粘土水泥注漿材料抗水溶蝕特性試驗研究

李小梅 張貴金

（長沙理工大學水利工程學院 長沙市 410114）

粘土水泥漿材在礦山開采、垃圾填埋、水利工程、隧道工程等注漿工程中應用日益廣泛[1～4]，注漿形成的帷幕為隱蔽工程、不便于檢測，其耐久性關系到工程的安全和正常使用。保障結構的安全運營、延長工程的使用年限，是帷幕灌漿的重要目標。而地下水侵蝕是導致工程耐久性不足而引起失事的原因之一，如瑞典的Hallby和Suorva土壩，由于心墻帷幕下長期受地下水侵蝕形成落水洞，導致壩頂突然沉陷，心墻下部巖石基礎滲流量迅速增大[5]；大黑汀水庫壩基的地下水的溶出性和軟水侵蝕，降低了帷幕的防滲效果，甚至危及大壩安全[6]。注漿材料性能研究時，多采用室內溶蝕試驗結合微觀測試綜合評價注漿材料的耐久性能。

粘土水泥漿是由粘土、水泥、水和固化劑組成的具有加固和堵水效果的漿液。粘土水泥灌漿材料的耐久性研究，國內外成果不多，多參考水泥基材料耐久性研究方法（浸泡、滲淋、質量損失試驗）進行評價。如采用浸泡方法，將試件置于不同類型的侵蝕溶液中浸泡，通過比較材料在各種侵蝕性溶液中的抗蝕系數，研究材料的抗侵蝕性能[7]；考慮浸泡時間、侵蝕介質濃度條件下，漿材結石體化學成分的變化，評價帷幕的耐久性[8]；測定結石體強度與滲透系數的關系，根據結石體的抗滲能力評價注漿材料的耐久性能[9]；材料配比和浸泡溶液的pH值對結石體抗滲性能的影響以評價耐久性能[10]。

由于室內試驗測試時間有限，短期內耐久性變化較小，采用宏觀測試如抗折強度、塑性強度等方法對比分析耐久性誤差較大。因此，本試驗采用原子吸收分光光度計微觀測量溶液中CaO的溶出量，并比較粘土水泥注漿材料與相同水固比、水灰比的純水泥材料及各種配比材料在純水和工程地下水中的CaO溶出情況，評價粘土水泥材料的抗溶蝕性能。

1 抗水溶蝕離子試驗

1.1 試驗原材料

粘土：該試驗用粘土取自托口河灣地塊。

水泥：試驗用水泥為425#普通硅酸鹽水泥，其CaO成分含量為55.25%。

水：試件拌制用水采用自來水。試驗過程試件的養護采用超純水及工程地下水。

改性劑：本試驗膏漿添加的改性劑有偏鋁酸鈉、石膏及膨潤土。

1.2 試驗配合比

為了比較粘土水泥系漿材結石體與純水泥漿材結石體試件在水溶液中浸泡的穩定性，取5組試件進行試驗。試件配比見表1。

表1 試驗各組材料配比成果表

1.3 試驗方法

按表1配比制成的試塊，標準條件養護7天，分別置于純水和工程地下水中浸泡。每個齡期分別取5 ml溶液用原子吸收分光光度計測量Ca2+的濃度，根據溶出鈣離子濃度計算溶出氧化鈣的含量，對比各組試件在兩種浸泡溶液中的氧化鈣溶出情況，評價粘土水泥漿材的抗溶蝕性能和耐久性能。

原子吸收分光光度計測量離子濃度有火焰法和石墨爐法，火焰法的測試精度較石墨爐法高，干擾背景較少，本試驗采用該方法測量鈣離子濃度。火焰法測量時要求待測溶液在酸性環境下進行，且待測濃度最好在配制的一系列標準濃度范圍內。因此，該方法的測試步驟復雜，溶液測量前需對溶液進行處理。具體步驟包括：①配制一系列濃度的釋放劑；②配制一系列鈣標準溶液；③測試并選擇釋放劑；④硝解待測溶液；⑤稀釋待測溶液；⑥調配儀器參數；⑦測量溶液濃度。每次測量重復以上步驟進行。

2 試驗結果與分析

CaO溶出量計算公式如下：

式中k——CaO分子量與Ca分子量之比；

A——溶液稀釋的倍數；

V液——待測溶液的體積，1 000 mL；

Cca2+——待測溶液Ca2+濃度（mg/L）。

（1）純水浸泡各試件氧化鈣隨時間溶出的情況。

實測鈣離子濃度原始數據見表2，CaO溶出量隨浸泡時間變化關系如圖1所示。

圖1 純水浸泡各試件CaO溶出量隨時間變化曲線

表2 鈣離子濃度實測值

圖1中數據表明，各試件的溶出曲線基本一致，前期溶出速率快、中后期溶出速率慢。相同水固比的純水泥漿A1比穩定漿液A5的CaO溶出多；相同水固比的穩定漿液A5比膏漿A4的CaO溶出多；0.5∶1的純水泥試件離子溶出最少，幾組浸泡溶液的CaO達到一定濃度后幾乎停止溶解。

通過數據可得出，灌漿材料中添加改性劑、粘土對CaO的溶蝕有一定的影響，用重量相等的粘土代替水泥可減慢CaO的溶出，加入改性劑可減緩CaO的溶出。可能原因是改性劑中某些成分與原漿中活性物質（SiO2、AlO33-、CaO）生成膠凝物質，激發粘土的潛在活性，增強了整體的強度；且添加改性劑加快了水泥水化的速度，導致強度上升較快；浸泡水溶液的Ca2+不易溶出，導致改性粘土水泥膏漿氧化鈣溶出量少于穩定漿液。相同水固比的穩定漿材離子溶出量低于純水泥漿材，是由于在硅酸鹽水泥的水化產物中，Ca（OH）2是最易溶解的組分，純水泥漿材結石體水泥總量較穩定漿材多，生成的Ca（OH）2多，溶解量大。水灰比越小，結石體的孔隙越小，含水率越小，結石體越穩定，CaO溶出越少，因此，水灰比為0.5∶1的純水泥試件溶出最少。還可得知，浸泡溶液氧化鈣濃度達到一定量后濃度幾乎不變，是由于結石體的水化產物需一定Ca（OH）2濃度下才能穩定存在。說明粘土水泥膏漿在地下水環境中的抗溶出能力更好，即膏漿的耐久性較同水固比穩定漿液、純水泥漿更好。

（2）地下水各試件氧化鈣隨時間溶出的情況。

鈣離子濃度實測原始數據見表3，CaO隨浸泡時間溶出如圖2所示。

表3 地下水浸泡鈣離子濃度實測值

圖2 地下水浸泡各試件CaO溶出量隨時間變化曲線

由圖2可看出，膏漿試件在地下水中浸泡的氧化鈣溶出量明顯低于相同水固比的穩定漿液和純水泥漿試件，且純水泥漿試件溶出最多，且各組溶液濃度均在達到一定值后保持穩定。說明粘土水泥膏漿在地下水環境中的抗溶出能力更好，即膏漿的耐久性較同水固比穩定漿液、純水泥漿更好。

圖3列出水灰比為1.1∶1的純水泥漿和粘土水泥膏漿兩組試件在純水和工程地下水中的離子溶出情況。

圖3 不同浸泡溶液CaO溶出關系曲線

從圖3可看出相同配比的試件在純水和工程地下水中浸泡，CaO溶出曲線規律基本一致，地下水浸泡的試件CaO溶出較純水浸泡中少。說明了該工程地下水中存在某些離子（如Ca2+、OH-）可減緩結石體中Ca（OH）2的溶解，工程地下水環境中結石體試件的穩定性更好，即耐久性更好。

3 小 結

（1）粘土水泥膏漿抗溶蝕性能優于粘土水泥穩定漿材。粘土水泥膏漿是在粘土水泥穩定漿液配比的基礎上加入了少量的改性劑，改性劑中某些成分與原漿中活性物質（SiO2、Al2O3、CaO）生成膠凝物質，激發粘土的潛在活性，增強了整體的強度；且添加改性劑加快了水泥水化的速度，使強度上升較快、浸泡水溶液的Ca2+不易溶出，導致改性粘土水泥膏漿離子溶出量低于穩定漿液。

（2）粘土水泥穩定漿材抗溶蝕性能優于相同水固比的純水泥漿材。相同水固比的穩定漿材離子溶出量低于純水泥漿材，是由于在硅酸鹽水泥的水化產物中，Ca（OH）2是最易溶解的組分，純水泥漿材結石體水泥總量較粘土水泥穩定漿材多，生成的Ca（OH）2多，溶解量大。

（3）試件在某工程地下水中浸泡的CaO溶出較純水浸泡中少，說明該地下水環境中某些離子（如Ca2+、OH-）可減緩Ca(OH)2的溶解速率。

（4）由于本次試驗未考慮動水作用，溶液中氧化鈣溶出濃度達到水泥水化產物穩定存在的臨界濃度后不再增加，因而不能預測材料的有效使用年限，只能根據材料對比評價粘土水泥漿材的耐久性能。在以后的研究中，可設計合適的試驗裝置進行試驗，還可考慮不同流速對結石體耐久性能的影響。室內試驗如何測試使結論更具說服力還有待研究，這也是耐久性研究的重要方向。

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