)據(jù)范圍內，不同膨潤土摻量的漿液流動度均隨水固比增加而增加；相同水固比對應漿液流動度隨膨潤土摻量增加而降低.同時對于任意膨潤土摻量下漿液，其流動度增長速度隨著水固比均為先增大后減小，表現(xiàn)為已然過稀，繼續(xù)加水對漿液流動性提高作用不大.對比多條曲線發(fā)現(xiàn)，對漿液流動度變化程度影響，膨潤土摻量增加會提高相應的需水量.因此，水泥-膨潤土漿液流動度是膨潤土摻量與摻水量之間的博弈.

2.2 漿液析水率的影響性分析

漿液析水率反映了漿液的保水性能，保水性能低會影響水泥的正常凝結硬化，降低了水泥與物面的粘結力.加入膨脹土最重要目的是，吸附并制止水泥顆粒的沉積.降低漿液析水率，有利于漿液的工程應用.因此需要研究不同變量對析水率的影響.圖2為不同膨潤土摻量和水固比下，漿液的析水率試驗結果.

圖2 不同膨潤土摻量下析水率隨水固比變化曲線

對于膨潤土摻量較大、水固比較低的漿液，由于漿液過于粘稠且無法攪拌均勻，在試驗過程中無析水現(xiàn)象，其靜置2 h后的刻度依然為100 m L.由圖2可知，試驗所用膨潤土摻量、水固比數(shù)據(jù)范圍內，不同膨潤土摻量的漿液析水率均隨水固比增加而增加；相同水固比對應漿液析水率隨膨潤土摻量增加而降低.同時對于任意膨潤土摻量下的漿液，其析水率隨著水固比的增大而呈現(xiàn)增大的趨勢，當水固比達到1時，摻水量的增加導致漿液有明顯的析水增多現(xiàn)象.對比多條曲線發(fā)現(xiàn)，對漿液析水率的影響，隨著摻水量的增多、膨潤土摻量的減少，析水率變大.因此，水泥-膨潤土漿液的析水現(xiàn)象在水固比未達到1時加入膨潤土抑制作用明顯；在水固比達到1后，隨水固比增加析水率增加明顯，漿液保水性能難以發(fā)揮.

2.3 漿液終凝時間的影響性分析

終凝時間決定了漿液能否有效起到防滲堵漏，兼有決定影響加固工程體效果.把握好漿液的終凝時間能讓漿液在開始注入階段維持液體較長時間，有利于漿液在裂隙中的擴散.當漿液進入目標區(qū)域后，又能在較短時間內迅速凝結，達到工程灌漿的需求.因此需要研究不同變量對流動度的影響.圖3為不同膨潤土摻量和水固比下，漿液的終凝時間結果.由圖3可知，在本文試驗中所用膨潤土摻量、水固比數(shù)據(jù)范圍內，相同膨潤土摻量對應漿液的終凝時間隨水固比的變大而變大.對于膨潤土摻量的增加，其終凝時間是先增加后下降的，表現(xiàn)為當膨潤土摻量增加的到一定值時，繼續(xù)加水對終凝時間的影響不增反減.在工程應用中，這樣的一個峰值可以使終凝時間根據(jù)注漿要求進行調整.

圖3 膨潤土摻量、水固比對漿液終凝時間的影響

針對實際工程效益，根據(jù)施工過程中影響因素(工程地質條件、水文地質條件、施工工藝等)，可利用不同膨脹土摻量實現(xiàn)終凝時間，以達成工程目標.

3 結 論

文章以膨潤土摻量和水固比作為水泥-膨潤土漿液配比參量，進行了漿液析水率、流動度、終凝時間的影響性分析，得到如下結論：

1)不同膨潤土摻量的漿液流動度均隨水固比增加而增加，但漿液流動度增長速度卻隨著水固比先增大后減小，最終趨于穩(wěn)定.相同水固比對應漿液流動度隨膨潤土摻量增加而降低.漿液流動度體現(xiàn)為膨潤土摻量與摻水量之間博弈.

2)水泥-膨潤土漿液的析水現(xiàn)象在水固比未達到1時加入膨潤土抑制作用明顯；在水固比達到1后，隨水固比增加析水率增加明顯，漿液保水性能難以發(fā)揮.

3)水泥-膨潤土漿液配比時，膨潤土摻量在增加的過程中存在著一個對漿液終凝時間影響不增反減的峰值，把控這個峰值能實現(xiàn)終凝時間根據(jù)注漿要求進行及時調整的目的.

在以上膨脹土改良水泥漿液的室內實驗中，各項指標均表明，膨潤土摻加會改變水泥漿液的相關性能，規(guī)律性較為明顯.在項目實際施工時可根據(jù)改良效果、工程造價、路基強度等需求，綜合考慮確定本項目的最佳膨脹土摻量.