膨脹復合漿液的物理力學性能試驗研究

馬 波 ，雷進生 ，涂保林，戴 康，程 爽

(1. 防災減災湖北省重點實驗室（三峽大學），湖北 宜昌 443002；2. 三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

由于我國堤防和水庫大壩工程較多是20世紀50年代初期所建，存在設(shè)計不合理、施工質(zhì)量差等問題，常導致滲漏和滲透破壞等病害。對于多種復雜地質(zhì)條件的地基加固，注漿技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛，注漿可使巖土體成為強度高、抗?jié)B性好、穩(wěn)定性高的新結(jié)構(gòu)體，以達到加固或防滲的目的，是防滲、堵漏、地基加固和糾偏的重要方法[1-2]。近年來，隨著注漿理論體系的不斷完善，不同情況下的注漿模型以及注漿擴散規(guī)律的研究日漸成熟[3-4]。水泥作為最常用的注漿材料，具有膠結(jié)性能好、結(jié)石強度高、施工方便等優(yōu)點，同時普遍存在凝結(jié)時間過長、早期強度不高等缺陷，并且硬化時常伴有析水和固相體積收縮，使硬化結(jié)石與被注介質(zhì)的粘結(jié)強度降低，形成新的滲水、竄氣通道，不能完全滿足灌漿的要求[5-7]，研制出高性能的注漿材料顯得尤為重要。

本文通過在水泥漿液中摻加納基膨潤土、一級粉煤灰以及SY-G型高性能膨脹劑等材料，研究其對漿液的流動性、可注性、結(jié)石率以及結(jié)石體強度等的改善效果，從而為漿液選型和配制提供參考依據(jù)。

1 膨脹復合漿液配比和物理性能

本文采用的基本材料是湖北宜昌三峽牌水泥，P·O 42.5，其化學成分及物理性能如表1所示。本研究中外摻劑納基膨潤土的主要成分為蒙脫石，其吸藍量為37 g/100 g，濕壓強度為129 kPa，熱濕拉強度3.74 kPa，膨潤值67 mL/g，水分9.05%；粉煤灰主要是燃煤電廠排出來的廢棄物質(zhì)，其化學成分和物理性能如表2所示；膨脹劑的主要成分有氧化鈣和硫鋁酸鈣，其主要作用是防止?jié){液結(jié)石體的體積干縮效應(yīng)，其化學成分和物理性能如表3所示。

表 1 水泥的化學成分和物理性能Tab. 1 Chemical composition and physical properties of cement

表 2 粉煤灰的化學成分和物理性能Tab. 2 Chemical composition and physical properties of fly ash

表 3 膨脹劑的化學成分和物理性能Tab. 3 Chemical composition and physical properties of expansive agent

漿液的黏度及密度對漿液的滲透特性具有重要影響。一般情況下黏度小，密度低，流動性大，滲透較好，但是在土石壩注漿工程中，漿液黏度和密度較低時容易被壩體內(nèi)的滲流水沖刷和稀釋，從而不能達到理想的注漿效果。通過單因素控制變量法對不同配合比的膨脹復合漿液進行試驗，總結(jié)出不同水固比以及膨潤土、粉煤灰、膨脹劑的摻量等因素對漿液黏度和密度的影響規(guī)律。

試驗對不同水固比及不同膨潤土、粉煤灰、膨脹劑摻量的漿液采用1006型泥漿黏度計進行黏度測試，利用黏度試驗配合比攪拌好漿液并測其密度3次，取3次的平均值作為該膨脹復合漿液的密度。結(jié)果如表4及圖1所示。

通過對表4和圖1的分析可知，隨著水固比的增大，漿液的黏度和密度降幅明顯，當水固比為0.6時，漿液幾乎不流動，用標準漏斗無法測量其黏度，當水固比從0.8增大到1.0時，漿液黏度下降幅度為30.65%；隨著膨潤土摻量的增加，漿液的黏度和密度隨之增大；隨著粉煤灰摻量的增加，漿液的黏度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，密度隨之減小；膨脹劑摻量的變化對漿液流動性影響較小。

粉煤灰是經(jīng)過高溫燃燒后形成的煤灰，本身不具有水硬性，但與水泥水化作用生成的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，能生成穩(wěn)定的硅酸鈣和氯酸鈣產(chǎn)物。其中，水化硅酸鈣和水化氯酸鈣具有較好的膠凝效應(yīng)，保證了漿液結(jié)石體后期的強度，并且其來源廣泛，可以替代部分水泥，從而降低成本。通常情況下粉煤灰呈球型顆粒，且粒徑比較小，具有光滑而致密的外殼，有較好的潤滑減阻特性，故可提高漿液的和易性、可注性[8]。

表 4 不同配合比膨脹復合漿液的黏度和密度Tab. 4 Viscosity and density values of expanded composite slurry with different mixing ratios

圖 1 不同配合比的膨脹復合漿液黏度及密度值Fig. 1 Viscosity and density of expanded composite slurry with different mixing ratios

施工時漿液黏度太大容易堵塞注漿管，黏度太小容易被沖刷稀釋，施工時需合理控制漿液的流動性。加入適量的粉煤灰，同時控制膨潤土的摻量，有利于提高漿液的可注性。

表 5 膨脹型復合漿液結(jié)石體抗折強度Tab. 5 Fold resistance of expansive composite slurry stone body

2 膨脹復合漿液結(jié)石體力學性能試驗

2.1 結(jié)石體強度試驗

注漿漿液結(jié)石體抗折強度是力學性能的重要參數(shù)之一。以水泥作為主要材料，摻加不同比例的膨潤土、粉煤灰及膨脹劑在不同水固比的條件下測其抗折強度的變化規(guī)律。采用NJ-160水泥凈漿攪拌機、水泥試件養(yǎng)護箱、電動抗折試驗機、水泥膠砂振動臺等儀器，并依據(jù)規(guī)范《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T 17671—1999）分別對 7，14和 28 d抗折強度進行試驗，試驗結(jié)果如表5所示。

由表5可知，水固比對結(jié)石體的抗折強度影響最大，養(yǎng)護7 d的結(jié)石體抗折強度在水固比為0.8時出現(xiàn)了拐點，降幅為69.53%，水固比繼續(xù)增大，強度下降較為平緩，降幅為38.92%。不同水固比的抗折強度在前14 d增加較快，后期強度趨于穩(wěn)定。

摻入粉煤灰和膨潤土后，雖然前期結(jié)石體的抗折強度有所降低，但是隨著養(yǎng)護齡期的增加，水化作用會對結(jié)石體的強度進行補充，不會影響結(jié)石體強度作用的發(fā)揮。

無側(cè)限抗壓強度是注漿漿液結(jié)石體的另一重要力學指標，關(guān)乎著注漿材料的用途。抗壓強度高的注漿材料可以用來注漿加固地基，抗壓強度低的材料主要用來防滲堵水注漿[9]。依據(jù)規(guī)范《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T17671—1999）分別對7，14和28 d抗壓強度進行試驗，結(jié)果如表6所示。

分析表6可知，摻加膨潤土和粉煤灰對膨脹復合漿液結(jié)石體的強度有一定的影響，在相同的水固比條件下，隨著膨潤土和粉煤灰摻量的增加，在前期會大幅降低結(jié)石體的抗壓強度，但后期粉煤灰的水化作用會對結(jié)石體的強度進行補充，保證結(jié)石體后期的強度；加入膨脹劑雖能使水泥、粉煤灰的水化更加充分，但相當于減小了漿液水灰比[10]，因此前期結(jié)石體抗壓強度也會因為膨脹劑的加入而降低，而后期結(jié)石體抗壓強度趨于穩(wěn)定。但是，粉煤灰的加入會在一定程度上抑制膨脹劑的反應(yīng)，所以隨著粉煤灰摻量的增加，結(jié)石體的抗壓強度會有所減小。

表 6 膨脹型復合漿液結(jié)石體抗壓強度Tab. 6 Compressive strength of expansive composite slurry stone body

綜合分析抗折和抗壓試驗結(jié)果可以看出，水固比對結(jié)石體的強度影響最大，水固比從0.6變化到0.8的強度降幅比水固比從0.8變化到1.0的降幅更大，說明膨脹復合漿液的性能在水固比為0.8時發(fā)生了突變；隨著膨潤土摻量的增加，強度也逐漸降低，摻量從15%增加到20%的降幅比摻量從20%增加到25%的降幅大，膨潤土的摻量為15%時后期強度增長較快，如果單獨從強度因素考慮，該摻量最優(yōu)；隨著粉煤灰摻量的增加，強度也逐漸下降，摻量從20%增加到30%的降幅比摻量從30%增至40%的降幅大，粉煤灰摻量為20%時后期強度增長較快，達6 MPa以上，摻量在30%和40%時，強度降幅明顯，所以摻量20%最優(yōu)；膨脹劑的加入，雖能使水泥與粉煤灰的水化更加充分，但相當于增大了漿液水灰比，因此結(jié)石體抗壓強度也會因為膨脹劑的加入而降低，當摻量超過10%時，降幅明顯，所以要控制膨脹劑的摻量在10%左右。且本次試驗膨脹復合漿液結(jié)石體28 d的抗折強度均大于1.0 MPa、抗壓強度均大于3.0 MPa，能滿足注漿材料的防滲堵水要求。

由于膨潤土不溶于水，但能夠在水中搭接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得周邊大量的自由水轉(zhuǎn)化為束縛水，整體形成具有一定黏度的非牛頓流體類型的均勻膠體，對漿液穩(wěn)定性有一定的影響。在剪切力存在并攪動時，結(jié)構(gòu)氫鍵受到破壞，膠體黏度降低，轉(zhuǎn)化為懸浮液；停止攪動時，會自動逐漸恢復膠體狀態(tài)，不發(fā)生離析現(xiàn)象，黏度隨之增大。在外界作用下懸浮液和膠體可以無限相互轉(zhuǎn)化，即為漿液摻加膨潤土后穩(wěn)定性提高的原因[11]。

2.2 結(jié)石體自由膨脹率試驗

通過正交試驗法對不同配合比的膨脹復合漿液結(jié)石體進行試驗，膨脹性能通過測量1，3，7，14，21和28 d試體長度的變化來確定。試驗主要儀器設(shè)備有NJ-160水泥凈漿攪拌機、水泥試件養(yǎng)護箱、水泥比長儀（ISOBY-160型）等。參照《膨脹水泥膨脹率試驗方法》（JC/T 313—2009）進行試驗，結(jié)果如表7及圖2所示。

表 7 膨脹型復合漿液結(jié)石體不同齡期的自由膨脹率Tab. 7 Free expansion rates of expansive composite slurry stone body at different ages

由表7及圖2可知，3#結(jié)石體的膨脹率比其他結(jié)石體的膨脹率高很多，從配合比來看，3#結(jié)石體的水固比最小，膨脹劑摻量最多，初步判斷水固比和膨脹劑摻量影響較大；整個膨脹過程在前7 d較為明顯，第14 d基本達到穩(wěn)定，后期膨脹值較??；對14 d的膨脹值通過正交分析可以得到，各因素對膨脹率的影響大小排序依次為：水固比>膨脹劑摻量>膨潤土摻量>粉煤灰摻量。

圖 2 不同配合比的結(jié)石體隨時間變化的自由膨脹率Fig. 2 Free expansion rates of stone bodies with different proportions varied with time

2.3 結(jié)石體抗?jié)B試驗

評價漿液結(jié)石體滲透性能效果的指標主要有兩種，一種是在一定壓力下、一定時間內(nèi)試件滲出的水量來表示；另一種是在一定壓力下、一定時間內(nèi)看試件是否被水壓擊穿。本試驗采用前者并結(jié)合正交試驗法對膨脹復合漿液進行抗?jié)B性能評價。將試件放入溫度（20±2）℃、濕度90%以上的養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d，試件取出待表面干燥后，采用密封材料密封裝入SS-15砂漿滲透儀中采取重復加壓的方式進行抗?jié)B試驗，參照JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》，結(jié)果如表8所示。

表 8 不同配合比的膨脹復合漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)Tab. 8 Permeability coefficients of expanded composite slurry stone bodies with different proportions

由表8可見，隨著漿液水固比的增大，滲透系數(shù)逐漸增大，在水固比從0.6增加到0.8時變化尤為明顯。1#試塊在0.9 MPa時才出現(xiàn)滲透，2#和3#試塊在水壓達到最大時還未出現(xiàn)滲漏；4#～9#試塊出現(xiàn)滲透的壓力基本相同，通過一定時間搜集的水量可以得出每個配合比試塊的滲透系數(shù)；4#，5#，6#試塊中滲透系數(shù)最大的是5#試塊，該試塊的膨脹劑摻量最小，防滲性能最差，6#的滲透系數(shù)最小，膨潤土摻量是最多的，膨脹劑摻量適中，該配合比的漿液防滲效果最好；7#，8#，9#試塊的水固比都為1.0，但9#試塊的滲透系數(shù)增加十分明顯，和7#，8#相差一個數(shù)量級，更加明顯地反映出膨脹劑摻量對漿液滲透系數(shù)的影響。

通過結(jié)石體自由膨脹率試驗和抗?jié)B試驗可知，膨脹劑對漿液的膨脹及抗?jié)B性能影響較大。這是由于摻加膨脹劑的水泥漿液，其早期水化產(chǎn)物主要是鈣礬石及少量的Ca(OH)2，且水化的Ca3SiO5和CaSO4比較少，膨脹劑的加入促進了硅酸鹽水泥Ca3SiO5的水化，消耗了Ca3SiO5水化生成的Ca(OH)2，同時膨脹劑中的活性礦物組分與CaSO4參與水化并生成了鈣礬石；后期水化產(chǎn)物與早期相同，由于膨脹劑中還有一定數(shù)量的礦物組分參與水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物還有少量的鈣礬石生成。膨脹劑參與反應(yīng)生成的鈣礬石填充了部分復合漿液的空隙，提高了復合漿液的致密度，起到了較為穩(wěn)定的膨脹效果，增強了漿液結(jié)石體的抗?jié)B性能[12-13]。

2.4 膨脹復合漿液配合比確定

試驗研究可知，水泥作為漿液的主要材料，可以保證膨脹復合漿液結(jié)石體的強度；膨潤土的摻加可以提高漿液的結(jié)石率并降低結(jié)石體的滲透系數(shù)；粉煤灰的摻加可以改變漿液的流動性，提高其可注性，并且保證了結(jié)石體的后期強度；膨脹劑的摻加可以很好地解決灌漿材料的收縮問題，在中后期效果尤為明顯。確定最優(yōu)配合比為水固比0.8，膨潤土摻量25%，粉煤灰摻量30%，膨脹劑摻量10%的膨脹復合漿液。但是，膨脹復合漿液配制時，并非外加劑的摻量越多越好，要根據(jù)實際工程問題進行配合比試驗，以合理確定各組分的含量，才能更好地滿足工程需要。

3 結(jié) 語

通過對膨脹復合漿液黏度和密度試驗、結(jié)石體抗折強度、抗壓強度、自由膨脹率、抗?jié)B試驗以及復合漿液配合比試驗，可以得出如下結(jié)論：

(1)在物理性能試驗中，水固比對漿液的黏度和密度影響最大，水固比為0.6時，可注性較差；隨著膨潤土摻量的增大，漿液黏度和密度隨之增大；合適的粉煤灰摻量有利于提高漿液的流動性，粉煤灰與膨脹劑需要摻量合適才能使?jié){液的性能達到最優(yōu)；膨脹劑的摻量對漿液的密度和黏度影響不大。

(2)在強度試驗中，膨脹復合漿液結(jié)石體28 d的抗折強度都在1.0 MPa以上，抗壓強度都在3.0 MPa以上，能滿足注漿材料的防滲堵水要求；在自由膨脹率試驗中，水固比和膨脹劑摻量對結(jié)果影響較大，整個膨脹過程在前7 d較為明顯，在14 d基本達到穩(wěn)定，后期膨脹值較小，對14 d的膨脹值通過正交分析可以得到，各因素對膨脹率的影響大小排序依次為：水固比>膨脹劑摻量>膨潤土摻量>粉煤灰摻量；在結(jié)石體抗?jié)B試驗中，摻加膨脹劑和膨潤土能顯著降低漿液結(jié)石體的滲透系數(shù)，用來注漿防滲可以達到很好的防滲效果。

(3)在設(shè)計的幾種配合比中，注漿防滲膨脹復合漿液的最優(yōu)配合比為：水固比0.8，膨潤土摻量25%，粉煤灰摻量30%，膨脹劑摻量10%。