潘衛(wèi)東，陳大江

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641)

普通水泥注漿材料是目前使用最多的注漿材料。普通水泥注漿是將一定比例的水泥和水混合，抗壓抗剪強度較高，而且材料豐富，價格低廉，但是存在泌水率過高和凝結(jié)時間過長的問題，而加入速凝劑、保水劑、緩凝劑和減水劑等外加劑能夠有效改善這些問題。但多種外加劑混合時，外加劑之間的相容性問題目前研究較少，即不同外加劑之間會產(chǎn)生怎樣的相互影響，對于外加劑的效果會加強或是減弱目前研究不多。由于外加劑種類較多，全面試驗則試驗次數(shù)過多，而正交試驗法適用于多因素試驗，試驗次數(shù)少，效率高?；诖?，該文在前期研究的基礎(chǔ)上，選擇合適外加劑及其因素水平，采用正交試驗方法對可控水泥漿進行試驗。得到適宜水泥漿凝膠時間、泌水率小和流動性較好的可控水泥漿。

1 試驗原材料與試驗方法

1.1 原材料

(1)水泥：采用普通硅酸鹽水泥P.O.42.5級，其性能滿足現(xiàn)行國家規(guī)范要求。

(2)保水劑：超細的無機粉體。

(3)速凝劑：采用分析純PPP，含量大于99.8%。

(4)減水劑：采用聚羧酸減水劑，固含量10%。

(5)緩凝劑：采用PN，含量大于99.8%。

(6)水：自來水。

1.2 試驗方法

(1)擴展度

按照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中截錐流動度試驗方法檢測可控水泥漿的擴展度。

(2)泌水率

按照TB/T 3192—2008《鐵路后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道壓漿技術(shù)條件》中自由泌水試驗方法檢測可控水泥漿泌水率。

(3)凝膠時間

參照文獻[1]中凝膠時間試驗方法檢測可控水泥漿的凝膠時間。

2 試驗結(jié)果與分析

試驗采用L32(45)正交水平表進行可控水泥漿試驗，速凝劑摻量(a)、保水劑摻量(b)、緩凝劑摻量(c)和減水劑摻量(d)作為試驗的4個因素，因素水平見表1。

采用0.8∶1和1∶1兩個水灰比進行試驗，水灰比為0.8∶1的可控水泥漿試驗結(jié)果見表2，試驗結(jié)果的正交分析見表3。水灰比為1∶1的可控水泥漿試驗結(jié)果見表4，試驗結(jié)果的正交分析見表5。

表1 試驗因素水平表

由表3、5可以得到以下規(guī)律：

(1)擴展度。水灰比為0.8∶1時，緩凝劑對20 min的水泥漿擴展度有顯著影響，而水灰比為1∶1時，緩凝劑對10、20和30 min的水泥漿擴展度都有著顯著影響。隨著緩凝劑摻量的增加，水泥漿在10、20和30 min的擴展度都逐漸增大。水泥的主要成分為C3A和C3S，C3A在開始時水化速率較快，以后的反應(yīng)較慢，而C3S剛好相反，開始時水化速率較慢，但以后會很快。在水泥水化過程中，加入緩凝劑，會降低水泥漿溶液的表面張力，使得水泥顆粒與水顆粒的接觸點變多，加快了C3A的初期水化，生成了Aft。但是生成的Aft會覆蓋在未水化的水泥表面，阻礙水泥的進一步水化。而且緩凝劑中羥基和羧基的存在也會減緩C3S的水化速率和抑制CH結(jié)晶的析出，進一步降低水化的速率，所以，在水泥水化剛開始時，緩凝劑對于水泥水化速率的影響并不明顯，但隨著水化反應(yīng)的進行，C3S水化反應(yīng)加快，緩凝劑對水化反應(yīng)的影響會變大，所以隨著水化反應(yīng)的進行，緩凝劑對于水泥漿擴展度的影響越來越顯著。但是在水灰比為0.8∶1時，30 min的擴展度并不明顯，這是因為此時16個配方的水泥漿都基本不流動了，相互之間的區(qū)別用擴展度無法體現(xiàn)。

表2 可控水泥漿試驗結(jié)果(水灰比0.8∶1)

表3 試驗結(jié)果的方差分析(水灰比0.8∶1)

表4 可控水泥漿試驗結(jié)果(水灰比1∶1)

表5 試驗結(jié)果的方差分析(水灰比1∶1)

(2)泌水率。無論是水灰比為0.8∶1還是水灰比為1∶1，保水劑對水泥漿的泌水率都有很顯著的影響，隨著保水劑摻量的增大，泌水率降低。因為保水劑的顆粒粒徑非常小，通常只有0.1～0.3 μm，比表面積非常大，當摻入保水劑時，雖然會置換出一部分填充水，但需要大量的吸附水包裹顆粒，置換出來的填充水要小于需要的吸附水，因此隨著保水劑摻量的增加，水泥漿泌水率降低。同樣，無論是水灰比為0.8∶1還是水灰比為1∶1，緩凝劑對于水泥漿的泌水率有非常顯著的影響，隨著緩凝劑摻量的增加，泌水率逐步增大，這是因為水泥初期對水化反應(yīng)的抑制，使游離水增多，讓泌水率增大。

(3)凝膠時間。無論是水灰比為0.8∶1還是水灰比為1∶1，緩凝劑對于水泥漿的凝膠時間都有非常顯著的影響，隨著緩凝劑摻量的增加，凝膠時間也會延長，這是因為緩凝劑中的羧基在水泥水化產(chǎn)物的堿性介質(zhì)中與游離Ca2+反應(yīng)，生成不穩(wěn)定的絡(luò)合物，在水泥水化過程中會抑制Ca2+的濃度，同時OH-容易與水分子通過氫鍵締合，在水泥表面形成穩(wěn)定的溶劑化水膜，進一步阻止了水化反應(yīng)的進行，延長水泥凝膠時間。而水泥初期對水化反應(yīng)的抑制，使游離水增多，導(dǎo)致泌水率增大。

(4)減水劑對于擴展度、泌水率和凝膠時間都沒有明顯的影響。減水劑主要影響水泥漿擴展度，但在正交分析中并沒有體現(xiàn)，可能是由于所選聚羧酸減水劑受到了緩凝劑的復(fù)合影響，所用緩凝劑能夠顯著提高聚羧酸減水劑的分散性和分散保持性。或未考慮到添加劑之間的相互影響，或者該試驗設(shè)計范圍不夠?qū)?，速凝劑和減水劑對水泥漿工作性能并無明顯影響。

保水劑對于水泥漿性能的影響主要是通過顆粒粒徑，它是物理方面的作用，因此和其他添加劑之間不會產(chǎn)生相互影響。而速凝劑對于水泥漿的性能影響主要是通過消耗水泥中起緩凝作用的石膏，來加快水化反應(yīng)的進行，而石膏的作用是在水泥顆粒的表面形成保護膜來阻止水化反應(yīng)的進行，因此緩凝劑的摻入會降低速凝劑的作用效果。而減水劑的作用機理和緩凝劑類似，加入減水劑之后，憎水基團會指向水泥顆粒，親水基團會指向水分子，這樣水泥顆粒會被減水劑包裹，由于親水基團都指向外，在同性相斥之下，絮狀結(jié)構(gòu)分離開，絮狀結(jié)構(gòu)所包圍的游離水被釋放，這樣導(dǎo)致了水泥漿的擴展度增大，與緩凝劑作用機理相類似，會增強緩凝劑的作用，但在此次試驗中表現(xiàn)并不明顯，可能是所選減水劑的固體含量過低，減水劑的摻量不夠?qū)е碌摹?/p>

從正交試驗結(jié)果來看，可以在32組試驗中找到滿足要求的外加劑添加配方，即能夠控制凝膠時間(10～20、20～30和30～60 min 3個范圍)內(nèi)泌水率較低(低于5%)和具有較好流動性能的可控水泥漿。

因減水劑對試驗各指標并沒有顯著影響，因此最后的配方中并沒有添加減水劑，而根據(jù)水泥漿凝膠時間來選擇緩凝劑摻量，水泥漿泌水率來選擇保水劑摻量，且為了在實際工程中使用方便，各個配方中的速凝劑和保水劑摻量一樣。

3 結(jié)論

(1)緩凝劑對水泥漿前期擴展度的影響不明顯，對于水泥漿后期的擴展度有很顯著的影響，隨著緩凝劑摻量的增大，擴展度增大。

(2)保水劑和緩凝劑對水泥漿的泌水率都有很顯著的影響，隨著保水劑摻量的增大，泌水率降低。隨著緩凝劑摻量的增加，泌水率增大。

(3)緩凝劑對于水泥漿的凝膠時間有非常顯著的影響，隨著緩凝劑摻量的增加，凝膠時間也會延長。

(4)速凝劑和減水劑對水泥漿擴展度、泌水率和凝膠時間并無顯著影響。