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        速凝抗水分散型水泥基注漿材料的制備及性能研究

        2020-07-01 07:35:40張藝霞梁家杰
        功能材料 2020年6期

        趙 青,張藝霞,趙 軍,梁家杰

        (安陽工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,河南 安陽 455000)

        0 引 言

        突涌水、突泥災(zāi)害是我國隧道建設(shè)面臨的最嚴(yán)重問題之一,造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失在各類隧道地質(zhì)災(zāi)害中位居前列[1-2]。注漿是治理隧道突涌水最主要、最有效的手段之一[3-4],將注漿材料通過壓力設(shè)備注入地層或裂縫內(nèi),漿液以充填、滲透、壓密及劈裂等方式,驅(qū)趕空隙或裂隙中的水或空氣并占據(jù)其空間位置,漿液膠凝、固化后,達到加固地層和防滲堵水的目的[5-6]。用于治理隧道突涌水的注漿液應(yīng)具有速凝早強、抗水分散和可注性好等特點[7-9]。純水泥漿液凝膠時間長,不抗水分散,無法用于治理突涌水。水泥-水玻璃雙液漿凝膠時間短、抗水分散,但其水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣凝膠(C-S-H),強度低,加固效果不理想[10];另外,C-S-H在水溶蝕作用下極易分解,耐久性差[12]。水泥漿液成本低廉、固結(jié)體強度高,如果能解決抗水分散性差和凝膠時間長的缺陷,水泥漿液將成為治理隧道突涌水災(zāi)害最有前景的注漿材料[12-13]。

        本文從實際需求的注漿材料性能出發(fā),對PO和SAC進行配合,并輔以高效粘結(jié)劑HPMC和水,制備了速凝抗水分散型水泥基注漿材料。采用電子萬能試驗機、SEM和XRD等對注漿材料的性能進行了研究,獲得了滿足注漿要求的改性方案,可在實際治理隧道突涌水等工程中推廣應(yīng)用。

        1 實 驗

        1.1 實驗原材料

        42.5普通硅酸鹽水泥(PO):比表面積為336 m2/kg,初凝時間≥45 min,終凝時間≤390 min,上海海螺水泥有限責(zé)任公司;42.5快用高強硫鋁酸鹽水泥(SAC):比表面積為355 m2/kg,初凝時間≥25 min,終凝時間≤180 min,唐山北極熊建材有限公司;羥丙基甲基纖維素(HPMC):粘度為200 Pa·s,炭化溫度為295 ℃,密度為1.29 g/cm3,任丘市科維化工有限公司;實驗用水為自來水。普通硅酸鹽水泥(PO)和硫鋁硅酸鹽水泥(SAC)的礦物組成如表1所示,其物理性能如表2所示。

        表1 普通硅酸鹽水泥(PO)和硫鋁硅酸鹽水泥(SAC)的礦物組成

        表2 普通硅酸鹽水泥(PO)和硫鋁硅酸鹽水泥(SAC)的物理性能

        1.2 注漿材料的制備

        實驗中,首先將PO熟料,SAC熟料,HPMC分別粉磨,細度控制在比表面積為350 m2/kg,然后將粉磨的粉料按配合比進行復(fù)配,制備出速凝抗水分散型水泥基注漿材料。PO、SAC、HPMC和水的設(shè)計配合比如表3所示。

        表3 設(shè)計配合比

        1.3 測試方法

        按照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗方法》(GB/T 8077—2012)測定注漿材料的流動度,水泥凈漿流動的方法采用截錐圓模進行;按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346-2011)測定初凝時間和終凝時間;水泥膠砂強度的測定參照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671-1999)中的規(guī)定要求進行,制備成40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試樣,養(yǎng)護24 h后脫模,然后在養(yǎng)護室養(yǎng)護至需要的齡期測其強度;取水化水泥漿芯部試樣,磨粉后進行XRD譜圖測試,采用RigakuD/max2500 VB/PC型X射線衍射儀(X-ray diffractometer,XRD)觀察水化產(chǎn)物的衍射峰,以Cu Kα為輻射源,加速電壓為40 kV,電流為200 mA,步長為0.02°/步,掃描速度為4°/min,掃描范圍(2θ)為5~65°;取水化水泥漿芯部試樣,進行SEM譜圖測試,采用日本日立高新技術(shù)公司生產(chǎn)的Hitachi S-3400N型掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope,SEM)觀察水化產(chǎn)物的形貌和產(chǎn)物;抗水分散性實驗方法[18]:在500 mL燒杯中注入300 mL水,然后將200g的水泥漿體呈細流狀緩慢連續(xù)地注入燒杯中,觀察水泥漿體的分散和水體的渾濁情況,作為評價水泥漿抗水分散性能的指標(biāo)。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 HPMC用量對注漿材料性能的影響

        抗水分散性能是水下注漿材料的關(guān)鍵性能之一,HPMC是提高注漿材料抗水分散性能的粘結(jié)劑,本文考察了HPMC添加量對注漿材料漿料性能的影響。表4為不同HPMC用量注漿材料的漿料性能。從表4可以看出,隨著HPMC用量的增加,PO和SAC復(fù)合膠凝體系的流動度下降,凝膠時間延長,但抗水分散性能不斷提高,當(dāng)HPMC用量為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時,復(fù)合膠凝體系在水中完全不分散,水體澄清,抗水分散性能最好,漿料流動度為150 mm,初凝時間為23 min,終凝時間為30 min。

        表4 不同HPMC用量注漿材料的漿料性能

        Table 4 Slurry properties of grouting materials with different amounts of HPMC

        HPMC用量/wt‰流動度/mm凝膠時間/min初凝終凝抗水分散性能01751721差,渾濁1.01601924差,渾濁1.51502330好,無渾濁

        圖1為不同HPMC用量注漿材料的抗壓強度。從圖1可以看出,隨著HPMC用量的增加,注漿材料的抗壓強度不斷下降,當(dāng)HPMC用量為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時,注漿材料1,3和28 d的抗壓強度分別為13,17和36 MPa,相比于未添加HPMC時的抗壓強度,分別下降了31.6%,29.2%和18.2%,下降幅度逐漸減小。結(jié)合表4和圖1分析可知,增加HPMC的添加量,一方面會提高注漿材料的抗水分散性能,另一方面會降低注漿材料的抗壓強度。這是因為,HPMC的長鏈分子結(jié)構(gòu)含有大量極性官能團,與水泥顆粒周圍吸附的水分子形成大量氫鍵,加之HPMC的長分子鏈結(jié)構(gòu)相互纏結(jié),導(dǎo)致水泥漿體的內(nèi)摩擦阻力增加,流動度下降。隨著HPMC用量增加,PO和SAC復(fù)合膠凝體系的粘聚力增加,所以抗水分散性能不斷提高;而HPMC在水泥顆粒表面形成的聚合物膜阻礙了水分子向水泥顆粒內(nèi)部的繼續(xù)滲透,水泥顆粒的水化受到影響,所以注漿材料的凝膠時間隨之延長,抗壓強度下降。此外,HPMC含量越高,絡(luò)合物膜對水泥的水化延緩效果越明顯,強度也越低,同時HPMC顯著提高了水泥漿體的粘度,水化產(chǎn)物的氣孔含量增加,也導(dǎo)致復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的抗壓強度降低。因此,為了平衡注漿材料的抗壓強度和抗水分散性能,注漿材料HPMC的用量設(shè)計為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

        圖1 不同HPMC用量注漿材料的抗壓強度Fig 1 Compressive strength of grouting materials with different amounts of HPMC

        2.2 水膠比對注漿材料性能的影響

        表5為不同水膠比注漿材料的漿料性能。從表5可以看出,隨著水膠比增加,PO和SAC復(fù)合膠凝體系的流動度增加,凝膠時間延長,抗水分散性能變差。當(dāng)水膠比低于0.45時,注漿材料的抗水分散性能良好;當(dāng)水膠比為0.5時,水體出現(xiàn)微渾濁,注漿材料的抗水分散性能降低。

        表5 不同水膠比注漿材料的漿料性能

        Table 5 Slurry properties of grouting materials with different water binder ratio

        水膠比流動度/mm凝膠時間/min抗壓強度/MPa初凝終凝1 d3 d28 d抗水分散性能0.401402026162242好,無渾濁0.451502330131736好,無渾濁0.501652634101530較好,微渾濁

        圖2為不同水膠比注漿材料的抗壓強度。由圖2可以知,隨著水膠比的增加,注漿材料的抗壓強度不斷降低。當(dāng)水膠比為0.40時,注漿材料在1,3和28 d的抗壓強度最大,分別為16,22和42 MPa;當(dāng)水膠比為0.45時,注漿材料在1,3和28 d的抗壓強度分別為14,17和36 MPa;當(dāng)水膠比為0.50時,注漿材料在1,3和28 d的抗壓強度分別為10,15和29 MPa。這是因為,隨著水膠比的增加,水泥顆粒在水溶液中能更好地自由分散,顆粒間摩擦阻力下降,流動度增加。同時,水泥漿體之間的粘聚力下降,抗水分散性能變差。隨著水膠比增加,水泥顆粒間距增大,水泥顆粒水化產(chǎn)物填充顆粒間隙、相互接觸成形成網(wǎng)狀絮凝結(jié)構(gòu)的時間延長,凝膠時間延長。水泥顆粒水化后剩余的水分也增多,水化后的水泥漿體中毛細孔數(shù)量增多,孔隙率增加,導(dǎo)致復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的抗壓強度下降[19]。在保證抗水分散性能好的前提下,水膠比越大,注漿壓力越小,施工越方便,材料成本越低,經(jīng)濟效益越好。因此,本文水膠比優(yōu)選為0.45,后續(xù)實驗水膠比均定為0.45。

        圖2 不同水膠比注漿材料的抗壓強度Fig 2 Compressive strength of grouting materials with different water binder ratio

        2.3 PO和SAC比例對注漿材料性能的影響

        以水膠比為0.45,HPMC添加量為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))進行實驗。表6為不同PO和SAC比例下注漿材料的漿料性能。從表6可以看出,PO和SAC的質(zhì)量比對復(fù)合膠凝體系流動度的影響不大,保持在145~160 mm之間。雖然PO的比表面積比SAC的比表面積小,需水量小,在相同用水量情況下,PO用量越多,復(fù)合膠凝體系的流動度應(yīng)越好,但由于受HPMC較強氫鍵作用的影響,復(fù)合膠凝體系整體流動度不大,氫鍵效應(yīng)導(dǎo)致的流動度下降效應(yīng)強于顆粒比表面積對流動度的影響。

        (1)

        C3S+3H=CSH+2CH

        (2)

        (3)

        表6 不同PO和SAC比例下注漿材料的漿料性能

        圖3 不同PO和SAC比例下注漿材料的抗壓強度Fig 3 Compressive strength of grouting materials with different ratios of PO and SAC

        圖3為不同PO和SAC比例下注漿材料的抗壓強度。從圖3可以看出,隨著SAC用量的增加,復(fù)合膠凝體系的早期(1和3 d)抗壓強度不斷提高,28 d抗壓強度先降低后升高。這是由于復(fù)合膠凝體系早期強度主要來源于SAC的水化,而后期強度主要由PO進一步水化提供。當(dāng)PO和SAC質(zhì)量比為4∶6時,PO的水化受到嚴(yán)重影響,導(dǎo)致后期強度降低,出現(xiàn)拐點,而后隨著PO含量的進一步減少,SAC含量的增加,注漿材料的密實性增強,復(fù)合膠凝體系的抗壓強度逐漸升高。當(dāng)PO和SAC質(zhì)量比為6∶4時,注漿材料1,3和28 d的抗壓強度分別為13,17和36 MPa。

        2.4 PO和SAC比例對復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的影響

        圖4為不同PO和SAC比例下注漿材料水化產(chǎn)物28 d的SEM圖。從圖4(a)可以看出,當(dāng)PO用量較多時(m(PO)∶m(SAC)=6∶4 ),注漿材料水化產(chǎn)物形成少量針狀A(yù)Ft、大量板狀CH和云狀C-S-H,硫酸鈣被SAC迅速消耗形成AFt,C3S水化形成大量C-S-H和CH,因為硫酸鈣的消耗,大量CH無法進一步形成鈣礬石,以板狀晶體形式存在于水化產(chǎn)物中。從圖4(b)可以看出,隨著PO用量減少(m(PO)∶m(SAC)=4∶6),注漿材料水化產(chǎn)物形成針棒狀A(yù)Ft堆疊,針棒狀A(yù)Ft之間存在較多間隙,由于OPC的水化受到限制,形成的C-S-H凝膠數(shù)量較少,無法完全填充空隙,結(jié)構(gòu)不密實,力學(xué)強度降低,這也是復(fù)合膠凝體系抗壓強度出現(xiàn)最低點的原因。從圖4(c)可以看出,隨著PO用量進一步減少(m(PO)∶m(SAC)=3∶7),注漿材料水化產(chǎn)物形成針棒狀A(yù)Ft和云狀C-S-H,且形成的AFt被C-S-H完全填充,密實性好,復(fù)合膠凝體系的力學(xué)強度增高。

        圖4 不同PO和SAC比例下注漿材料水化產(chǎn)物28 d的SEM圖Fig 4 SEM images of hydration products of grouting materials with different ratios of PO and SAC for 28 d

        圖5為不同PO和SAC比例下注漿材料水化產(chǎn)物的XRD譜圖。從圖5可以看出,不同PO和SAC質(zhì)量比的復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的成分大致相同,只是水化產(chǎn)物的相對含量有所區(qū)別。當(dāng)PO和SAC質(zhì)量比為6∶4和3∶7時,AFt的衍射峰都較強,生成的AFt數(shù)量多,宏觀表現(xiàn)為水化產(chǎn)物的抗壓強度較高;而當(dāng)PO和SAC質(zhì)量比為4∶6時,AFt的衍射峰相對較弱,生成的AFt數(shù)量少,宏觀表現(xiàn)為水化產(chǎn)物的抗壓強度低。這與注漿材料28 d抗壓強度實驗結(jié)果一致。另外,隨著PO用量減少,水化產(chǎn)物的C3S和C2S的衍射峰反而增強,這表明復(fù)合膠凝體系中隨著SAC用量增加,SAC迅速水化,PO的水化受到限制,水化越來越不充分。

        圖5 不同PO和SAC比例下注漿材料水化產(chǎn)物的XRD譜圖Fig 5 XRD patterns of hydration products of grouting materials with different ratios of PO and SAC

        2.5 注漿材料的最優(yōu)配合比及性能

        根據(jù)上述實驗結(jié)果,PO和SAC復(fù)合膠凝體系的凝膠時間顯著縮短,是制備速凝型隧道注漿止水加固材料的經(jīng)濟性解決方案之一。綜合考慮隧道注漿止水施工材料配制及漿液在設(shè)計注漿范圍內(nèi)的充分?jǐn)U散、密實填充及流動性等因素,將注漿材料的初凝和終凝時間控制在20~30 min內(nèi)。優(yōu)選隧道止水注漿材料的最優(yōu)配合比,如表7所示,注漿材料性能如表8所示。

        表7 優(yōu)選注漿材料的配合比

        表8 注漿材料的性能結(jié)果

        從表7和8可以看出,注漿材料的最優(yōu)配比為:PO和SAC的質(zhì)量比為6∶4,水膠比為0.45,HPMC用量為注漿材料質(zhì)量的1.5‰。此時制備的注漿材料的流動度為150 mm,初凝和終凝時間分別為23和30 min,既能保證注漿材料在設(shè)計注漿范圍內(nèi)的充分?jǐn)U散、密實填充又能及時終凝,發(fā)展強度,起到加固作用,同時具有良好的抗水分散性能。

        3 結(jié) 論

        采用普通硅酸鹽水泥(PO)、硫鋁酸鹽水泥(SAC)、羥丙基甲基纖維素(HPMC)和水進行改性,制備了速凝抗水分散型水泥基注漿材料,研究了不同PO和SAC的質(zhì)量比、水膠比和HPMC用量對注漿材料性能的影響,得到以下結(jié)論:

        (1)PO和SAC復(fù)合膠凝體系的凝膠時間顯著縮短,是制備速凝型隧道注漿止水加固材料的經(jīng)濟性解決方案之一。

        (2)增加HPMC的添加量,一方面會提高注漿材料的抗水分散性能,另一方面會降低注漿材料的抗壓強度,為了平衡注漿材料的抗壓強度和抗水分散性能,注漿材料HPMC的用量設(shè)計為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。

        (3)在水膠比為0.45時,注漿材料的抗水分散性能良好,注漿壓力適中,施工方便,材料成本低,經(jīng)濟效益較好。

        (4)當(dāng)PO和SAC的質(zhì)量比為6∶4時,注漿材料的凝膠時間最長,初凝和終凝時間分別為23和30 min,最適合隧道注漿止水施工材料配制及漿液在設(shè)計注漿范圍內(nèi)的充分?jǐn)U散、密實填充及流動性等要求。

        (5)SEM和XRD分析表明,不同PO和SAC比例的復(fù)合膠凝體系水化產(chǎn)物的成分大致相同,只是水化產(chǎn)物的相對含量和堆疊狀態(tài)有所區(qū)別。

        (6)注漿材料的最優(yōu)配比為:PO和SAC的質(zhì)量比為6∶4,水膠比為0.45,HPMC用量為1.5‰(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),此時制備的注漿材料的流動度為150 mm,初凝和終凝時間分別為23和30 min,滿足隧道止水注漿材料的要求,可在實際治理隧道突涌水等工程中推廣應(yīng)用。

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