外加劑對注漿材料即時和延時性能的研究

吳 熙，任夢博，劉映晶，魏新江，丁玉琴

（1.浙大城市學院 土木工程系，浙江 杭州 310015；2.城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化浙江省工程研究中心，浙江 杭州 310015；3.中天建設(shè)集團有限公司，浙江 杭州 310009）

0 引 言

眾多學者開展注漿材料性能研究，并提供了相關(guān)理論基礎(chǔ)。周麟等[3]通過正交設(shè)計基礎(chǔ)材料配比，探討分析了水泥、粉煤灰等對漿液流動性、稠度、強度等的影響規(guī)律，提供了同步漿液優(yōu)化的方向。MAO等[4]利用正交試驗進行了粉灰比等對漿液性能的影響研究，為水下隧道注漿提供了水泥砂漿配合比。SHA等[5]研究了高效減水劑與粉煤灰等材料的協(xié)同機理，討論了漿液中減水劑的合適摻加量。AZADI等[6]研究了三乙醇胺、膨潤土等外加劑對漿液泌水率、凝結(jié)時間等性能的影響規(guī)律，確定了每種成分的最佳用量。趙青等[7]研究了羥丙基甲基纖維素對漿液流動度、凝結(jié)時間等的影響規(guī)律，提高了水泥基漿液的抗水分散性能。仇佳琳等[8]研究了減水劑復(fù)配方案對水泥漿液流動度、凝結(jié)時間等性能的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)配方案均能延長漿液的凝結(jié)時間，增大其流動度。唐超等[9]研究發(fā)現(xiàn)減水劑的減水和分散作用會使?jié){液的凝結(jié)時間小幅增加，黏度和結(jié)石率下降，減水劑能夠改善漿液的流動特性。

上述試驗僅研究了漿液基準配比參數(shù)和外加劑對漿液即時性能的影響，沒有考慮特定地層以及延遲注漿對注漿漿液的影響。故本文將調(diào)配適用于軟土地區(qū)的漿液配比，研究減水劑和緩凝劑對漿液即時性能和延時性能的影響規(guī)律，提出注漿延遲一定時間后漿液恢復(fù)性能的方案，并得到適用于軟土地區(qū)的漿液配比，為工程注漿提供即時和延時性能的優(yōu)化方案，為軟土地區(qū)注漿工程提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料與方法

試驗用注漿材料采用水泥、砂、膨潤土、粉煤灰和水，其中水泥采用河北產(chǎn)的P.O.42.5的普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用濟南黃臺電廠的F級粉煤灰，細砂采用了最大粒徑為6 mm的細砂，其細度模數(shù)為1.51，膨潤土采用浙江湖州安吉益國廠家生產(chǎn)的納基膨潤土。緩凝劑使用羥基乙叉二膦酸（HP），減水劑使用醛酮縮合物（AKC）。

1.2 基準試驗組

郄向光等[10]、鐘小春等[11]、李發(fā)勇[12]采用的軟土地區(qū)漿液水膠比均在1.0左右，符合周麟等的正交實驗結(jié)果[3]，故本試驗組固定水膠比1.0，采用的配合比如表1所示，表中采用的是各材料的相對質(zhì)量比。

表1 漿液試驗組配比Table 1 Slurry ratio

1.3 基準配合比確定

軟土地區(qū)注漿要求漿液注入土層后要有一定的早期強度，便于及時支撐周圍土體，控制周圍土體的位移，同時為保證注漿的流暢性，漿液的流動度和稠度也要控制在一定范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)有的注漿工程實踐經(jīng)驗，軟土地區(qū)要求漿液的流動度要在25～40 cm以內(nèi)，稠度在12～13 cm區(qū)間范圍內(nèi)，漿液的早期抗壓強度大于0.5 MPa，28 d抗壓強度大于1.0 MPa，初凝時間控制在4 h，終凝時間控制在10 h，泌水率也應(yīng)不大于3%[13-15]。

根據(jù)以上軟土地區(qū)注漿漿液要求，對上述實驗結(jié)果進行對比，如表2所示，發(fā)現(xiàn)漿液的初凝時間基本維持在1～2.5 h左右，不滿足注漿要求，需要加入緩凝劑來調(diào)節(jié)。根據(jù)漿液流動性能要求，綜合考慮漿液泌水率、早期強度等要求，首選第 8組作為基準配合比，水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶膨潤土=1.0∶6.7∶17.4∶7.7∶2.0。

表2 漿液試驗組性能值Table 2 Slurry properties of test groups

2 漿液配合比優(yōu)化

2.1 外加劑試驗

根據(jù)上節(jié)的基準配合比研究，發(fā)現(xiàn)在無外加劑的情況下，基準配合比在滿足流動性、強度等條件下，無法滿足漿液的初凝時間要求，需要加入外加劑來調(diào)配。本節(jié)將以緩凝劑和減水劑對漿液性能的影響研究為基礎(chǔ)，以漿液的流動性和凝結(jié)時間作為首要協(xié)調(diào)對象，試驗分析外加劑對兩者的影響規(guī)律，優(yōu)化漿液性能。試驗配比如表3所示。

隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展，城市內(nèi)部對于倉儲與配送的需求也在不斷增加。慕思捷表示，隨著大城市的購買力愈發(fā)旺盛，物流業(yè)對設(shè)備的需求也隨之水漲船高?！斑@給整個物流業(yè)都帶來了挑戰(zhàn)，使從業(yè)人員面臨著前所未有的嚴峻形勢：在電商還沒有崛起的時候，他們不會遇到用智能手機下單，然后要求24小時內(nèi)送達的消費者，而隨著移動互聯(lián)和電商的發(fā)展，這種購買方式已經(jīng)逐漸成為常態(tài)。因此，解決在龐大需求的背景下產(chǎn)生的供應(yīng)鏈新需求，是我們現(xiàn)在最為關(guān)注的事情?！?/p>

表3 外加劑試驗組Table 3 Admixture amount %

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)以上實驗結(jié)果，本文整理了兩種外加劑對漿液性能的影響。圖1為緩凝劑對漿液3 h內(nèi)流動度經(jīng)時損失的影響關(guān)系曲線，對比 A-0與 A-1等曲線圖，加入緩凝劑的漿液3 h內(nèi)任意時刻的流動度均大于未摻加緩凝劑的漿液流動度，且A-1、A-2、A-3、A-4、A-5組在3 h的流動度比A0組分別提高了16.7%、22.2%、27.8%、27.8%、27.8%，對比發(fā)現(xiàn)，緩凝劑摻量越高，漿液的流動度損失曲線越平緩，表明隨緩凝劑摻量的增大，漿液的流動度損失越慢，但所有曲線的起點基本一致，說明緩凝劑只能一定程度上延緩漿液對流動度損失，不能提高漿液的初始流動度。

圖1 緩凝劑對漿液流動度經(jīng)時損失的影響Fig.1 Effect of retarder on the loss of slurry fluidity with time

在不同摻量緩凝劑的作用下，漿液在不同時刻測得的凝結(jié)阻力和凝結(jié)時間分別如圖2和圖3所示。圖2顯示，緩凝劑的摻加能夠顯著減小曲線的斜率，且隨著其摻量的增大，曲線上升的斜率越小，即緩凝劑能夠延緩漿液凝結(jié)的速度，其摻量越大，要達到同樣硬度需要更多的時間。A-4和A-5組測量力達到15 N時需要的時間已超過15 h。

圖2 不同緩凝劑摻量下的漿液測量力Fig.2 Measured slurry force with different retarder contents

從圖3可以看出：緩凝劑摻量小于0.08%時，漿液的終凝時間、初終凝時間差增長小于 0.5 h，此時漿液的凝結(jié)過程并沒有明顯的延緩。為了保證漿液的初凝時間和終凝時間分別保持在3～4 h和10 h左右，建議緩凝劑摻量控制在0.08%～0.10%區(qū)間內(nèi)。緩凝劑延緩漿液凝結(jié)速度的機理為：緩凝劑與水泥凈漿中的Ca2+結(jié)合形成微溶性的Ca3.5（C3H7O13NP3）螯合物，并包裹在未水化的水泥顆粒表面，阻止水泥與水的接觸，從而延緩水泥進一步水化，所以當緩凝劑摻量過小，后續(xù)生成物不能較好包裹水泥顆粒，故此時緩凝劑延緩作用不明顯[16]。

圖3 不同緩凝劑摻量下的漿液凝結(jié)時間Fig.3 Slurry setting time under different retarder dosages

圖4為漿液的流動度與減水劑摻量的變化關(guān)系。圖中顯示，減水劑摻量增大可明顯增大漿液的流動度，當減水劑摻量超過水泥質(zhì)量的4.2%時，漿液的流動度增大速度明顯提升，此時減水劑摻量每增加0.1%，流動度約增加1 cm。為控制漿液的流動度，建議漿液的減水劑摻量盡量在水泥摻量的4.2%以下。根據(jù)靜電斥力理論，由于減水劑表面活性作用，吸附于膠凝材料顆粒表面的憎水基端，可以使顆粒表面帶相同的電荷，加大了彼此間的靜電斥力，導(dǎo)致顆粒相互分散，釋放出更多的游離水，繼而增大漿液的流動性[17]。

圖4 減水劑摻量與漿液流動度關(guān)系Fig.4 Relationship between the dosage of superplasticizer and the fluidity of slurry

圖5為漿液3 h內(nèi)的流動度變化與減水劑摻量的變化關(guān)系。圖中顯示，減水劑的摻加能夠增大漿液 3 h內(nèi)的流動度，但是漿液的減水劑摻量在2.4%～4.2%區(qū)間內(nèi)時，1.75 h內(nèi)的流動度相差不大，3 h的流動度與無摻加減水劑相差在3 cm以內(nèi)，故當減水劑摻量小于4.2%時，對漿液3 h后的流動度提高作用區(qū)別不明顯。

圖5 不同減水劑摻量下的漿液流動度經(jīng)時損失Fig.5 Loss of slurry fluidity with time under different dosages of superplasticizer

漿液凝結(jié)時間測量裝置測得的凝結(jié)阻力如圖6所示，圖中顯示，減水劑的摻加能夠明顯延緩漿液的爬升速率，延緩效果隨著減水劑摻量的增大而增強，說明減水劑能夠降低漿液的硬化速度，當減水劑摻量超于4.2%時，對漿液的終凝延緩顯著，超過13 h。

圖6 不同減水劑摻量下的漿液凝結(jié)速度測量值Fig.6 Measured values of slurry coagulation speed under different dosages of superplasticizer

漿液的初凝、終凝時間與減水劑摻量關(guān)系如圖7所示，圖中顯示，隨著減水劑摻量的增加，漿液的初凝和終凝時間均逐漸增大，當減水劑摻量超過水泥質(zhì)量的4.2%時，漿液的初凝時間增大幅度接近75%，終凝時間約增大了38%。說明減水劑能夠延緩漿液的水化反應(yīng)速度和凝結(jié)過程，但為保證漿液的終凝時間，建議漿液的減水劑摻量不宜超過水泥質(zhì)量的4.2%。

圖7 不同減水劑摻量下的漿液凝結(jié)速度測量值Fig.7 Measured values of slurry coagulation speed under different dosages of superplasticizer

2.3 外加劑優(yōu)化

實驗證明兩種外加劑均能延緩漿液的凝結(jié)速度，但是相對而言，摻加水泥質(zhì)量0.12%的緩凝劑能對漿液的初凝時間有較好的增大作用，也可減小漿液的流動度損失速度，但其3 h內(nèi)的流動度小于減水劑作用下的漿液流動度。建議使用緩凝劑調(diào)配漿液的初凝時間，再用減水劑提高漿液的流動性能。

綜合上述基準配比和漿液外加劑對其性能影響規(guī)律，調(diào)配減水劑和緩凝劑共同提高漿液的性能，發(fā)現(xiàn)加入水泥質(zhì)量0.12%的緩凝劑和3.6%的減水劑能夠達到上述要求的性能值，其初凝時間接近4 h，終凝時間約為14 h，3 d抗壓強度達到0.56 MPa，3 h內(nèi)的漿液流動度和稠度如圖8所示，漿液歷經(jīng)3 h后的流動度為20 cm，稠度8.3 cm，仍具有流動性。

圖8 漿液3 h內(nèi)的稠度和流動度測量值Fig.8 Consistency and fluidity measurements within 3 h of the slurry

3 配比優(yōu)化

現(xiàn)實注漿工程中，注漿漿液將在預(yù)制后進行注漿，但在此過程中，常存在注漿設(shè)備發(fā)生故障等不可控因素，導(dǎo)致注漿延遲，進而使?jié){液流動性大大降低，不再符合注漿要求，堵塞注漿管道。本文為試驗?zāi)M、研究工程中注漿延遲對漿液性能的影響，并在此技術(shù)上提出恢復(fù)漿液性能的方法。

在以上優(yōu)化配合比的基礎(chǔ)上，實驗室模擬注漿延遲0、2、3、4、5 h，在延遲注漿的過程中，模仿漿液在罐車或者攪拌箱中持續(xù)攪拌，研究持續(xù)攪拌時間對漿液性能的影響。

圖9表示漿液的3 h內(nèi)流動度與攪拌時長的關(guān)系，如圖所示，當持續(xù)攪拌時間超過4 h時，漿液的流動度下降11 cm，下降了34.8%，攪拌時長超過4 h后漿液的3 h流動度低于15 cm，基本不具有流動性能，故建議漿液的持續(xù)攪拌時間不宜超過4 h。

圖9 不同攪拌時長下的漿液3 h內(nèi)的流動度Fig.9 Fluidity of the slurry within 3 h under different mixing times

漿液的初凝時間、終凝時間與攪拌時間的關(guān)系，如圖10所示。從圖中可以看出，漿液的攪拌時間增長時，漿液的初凝時間略微下降，但漿液的終凝時間增長，持續(xù)攪拌4 h后漿液的終凝時間接近20 h，初凝時間為3 h。這是因為攪拌時間的增長，水化反應(yīng)持續(xù)進行，使得再次測量漿液的初凝時間低于攪拌前原始值，持續(xù)的攪拌破壞了漿液分子間的黏聚力，改變漿液的細微結(jié)構(gòu)，使得漿液的終凝時間增大。

圖10 漿液的凝結(jié)時間與攪拌時間關(guān)系Fig.10 Relationship between the setting time of the slurry and the mixing time

通過研究不同攪拌時長情況下漿液的流動度和凝結(jié)時間，發(fā)現(xiàn)隨著持續(xù)攪拌時間的增長，漿液的流動度和初凝時間持續(xù)下降，終凝時間增長。為了恢復(fù)不同延遲時間下漿液的性能，主要以增大漿液流動性為主，以漿液達到等量流動度為準，探討減水劑摻量對漿液延時性能的影響。如圖11所示，漿液二次摻加減水劑與延遲時間的關(guān)系。隨著漿液延遲時間的增長，為補償漿液的流動性，所需摻加的減水劑摻量也不斷增加。

圖11 減水劑二次摻加量與攪拌時間關(guān)系Fig.11 Relationship between the secondary addition amount of the water reducing agent and the mixing time

圖12為漿液二次摻加減水劑后漿液的流動性損失曲線。圖中顯示，二次摻加減水劑雖然能補償漿液的流動度，但并不能降低漿液的流動性損失速度。現(xiàn)場注漿出現(xiàn)延遲的情況造成流動性嚴重下降，在不超過4 h的情況下，可以通過再次摻加一定減水劑的方法恢復(fù)漿液的流動性，避免注漿效果嚴重下降或者漿液損耗嚴重的情況。

圖12 漿液的3 h流動度與攪拌時間關(guān)系Fig.12 Relationship between the 3 h fluidity of the slurry and the mixing time

圖13為不同攪拌時長的漿液二次摻加減水劑后初凝和終凝時間。從圖中可以看出，二次摻加減水劑后漿液的初凝與終凝時間繼續(xù)增長。在延遲時間達到5 h后，加入24%的減水劑，初凝時間達到5 h，終凝時間接近20 h。

圖13 漿液的凝結(jié)時間與攪拌時間關(guān)系Fig.13 Relationship between the setting time of the slurry and the mixing time

4 結(jié) 論

以上對軟弱土地層同步注漿材料配比優(yōu)化進行了試驗研究，得到了基準配合比以及外加劑對漿液即時和延時性能的影響規(guī)律。試驗得到結(jié)論如下：

（1）減水劑和緩凝劑摻量均能延緩漿液3 h內(nèi)的流動度損失速度，但緩凝劑不能提高漿液的初始流動度。為保證漿液的初凝時間在4 h左右，建議緩凝劑摻量控制在水泥摻量的 0.08%～0.10%區(qū)間內(nèi)。

（2）隨著減水劑摻量的增大，漿液的流動度、初、終凝時間逐漸增大。當減水劑摻量超過水泥質(zhì)量的4.2%時，漿液的流動度增大速度明顯提升，初、終凝時間增大幅度分別接近75%和38%。為控制漿液的流動度和終凝時間，建議漿液的減水劑摻量盡量在水泥摻量的4.2%以下。

（3）軟土地區(qū)注漿配比為水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶膨潤土=1.0∶6.7∶17.4∶7.7∶2.0，且加入水泥質(zhì)量0.12%的緩凝劑和3.6%的減水劑能夠滿足軟弱土地層的注漿要求。

（4）隨著延遲注漿時間的增長，漿液的流動度和初凝時間持續(xù)下降，終凝時間增長。在延遲注漿不超過4 h的情況下，可以通過再次摻加一定減水劑的方法恢復(fù)漿液的流動性，但并不能降低漿液的流動性損失速度。