膨潤土水泥穩(wěn)定漿液配比及性能試驗(yàn)研究

陳利強(qiáng) 盧建華 章贏 崔冬冬

摘要：開展膨潤土水泥穩(wěn)定漿液配比及性能，可為穩(wěn)定漿液灌漿在堤壩粗粒土控制灌漿防滲工程中應(yīng)用打下基礎(chǔ)。通過室內(nèi)試驗(yàn)，對比研究水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰、減水劑對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液性能的影響，重點(diǎn)對漿液流動(dòng)度、結(jié)石抗壓強(qiáng)度及彈性模量、凝結(jié)時(shí)間、抗沖刷等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)成果表明：水膠比和膨潤土摻量是影響穩(wěn)定漿液性能的核心因素，高效減水劑對穩(wěn)定漿液流動(dòng)度及凝結(jié)時(shí)間影響顯著，粉煤灰可降低穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度及彈性模量;膨潤土摻量≥60%、水膠比≤0.60的穩(wěn)定漿液抗沖性能較好;水膠比0.60～0.75，膨潤土摻量（占水泥比重）0.5～1.0，粉煤灰摻量（占膨潤土比重）0.7～1.0時(shí)，可形成低強(qiáng)度、低彈模、低滲透性的膨潤土水泥穩(wěn)定漿液，試驗(yàn)研究成果可供粗粒土控制灌漿工程參考。

關(guān)鍵詞：膨潤土水泥穩(wěn)定漿液;室內(nèi)試驗(yàn);膏狀漿液;粗粒土控制灌漿

中圖法分類號(hào)：TV543文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.009

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）03 - 0055 - 06

1 研究背景

礫石土、砂卵石、殘坡積碎石土和風(fēng)化巖石碴統(tǒng)稱為粗粒土。粗粒土因分布廣泛，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，在我國已建的眾多土石堤壩中常作為填筑材料。粗粒土具有顆粒間膠結(jié)性差、滲透性強(qiáng)，且滲透孔隙分布不均等特征[1]，粗粒土堤壩出現(xiàn)滲漏問題后，往往采取開挖后澆筑混凝土防滲墻或采用多排孔水泥漿灌漿進(jìn)行防滲處理[2]，但因防滲墻施工工期長、工藝復(fù)雜、造價(jià)高，多排孔水泥漿可灌性和可控性差、漿體變形能力差、造價(jià)高等而未在堤壩工程中廣泛應(yīng)用。

隨著灌漿技術(shù)的發(fā)展，工程中往往通過在純水泥漿液中摻加一定量的穩(wěn)定劑（膨潤土或黏土），改善漿液性能。采用穩(wěn)定漿液灌漿在大孔隙結(jié)構(gòu)（巖溶空洞、強(qiáng)透水層、堆石體、漂卵石層）中形成防滲體已在在國內(nèi)外工程中應(yīng)用廣泛[3-6]，但在堤壩粗粒土中進(jìn)行控制灌漿防滲的工程較少，主要是漿液的可控性較差、漿體的強(qiáng)度及彈性模量較大，無法適應(yīng)粗粒土壩體不均勻沉降，難以保證防滲體防滲效果及耐久性。

黏土水泥漿液析水率低、可控性好[7]且價(jià)格經(jīng)濟(jì)，成為大壩防滲體系中的重要材料。經(jīng)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，膨潤土摻量和水膠比是影響膨潤土水泥漿液性能的核心因素，且這兩個(gè)因素在工程應(yīng)用和試驗(yàn)研究中取值范圍廣，取決于工程經(jīng)驗(yàn)等[8-13]。目前，針對黏土水泥漿液的理論研究相對較少，國內(nèi)尚無明確的固定配比可查。通過一系列室內(nèi)試驗(yàn)，對比分析了不同水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰及減水劑等對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液（含膏狀漿液）的穩(wěn)定性、可灌性、漿液結(jié)石體的滲透性、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等性能的影響，通過調(diào)整漿液配比，形成低強(qiáng)度（結(jié)石抗壓強(qiáng)度不大于5 MPa）、低彈模（不大于2 GPa）、低滲透性（不大于1×10-6? cm/s）的膨潤土水泥穩(wěn)定漿液，使?jié){液可較好地適應(yīng)粗粒土控制灌漿柔性防護(hù)技術(shù)，試驗(yàn)研究成果可為今后指導(dǎo)相關(guān)病害處理提供依據(jù)和參考。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料主要為膨潤土、水泥、粉煤灰、減水劑，品牌依次采用商業(yè)納基膨潤土、華新水泥（昆明東川）有限公司生產(chǎn)的“堡壘”牌P·LH42.5低熱硅酸鹽水泥、宣威發(fā)電粉煤灰開發(fā)有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰、江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的PCA型聚羧酸高性能減水劑。膨潤土基本特性見表1，水泥化學(xué)成分見表2。

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

對每組漿液試驗(yàn)檢測指標(biāo)如下：

（1）漿液性質(zhì)。漿液密度、析水率、漏斗粘度、流動(dòng)參數(shù)（抗剪屈服強(qiáng)度和塑性粘度）、凝結(jié)時(shí)間（初凝、終凝）等。

（2）漿液膠結(jié)性能。結(jié)石容重、彈性模量（28 d）、抗壓強(qiáng)度（28 d）、滲透系數(shù)（28 d）、抗?jié)B等級（28 d）等。

2.3 漿液配比

漿材試驗(yàn)采用普通水泥漿液、穩(wěn)定漿液（膏狀漿液）。為研究灌漿材料對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液性能的影響，各類型漿液配合比及組數(shù)如下：

（1）普通水泥漿液。水/水泥=2∶1～0.5∶1。

（2）穩(wěn)定漿液（膏狀漿液）。水/（水泥+膨潤土+粉煤灰）=1～0.5;水泥/膨潤土=1～5;外加劑調(diào)制不小于2～4組。

2.4漿液性能檢測方法

試驗(yàn)過程包括拌漿和試驗(yàn)，各試驗(yàn)內(nèi)容嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行操作，這里僅介紹流動(dòng)度的測量。試驗(yàn)借鑒水泥凈漿流動(dòng)度測試方法，輔助表征灌漿漿材流動(dòng)性。流動(dòng)度以截錐圓模內(nèi)靜漿在水平玻璃板上擴(kuò)展的平均直徑表示。

實(shí)驗(yàn)步驟：①將玻璃板放在水平位置上，用濕布摩擦玻璃板、截錐圓模，使其表面濕而不帶水，將截錐圓模放在玻璃板的中央，并用濕布覆蓋以備用。②將拌制好的漿材迅速注入截錐圓模內(nèi)，用刮刀刮平，將截錐圓模按照垂直方向提起，同時(shí)開啟秒表計(jì)時(shí)，泥漿在玻璃板上自由流動(dòng)，至少30 s，用直尺量取流淌部分互相垂直的兩個(gè)方向的最大直徑，取平均值作為泥漿流動(dòng)度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 純水泥漿液性能研究

在不同水灰比情況下，純水泥漿液性質(zhì)及結(jié)石性能試驗(yàn)結(jié)果見表3，不同水膠比對漿液析水率及結(jié)石彈性模量影響結(jié)果見圖1。

水灰比小于0.80時(shí)，對普通水泥漿液的漏斗黏度、屈服強(qiáng)度、塑性黏度等流變性能影響顯著;水灰比大于1.20后，對流變性能的影響非常微弱。隨著水灰比的增大，純水泥漿液的析水率基本呈線性增加，漿液結(jié)石彈性模量、抗壓強(qiáng)度逐漸減小，凝結(jié)時(shí)間逐漸變長;水灰比超過一定值（0.80）后，滲透系數(shù)急劇增大，抗?jié)B性能急劇下降。

依據(jù)純水泥漿液性能研究成果，膨潤土水泥穩(wěn)定漿液水膠比應(yīng)小于0.80。

3.2 穩(wěn)定漿液性能試驗(yàn)參數(shù)及極差分析

膨潤土水泥穩(wěn)定漿液性能試驗(yàn)參數(shù)及極差分析成果詳見表4～5。試驗(yàn)時(shí)在表4配合比基礎(chǔ)上，膨潤土摻量60%時(shí)，增加了水膠比0.51，0.58，0.60，066和0.70的漿液性能試驗(yàn)研究，摻入粉煤灰和減水劑時(shí)，摻量占水泥重量百分比分別為60%和1.44%。以上數(shù)據(jù)信息詳見圖2～5。

3.3 膨潤土水泥穩(wěn)定漿液流動(dòng)度的影響分析

流動(dòng)度是膨潤土水泥穩(wěn)定漿液在施工時(shí)需考慮的一項(xiàng)重要性能，漿體流動(dòng)性直接影響現(xiàn)場灌注時(shí)可灌性，故需要研究不同變量對流動(dòng)度的影響。圖2為不同水膠比、膨潤土摻量（與水泥質(zhì)量百分比）以及摻和不摻減水劑情況下漿液的流動(dòng)度試驗(yàn)結(jié)果。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，水膠比在0.50～0.70，膨潤土摻量（與水泥質(zhì)量百分比）在20%～60%，考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下，膨潤土水泥穩(wěn)定漿液流動(dòng)度為70～220 mm，流動(dòng)度可調(diào)整的區(qū)間較大，可較好適應(yīng)粗粒土灌漿要求。

由表5和圖2分析可知，水膠比、膨潤土摻量、高效減水劑對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液流動(dòng)度有較大影響，是否摻入粉煤灰對流動(dòng)度影響不明顯。膨潤土水泥穩(wěn)定漿液流動(dòng)度隨水膠比的增大而增大，各級膨潤土摻量下流動(dòng)度增長速度無明顯變化。穩(wěn)定漿液流動(dòng)度隨膨潤土的摻量增大而減小，水膠比較大時(shí)，流動(dòng)度降低速度稍有增加。摻入高效減水劑后，流動(dòng)度有較大提高。與純水泥漿液對比，由于穩(wěn)定漿液采用的水膠比相對較小，沒有出現(xiàn)超過某一水膠比值后流變性能急劇變化的現(xiàn)象。水膠比、膨潤土摻量、高效減水劑對流動(dòng)度影響的R值依次為64.80，45.46，23.17，可見流動(dòng)度與水膠比及膨潤土摻量關(guān)系密切，在調(diào)節(jié)穩(wěn)定漿液流動(dòng)度時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整水膠比和膨潤土摻量，同時(shí)可考慮是否摻入減水劑。

3.4 膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度的影響分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，水膠比在0.50～0.70，膨潤土摻量在20%～60%，考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下，膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度為6～25 MPa，透水率均小于1×10-6 cm/s，抗?jié)B性能可滿足工程防滲要求，粗粒土控制灌漿柔性防護(hù)工程中為適應(yīng)土體的不均勻變形，往往要求結(jié)石強(qiáng)度不宜太高。不同水膠比、膨潤土摻量及粉煤灰下結(jié)石抗壓強(qiáng)度變化曲線見圖3。

變化曲線

由表5和圖3分析可知，水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度有較大影響，是否摻入高效減水劑對結(jié)石抗壓強(qiáng)度影響不明顯。結(jié)石抗壓強(qiáng)度隨水膠比增大而減小，膨潤土摻量較大時(shí)，降低速度有所降低。結(jié)石抗壓強(qiáng)度隨膨潤土摻量的增大而減小，水膠比較大時(shí)，降低速度較小。摻入適量粉煤灰后，結(jié)石抗壓強(qiáng)度有較大降低。水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對結(jié)石抗壓強(qiáng)度影響的R值依次為7.60，4.03，3.85，可見結(jié)石抗壓強(qiáng)度與水膠比關(guān)系最為密切，其次為膨潤土摻量和粉煤灰。在調(diào)整結(jié)石抗壓強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整水膠比和膨潤土摻量，同時(shí)可考慮是否摻入粉煤灰。

3.5 膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石彈性模量的影響分析

試驗(yàn)結(jié)果顯示，水膠比在0.50～0.70，膨潤土摻量在20%～60%，考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下，膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度為2～10 GPa，粗粒土控制灌漿柔性防護(hù)工程中為適應(yīng)土體的不均勻變形，往往要求結(jié)石彈性模量不宜太高。不同水膠比、膨潤土摻量及粉煤灰下結(jié)石彈性模量變化曲線見圖4。

由表5和圖4分析可知，水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液結(jié)石彈性模量有較大影響，是否摻入高效減水劑對結(jié)石彈性模量影響不明顯。結(jié)石彈性模量隨水膠比增大而減小，各級膨潤土摻量下結(jié)石彈性模量降低速度無明顯變化。結(jié)石彈性模量隨膨潤土摻量的增大而減小，各級水膠比下結(jié)石彈性模量降低速度無明顯變化。摻入適量粉煤灰后，結(jié)石彈性模量有較大降低。水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對結(jié)石抗壓強(qiáng)度影響的R值依次為2.82，2.23，1.55，可見結(jié)石彈性模量與水膠比、膨潤土摻量和粉煤灰關(guān)系密切。在調(diào)整結(jié)石彈性模量時(shí)，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整水膠比和膨潤土摻量，同時(shí)可考慮是否摻入粉煤灰。

3.6 膨潤土水泥穩(wěn)定漿凝結(jié)時(shí)間的影響分析

凝結(jié)時(shí)間的長短影響注漿半徑[14]的大小，當(dāng)需要擴(kuò)大擴(kuò)散半徑或注漿半徑時(shí)，需要延長漿液的凝結(jié)時(shí)間讓其充分流動(dòng)，當(dāng)存在地下水時(shí)，則需要有效縮短凝結(jié)時(shí)間，使?jié){液能夠在短時(shí)間內(nèi)速凝以防被沖走，以保證注漿效果。不同水膠比、膨潤土摻量及減水劑下漿液凝結(jié)時(shí)間（初凝）變化曲線見圖5。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，水膠比在0.50～0.70，膨潤土摻量在20%～60%，考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下，膨潤土水泥穩(wěn)定漿液初凝時(shí)間為12～21 h，終凝時(shí)間為16～26 h，凝結(jié)時(shí)間可根據(jù)工程實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

由表5和圖5分析可知，水膠比、膨潤土摻量、減水劑對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液凝結(jié)時(shí)間有較大影響，是否摻入粉煤灰對漿液凝結(jié)時(shí)間影響較小。高效減水劑對穩(wěn)定漿液凝結(jié)時(shí)間有顯著影響，摻入高效減水劑可有效降低漿液凝結(jié)時(shí)間。漿液凝結(jié)時(shí)間隨水膠比增大而延長，膨潤土摻量較大時(shí)，凝結(jié)時(shí)間延長速度相對較小。漿液凝結(jié)時(shí)間隨膨潤土摻量的增大而延長，水膠比較大時(shí)，凝結(jié)時(shí)間延長速度相對較小。水膠比、膨潤土摻量、減水劑對漿液凝結(jié)時(shí)間影響的R值依次為1.60，1.91，6.08，可見漿液凝結(jié)時(shí)間主要受減水劑影響，其次受膨潤土摻量及水膠比的影響。在調(diào)整穩(wěn)定漿液凝結(jié)時(shí)間時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮是否摻入高效減水劑，同時(shí)可調(diào)整水膠比和膨潤土摻量。

3.7 膨潤土水泥穩(wěn)定抗水流沖刷研究

為了保證灌漿漿材在施工過程中不被流水沖走，通常要求穩(wěn)定漿液具有一定的抗水流沖刷性能。膨潤土水泥穩(wěn)定漿液抗水流沖刷試驗(yàn)設(shè)計(jì)成果見表6。

穩(wěn)定漿液在流速1.0 m/s水流沖刷前后效果見圖6。由表6及圖6可見，水流流速越大，沖刷后的剩余漿材越少。實(shí)際灌漿工程中，遇灌漿部位水流流速較大時(shí)，宜選用膨潤土摻量（與水泥質(zhì)量百分比）≥60%、水膠比≤0.60的穩(wěn)定漿液。

3.8 低強(qiáng)度低彈模膨潤土水泥漿液配比研究

為了保證粗粒土控制灌漿效果，適應(yīng)粗粒土壩體不均勻沉降，要求漿液可控性好，漿體的強(qiáng)度及彈性模量不宜太高，在大量試驗(yàn)研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整漿液配比，形成低強(qiáng)度（結(jié)石抗壓強(qiáng)度不大于5 MPa）、低彈模（不大于2 GPa）、低滲透性（不大于1×10-6? cm/s）的膨潤土水泥穩(wěn)定漿液，推薦穩(wěn)定漿液配合比、漿液性質(zhì)及結(jié)石性能試驗(yàn)結(jié)果見表7。

因膨潤土和粉煤灰自身強(qiáng)度和彈模相對較低，在同等水膠比條件下還可減少水泥用量，故摻入適量膨潤土和粉煤灰較好的調(diào)節(jié)結(jié)石抗壓強(qiáng)度;同時(shí)膨潤土具有增稠、減小析水率的作用，可提高穩(wěn)定漿液可控性。減水劑對穩(wěn)定漿液的流變性能影響顯著，添加減水劑可大大提高漿液的流動(dòng)性，改善漿液的可灌性。故推薦膨潤土水泥穩(wěn)定漿液需摻入粉煤灰和高效減水劑，水膠比為0.60～0.75，膨潤土/水泥=0.5～1.0，粉煤灰/膨潤土=0.7～1.0，試驗(yàn)研究成果可供工程參考。

4結(jié) 論

對比研究了水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰、減水劑對膨潤土水泥穩(wěn)定漿液性能的影響，重點(diǎn)對漿液流動(dòng)度、結(jié)石抗壓強(qiáng)度及彈性模量、凝結(jié)時(shí)間、抗沖刷等進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

（1）工程中應(yīng)優(yōu)先調(diào)整水膠比和膨潤土摻量，以調(diào)節(jié)穩(wěn)定漿液流動(dòng)度、結(jié)石抗壓強(qiáng)度及彈性模量、凝結(jié)時(shí)間;高效減水劑對穩(wěn)定漿液流動(dòng)度及凝結(jié)時(shí)間影響顯著，因穩(wěn)定漿液較稠，通?？紤]摻減水劑;粉煤灰可降低穩(wěn)定漿液結(jié)石抗壓強(qiáng)度及彈性模量。

（2）遇灌漿部位水流流速較大時(shí)（>0.5 m/s），宜選用膨潤土摻量（與水泥質(zhì)量比）≥60%、水膠比≤0.60的穩(wěn)定漿液。

（3）形成低強(qiáng)度（結(jié)石抗壓強(qiáng)度不大于5 MPa）、低彈模（不大于2 GPa）、低滲透性（不大于1×10-6

cm/s）的膨潤土水泥穩(wěn)定漿液，推薦膨潤土水泥穩(wěn)定漿液摻入粉煤灰和高效減水劑，水膠比在0.60～0.75，膨潤土/水泥=0.5～1.0，粉煤灰/膨潤土=0.7～1.0，試驗(yàn)研究成果可供工程參考。

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（編輯：唐湘茜）