摘要 針對(duì)近年來我國(guó)高速公路施工過程中水泥凝結(jié)時(shí)間受到的各種因素制約，文章提出硫鋁酸鹽水泥漿液在水泥攪拌樁施工中的適用范圍，擬選取0.8作為基本水膠比，通過實(shí)驗(yàn)研究不同比例的硼酸鈉對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間、成石率和抗壓強(qiáng)度的影響，探討硫鋁酸鹽水泥漿液在旋噴式止水施工中的適用范圍。研究發(fā)現(xiàn)，硼酸用量為0.45%～0.8%時(shí)，其凝固速度可調(diào)，能夠達(dá)到高壓旋噴灌漿的技術(shù)條件；硫鋁酸鹽水泥土在加入量為0.55%左右時(shí)，后期的強(qiáng)度衰減最為明顯，嚴(yán)重降低其止水作用。

關(guān)鍵詞 高速公路；外加劑；水泥漿凝結(jié)時(shí)間

中圖分類號(hào) U415.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）07-0192-03

0 引言

在高速公路施工中采用在添加劑中添加緩凝成分等方法來調(diào)節(jié)水泥漿凝固時(shí)間，但是在實(shí)踐中水泥的凝固過程受到許多因素的影響，例如混合材品種、熟料氧化鎂含量、水泥SO3含量等。研究中根據(jù)具體的操作過程，歸納并分析各方面因素對(duì)于水泥漿凝結(jié)時(shí)間的影響。

1 工程概況

該隧道位于營(yíng)山段隧道的南部，全長(zhǎng)超過6 300 m。營(yíng)山段隧道位于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、地形地貌豐富的斷層區(qū)，其最深部分可達(dá)740 m。該隧道穿越了眾多斷裂結(jié)構(gòu)，其路徑途經(jīng)多個(gè)關(guān)鍵的自然保護(hù)區(qū)和水源保護(hù)區(qū)。這些區(qū)域擁有豐富的山泉和地下水資源，對(duì)于隧道的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提出了更高的要求。在隧道區(qū)域，巖土層的孔隙水和層間水為主要水源。這些水源如果危害性較小，可能僅會(huì)導(dǎo)致路基適度濕潤(rùn)和強(qiáng)度輕微降低。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，雨季時(shí)該隧道每天的涌水量高達(dá)26 000 m3，這給道路基礎(chǔ)設(shè)施造成了重大破壞。

在實(shí)際的工程中，混凝土的水膠比例偏低且其漿液的黏稠度偏高，可以防止流漿堵塞洞口。然而在運(yùn)送和鋪設(shè)的過程中，由于水泥漿的水分流失速率太快，使得鋪設(shè)完成后的骨料之間黏合力減弱，從而使得混凝土的力學(xué)特性明顯減弱。為了保證使用過程中的混凝土性能，需要提高水膠比，但是會(huì)導(dǎo)致水泥漿的黏度減??；在攪拌、運(yùn)輸和鋪設(shè)的過程中，混凝土很容易分離，不僅會(huì)使卸載和鋪設(shè)變得困難，混凝土的上部骨料之間的漿體數(shù)量也會(huì)減少，從而嚴(yán)重影響混凝土的力學(xué)性能。

2 氧化鎂含量對(duì)熟料凝結(jié)時(shí)間的影響

由于高速公路所用石灰中MgO的含量具有差別，因此水泥中的MgO具有變化性，不同MgO含量熟料凝結(jié)時(shí)間如表1所示。由表1可知，MgO濃度隨凝固時(shí)間的變化情況可知，當(dāng)MgO的含量低于2.2%時(shí)，其初凝及終凝時(shí)間基本保持平穩(wěn)；高于2.2%后整體呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，MgO含量越高凝聚時(shí)間越長(zhǎng)。因此，該項(xiàng)目提出了通過調(diào)控石灰石MgO的用量來穩(wěn)定其凝固時(shí)間，并通過增加MgO加入量來達(dá)到延緩凝固的效果[1]。

3 混合材對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

以P·Ⅰ52.5水泥作為參考樣品，在細(xì)磨條件下，制備42.5級(jí)水泥，并對(duì)其進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。不同混合材料對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間影響如表2所示。由表2可以看出，不同混合料對(duì)水泥凝固時(shí)間的影響程度依次為：粉煤灰＞黃磷渣＞鋰渣＞鐵渣（礦渣）＞玄武巖＞石灰石，其中，粉煤灰的用量越大，凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，這與粉煤灰對(duì)水分的需求密切相關(guān)；黃磷渣的凝結(jié)時(shí)間則以含有P2O5的緩凝組分為主，而在大磨生產(chǎn)過程中，由于混合材粒度的不同，其基準(zhǔn)濃度用水量也發(fā)生改變，但是整體上相比實(shí)驗(yàn)結(jié)果并無(wú)顯著差異。

4 試驗(yàn)條件對(duì)水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

4.1 試驗(yàn)條件

《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》對(duì)測(cè)試環(huán)境有嚴(yán)格的規(guī)定。規(guī)范中要求室內(nèi)環(huán)境溫度為（20±2）℃，相對(duì)濕度不得小于50%，水泥試件、攪拌水、器具及器具等均與實(shí)驗(yàn)室相同；在室溫（20±1）℃和不小于90%的條件下，降低養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)水泥的水化速率的影響。結(jié)果表明，室內(nèi)溫度和濕度對(duì)水泥的物性有很大的影響，對(duì)測(cè)試環(huán)境提出了更為苛刻的要求，從而對(duì)水泥的凝固時(shí)間進(jìn)行精確的測(cè)量。

水泥凝結(jié)時(shí)間和安定性的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)（ISO9597—2008）規(guī)定，在實(shí)驗(yàn)室存放的樣本必須存放在溫度（20±2）℃、濕度不低于50%的地方。在進(jìn)行檢測(cè)的過程中，應(yīng)對(duì)室內(nèi)溫度、水分及養(yǎng)護(hù)用水進(jìn)行1 h以上的測(cè)量[2]。水泥、水及儀器的溫度必須控制在（20±2）℃，以設(shè)定的溫度范圍為中間值。

按照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)采用濕法進(jìn)行固化，而國(guó)際上則采用的是浸漬法進(jìn)行固化。由于水泥漿試樣在不同的養(yǎng)護(hù)狀態(tài)下，其水化產(chǎn)物存在著很大的差別，因此在水泥漿的凝結(jié)過程中，其滲入量也存在著一些差別，導(dǎo)致水泥漿凝結(jié)時(shí)間不同。在不同的固化時(shí)間和固化條件下，水泥漿凝結(jié)變異率也各不相同，但其變化規(guī)律基本相同。所以在進(jìn)行混凝土凝固時(shí)間的測(cè)試時(shí)，應(yīng)注意環(huán)境的濕度不能低于60%，而室內(nèi)的濕度不能低于92%。

4.2 水泥凈漿攪拌機(jī)

按照《水泥試驗(yàn)方法強(qiáng)度測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)ISO679：1989（E）》的規(guī)定，混凝土攪拌葉片與攪拌盆之間的間隙過大，如果缺乏對(duì)攪拌時(shí)間及工作速度的掌握，很可能出現(xiàn)水和灰料的攪拌不均勻的現(xiàn)象，從而引起標(biāo)準(zhǔn)濃度的用水變化，繼而引起測(cè)量結(jié)果的偏差。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，水泥凈漿攪拌設(shè)備必須滿足水泥凈漿攪拌機(jī)JC/T729的規(guī)定，其攪拌葉片與攪拌器之間的縫隙非常小，通過對(duì)攪拌時(shí)間和工作速度的控制，使得水、灰的攪拌效率能夠更好地體現(xiàn)出對(duì)混凝土需求的敏感性以及對(duì)混凝土性能的影響。

4.3 圓錐試模尺寸

錐形模具的尺寸如表3所示。從制備水泥漿料的工藝過程來看，圓錐模具的上開口直徑較大，便于在模具中迅速填充圓錐模具下端內(nèi)直徑的漿液。圓錐模具上部的內(nèi)直徑較小，如果沒有插入或輕微的振動(dòng)，則不適合填充圓錐模具下端內(nèi)直徑的漿液。

4.4 工作直邊刀

加工用的裁切機(jī)直邊刀見圖1。不銹鋼切刀的大小應(yīng)以水泥石對(duì)其表面的吸附力為依據(jù)，選擇合適的比例和傾角。

4.5 標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀

標(biāo)準(zhǔn)法維卡儀符合國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于測(cè)試桿材質(zhì)、截面尺寸及偏差等方面存在不足，無(wú)法真實(shí)地反映出水泥漿的基準(zhǔn)濃度狀況，造成用水失真。因此，在確保其滿足規(guī)范的條件下，定期對(duì)試驗(yàn)棒的斷面進(jìn)行光滑的檢驗(yàn)，并將其滑移部件的重量稱量到（300±1）g。

如果凝固時(shí)間測(cè)試器的滑動(dòng)器無(wú)法依靠重力而自由墜落，或是測(cè)試桿的金屬材質(zhì)和測(cè)試針的偏差不滿足規(guī)范，都會(huì)對(duì)測(cè)試針墜落的引力勢(shì)能產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致測(cè)試的結(jié)果降低，尤其是在初凝階段。所以，在測(cè)量之前必須先把測(cè)量裝置豎直放置，再觀察滑棒的表面是否平滑，以及能否在重力的作用下自由墜落，測(cè)試針的硬度、長(zhǎng)度和垂直度都要滿足規(guī)范。另外，還要調(diào)節(jié)表針與刻度尺的位置零點(diǎn)，定時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)針節(jié)的光滑度和試驗(yàn)針的直徑為Ф（1.13±0.05）mm，日常保養(yǎng)中要使用人造的潤(rùn)滑油。

5 水灰比對(duì)水泥凈漿的影響

在配制清水泥漿中，大約需要30 min的時(shí)間即可拆除模具。隨著混凝土水膠比的降低，混凝土的硬化期縮短，混凝土的后期抗壓強(qiáng)度在達(dá)到最大值后有所降低。旋噴法施工過程中，對(duì)水泥漿體的水灰比控制在0.8～1.5之間，針對(duì)施工期間止水效果不可降低的要求，在研究中以0.8為基準(zhǔn)水灰比，如表4所示。

6 硼酸摻加量對(duì)水泥凈漿的影響

將水泥基水灰比設(shè)定為0.8，將硼酸加入量控制在0.3%～0.8%之間，每增加0.05%，測(cè)定水泥的凝結(jié)時(shí)間、成石率和3～28 d的抗壓強(qiáng)度。隨硼酸用量的增加，凝結(jié)速率和初凝時(shí)間如圖2～3所示。在試驗(yàn)過程中，隨著硼含量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。

由于硫鋁酸鹽鹽漿在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生了較大數(shù)量的鈣礬石沉淀，從而造成較快的凝固速度。在低硼酸用量下，形成的硼酸鹽含量相對(duì)較低，難以對(duì)水泥熟料進(jìn)行包覆或包封，暴露在外面的水泥仍可迅速進(jìn)行水化，并且水分、硫酸鹽等會(huì)滲透到水合膜中，促使薄膜中的水泥粒子不斷發(fā)生水化反應(yīng)，而晶體中的鈣礬石則會(huì)發(fā)生體積膨脹，從而造成水合層逐漸破碎或剝落，少量的硼酸只能稍微延緩其形成。

從圖2和3可以看出，當(dāng)硼酸摻量小于0.4%時(shí)，硼酸會(huì)延遲硫鋁酸鹽漿的凝固速度；在添加量0.4%的情況下，混凝土的初凝時(shí)間為55 min、終凝時(shí)間為57 min。從表2中可以看出，硫鋁酸鹽水泥在不加入硼酸的條件下，初凝時(shí)間為12.5 min，終凝時(shí)間為13 min，表明加入硼酸能有效地控制水泥的凝固時(shí)間，并能保證水泥的成石性達(dá)到100%。而在高壓旋噴灌漿中，10 m樁長(zhǎng)度的灌注樁需60～90 min才能完成，因此不能將0.4%或更低的硼酸摻量的硫鋁酸鈉水泥應(yīng)用于高壓旋噴灌漿。

在硼酸含量0.45%的情況下，固化期為90 min，高于最高劑量期2倍，且成石比例稍有降低，達(dá)到92.5%，為高壓旋噴注漿提供了有利的技術(shù)環(huán)境。在加入量為0.8%的情況下，混凝土的初凝時(shí)間為288 min，終凝時(shí)間為294 min；當(dāng)泥漿處于高孔隙度地層時(shí)，由于水泥漿凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，很難有效地控制泥漿的彌散，從而導(dǎo)致泥漿的損失，從而大幅提高了工程成本。從處理周期與費(fèi)用兩方面來看，在20 m樁長(zhǎng)的情況下，硼酸摻量為0.45%～0.6%。在此摻量范圍內(nèi)，不僅可以調(diào)整硫鋁硅酸鹽水泥漿的凝固速度，而且可以有效地調(diào)控其擴(kuò)散區(qū)域。

從表4可以看出，硼酸鹽加入量對(duì)各齡期抗壓強(qiáng)度有顯著的作用。在摻量條件下，14 d時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度最大，而14 d以后則有所降低。在摻量為0.55%時(shí)，混凝土的強(qiáng)度降低最多，降低了26%。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土試塊在不同的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生很大的裂紋，有的甚至導(dǎo)致混凝土的崩解。因此在施工過程中，應(yīng)充分考慮高壓旋噴灌漿的作用。

7 結(jié)論

該項(xiàng)目以硫鋁酸鹽水泥漿0.8為基準(zhǔn)，采用室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法，研究硼酸摻量對(duì)硫鋁酸鹽水泥凝固過程和各期混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，得出如下結(jié)論：

（1）硼酸摻量為0.45%～0.8%時(shí)，硫鋁酸鹽水泥漿凝固速度可調(diào)控，從而為旋噴法的施工提供有利的技術(shù)環(huán)境。

（2）硫鋁硅酸鹽混凝土在14 d時(shí)，其抗壓強(qiáng)度最大，隨后急劇降低；當(dāng)摻入量接近0.55%時(shí)，其降低幅度最大。若將其作為噴射灌漿料，則將嚴(yán)重降低其控制效果。

參考文獻(xiàn)

[1]王智謀. 公路工程水泥混凝土原材料試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)研究[J]. 建材發(fā)展導(dǎo)向， 2023（24）： 36-38.

[2]侯夢(mèng)陽(yáng). 公路工程中水泥改良濕陷性黃土路基施工工藝分析[J]. 交通世界， 2023（33）： 46-48.