高溫條件下水泥凈漿和水泥砂漿收縮性能的試驗研究

趙鳴一 李福海 蔣昊宇 狄秉臻

(1.同濟大學地下建筑與工程系,上海 200092; 2.西南交通大學土木工程學院,成都 614202;3.浙江大學建筑工程學院,杭州 310058)

1 研究背景

近年來,隨著隧道施工技術的不斷進步,隧道建設逐漸向長大深埋方向發展。深埋隧道由于其埋深大,穿越的不同地質單元多,因而除了具有一般淺埋隧道的工程地質問題外,還有一系列特殊的比淺埋隧道更為嚴重的地質災害問題,其中較為突出的就是高溫地熱問題。

通常,當地溫超過30 ℃時,便稱為熱害(高地溫),隧道工程中若發生高地溫問題,一方面將惡化作業環境,降低勞動生產率,并嚴重威脅到施工人員的生命安全;另一方面將影響到施工材料的選取和工程材料的耐久性。而且由于產生的附加溫度應力還將引起襯砌開裂,錨桿灌漿料收縮開裂,界面剪應力產生突變,嚴重影響隧道的穩定性。

日本的安房公路隧道施工過程中有蒸汽噴出,溫度達75 ℃[1];高黎貢山鐵路特長隧道勘察預測洞線部位溫度超過70 ℃[2];云南黑白水3級水電站引水隧洞熱水涌出,溫度達62 ℃[3];祿勸鉛廠水電站引水隧洞極端溫度達76 ℃[4]。這些工程實例顯示,在極端條件下,水泥灌漿料可能會遭遇到70 ℃左右的高溫。縱觀之前學者的研究,袁廣林[5]從水泥灌漿料在高溫下強度退化的角度進行了研究;馮世賢[6]研究了高溫下水泥灌漿料黏結強度的變化;張藝鴿[7]研究了高溫和高壓均可提高H級油井水泥早齡期的抗壓強度;余瓊[8]通過數值模擬計算了常溫下帶肋鋼筋與灌漿料間的粘結滑移性能。但均未進行收縮方面的相關實驗。可見,工程學界對高溫地熱條件下的水泥灌漿料收縮方面的的研究鮮見,可參照的實驗資料較少,因此對高溫下水泥收縮性質的研究是具有必要性與重要性的[8]。

2 試驗原理和設備

2.1 試驗思路

縱觀國內外的工程經驗,采用控制溫度及溫度梯度、摻入減縮劑和加入一定摻量的摻和料都是十分常用的抗收縮手段[9],而又經濟性和易行性上來考慮,在水泥灌漿料中摻入摻和料是極具性價比的方案。所以我們考慮采用摻入摻和料的方式來處理高溫下水泥灌漿料的收縮問題。但由于大多數地下工程構筑物都有較高的時效性要求,而在高溫條件下,有機摻和料可能會面臨老化問題,所以本實驗只由無機摻和料入手,對不同種類的無機摻和料進行研究[10]。

2.2 原材料

本試驗中水泥采用四川都江堰拉法基水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥P·O 42.5R,密度為2.921 g/cm3;拌合水使用機制蒸餾水;水泥砂漿試件中采用ISO標準砂;使用的摻和料包括:遂寧熱電廠生產的I級粉煤灰,密度為2.059 g/cm3;成都恒瑞源環保材料有限公司生產的SF-92型硅灰;河北霸州市東升鋼纖維廠生產的直徑為0.25 mm,長度為13 mm的短鋼纖維;四川航天拓鑫玄武巖實業有限公司生產的直徑為9～18 μm的玄武巖纖維;中國內蒙古超牌偏高嶺土有限公司生產的KAOPOZZTM高活性偏高嶺土;成都混凝土新建材有限責任公司生產的S95級礦粉,密度為4.25 g/cm3的重晶石粉。

2.3 配合比

為保證對照實驗效果,本實驗共計設置了三組對照實驗,其中第一組試驗(編號為1-1至1-4)中的純水泥試件水灰比分別定為0.350、0.380、0.415及0.450共計制作四組試件,每組三個。水泥砂漿試件(編號為1-5至1-8)砂率固定為0.5,水膠比分別為0.300、0.350、0.380及0.415。與純水泥試件相同,制作四組試件,每組三個。主要目的是探究純水泥試件和水泥砂漿試件在70 ℃下的收縮情況,通過對照實驗觀察水膠比對純水泥試件和水泥砂漿試件收縮的影響。

試件2-1至2-8均為純水泥試件,水膠比固定為0.38,分別摻入2%玄武巖纖維,10%重晶石粉,30%礦粉,30%粉煤灰,15%硅灰,2%短鋼纖維,10%偏高嶺土粉,并設置一組不摻添加料的對照組,共計八組試件。

試件3-1至3-6均為純水泥試件,水膠比仍固定為0.38,分別摻以不同種類和摻量的添加料,主要目的是為了探究在實驗二中抗收縮性較好的三種摻合料的摻量與抗收縮能力的關系。其具體添加料類型和摻量見表1。

2.4 試驗方案

本實驗首先按照表1中的配比成型試件1-1至1-8。使用25 mm×25 mm×275 mm的鋼鑄模具制作試件,并在試件縱向兩側預埋銅質探頭,以方便測量并提高測量精度。試件結構見圖1。

表1各組試驗配合比

Table 1Mix proportion in each test

圖1 試件結構(單位:mm)Fig.1 Specimen structure (Unit:mm)

為方便成模、防止偶然誤差及作為安全儲備考慮,每組水灰比均制作了三個相同的試件。制作方法為,將鋼鑄模具拆開清洗擦干后并均勻地涂上機油,之后再次組合成磨具待用;使用精確的電子天平(精度為0.1 g)稱量水泥與砂,使用量筒量取蒸餾水,按相應配比混合后在小型機械水泥攪拌器中按照慢速攪拌30 s-快速攪拌60 s-慢速攪拌30 s的程序,使水泥漿充分混合均勻。同時將所有試件的制作時間控制在兩小時內。將各試件分別標記,編號后在室溫下養護成型。24小時后,拆除模具,立刻使用檢驗合格的專用千分尺量取初長值,記為第1天,記錄后放入已預熱的70 ℃的恒溫烘箱中。接下來的7天,每天使用千分尺量取試件長度并記錄,在記錄過程中,控制試件暴露在室溫空氣中的時間小于10 s。第8天至第14天,每隔48小時對試件進行長度測量。

完成上述試驗后,以同樣的成型、養護和測量方法完成表1中的試件2-1至2-8,每個試件均制作三個。分別在試件成型后第1天至第7天每隔24小時觀測測量一次,第8天至第14天每隔48小時測量一次,第14天至第28天每隔7天觀測一次。

完成上述試驗后,取出其中收縮率小于純水泥試件的幾組,以同樣的成型、養護和測量方法完成表1中的試件3-1至3-6,并按時測量其長度并記錄。

3 實驗結果

將試件3-1至3-8的測量數據進行平均后,按照下述公式處理:

(1)

圖2 不同水灰比的純水泥試件收縮率Fig.2 Shrinkage ratio of cement specimens with different W/B

由數據分析不難看出,在高溫條件下,純水泥和水泥砂漿的收縮特性與常溫下相似,具體表現為:早期(3 d內)收縮較大,之后收縮逐漸變緩。收縮情況并不與水膠比成線性關系,在純水泥試件中,當水膠比為0.30和0.38時,雖然前期收縮和其他水膠比的試件差距不大,但14 d內的總收縮明顯小于其他三組試件,此處可以說明在70 ℃的高溫情況下,較小的水膠比可以降低純水泥試件在14 d內的收縮。水泥砂漿試件在70 ℃的高溫條件下的收縮總體小于純水泥試件,但砂漿試件的收縮主要集中在前5天。此外,較小的水膠比會同樣會減小水泥砂漿的收縮。

按照同樣的方法整理試件2-1至2-8的數據后,繪出了70 ℃下水泥砂漿摻入不同摻合料的收縮分析圖,如圖4所示。天數(d) 2%玄武巖纖維組、10%重晶石粉組、30%粉煤灰組、2%短鋼纖維組均在28天內在70 ℃高溫下對水泥的收縮有不同程度的抑制作用,其中30%的粉煤灰組抑制效果最好,2%的玄武巖纖維、10%的重晶石粉和2%的短鋼纖維組均有不同程度的抑制效果。其他組的收縮均大于對照組。

圖4 不同摻合料的水泥砂漿試件的收縮率Fig.4 Shrinkage ratio of cement slurry with different mineral mixture

按照同樣的方法整理試件3-1至3-6的數據后,繪出70℃下水泥砂漿摻入不同摻量的摻合料的收縮率與時間關系圖,分別如圖5-圖7所示。

圖5 摻入不同含量的玄武巖纖維的水泥試件收縮率Fig.5 Shrinkage ratio of cement specimens with different proportion of basalt fiber

從圖5中不難發現,在2%的摻量范圍內,玄武巖纖維的摻量越高,其抗收縮的效果越好,且當摻量達到2%時,抗收縮效果較摻量為1%提高了接近1倍。

圖6 摻入不同含量的重晶石粉的水泥試件收縮率收縮曲線Fig.6 Shrinkage ratio of cement specimens with different proportion of barytes in powder

圖7 摻入不同含量的粉煤灰的水泥試件收縮率Fig.7 Shrinkage ratio of cement specimens with different proportion of short fiber steel

由圖6、圖7可見,在本實驗研究的范圍內,提高水泥砂漿中重晶石粉和粉煤灰的摻量,有利于抵抗其收縮的效果。

4 討論與分析

對以上的結果,研究普遍認為當環境溫度較高時,水泥中的水分蒸發較常溫條件下快。同時有文獻[11]顯示,存在于膠體和晶體表面的自由水,當空氣相對濕度低于98%時,即可蒸發。而存在于毛細孔中的毛細孔水,當相對濕度低于98%時也可開始蒸發;存在于膠體中的膠孔水及存在于凝膠之間的層間水,當空氣相對濕度低于40%時,便開始蒸發。在本實驗中人工制造的高溫條件下,其相對濕度較低。高溫及低濕度這兩個條件的共同作用下,試件中的水分快速蒸發,在試件內部的空隙中形成了負壓,導致水泥試件被進一步壓縮,產生了收縮。此外,快速的水分蒸發導致了水泥試件中毛細孔的數量增多或體積增大,更多的毛細孔和更大的空隙體積導致水泥在硬化時水分會趨于空隙流動,水的表面張力導致水泥的自收縮現象進一步加劇。對于水泥砂漿的抗收縮性好于純水泥的現象,本研究認為沙子填充了一部分水泥中的空隙,導致了毛細孔自收縮現象的減弱,同時沙子有一定的黏聚性,水的表面張力會使得一部分水分黏附在沙子上,提升了保水性能,從而減弱了收縮[12]。同時,由于干燥引起的 C-S-H 凝膠顆粒的重排,產生了密度的永久性變化,進而產生了收縮[13]。

另一方面,隨著水泥水化的進行,雖然固相體積不斷增大,導致水泥顆粒間緊密接觸,使水泥石強度增加,但是固相和液體的總體積卻在不斷減少,由此導致了化學收縮。水泥石由于化學收縮作用,內部孔隙水處于不飽和狀態,出現自干燥現象,并由于毛細管張力作用導致水泥石外觀體積收縮[14]。

就結論上分析,鋼纖維可以有效抑制水泥灌漿料的收縮,其原因有以下幾點:第一,水泥開始收縮時,其強度并未達到能夠抵御收縮的要求,而其中摻雜了鋼纖維后,鋼纖維可有效承擔其中一部分收縮應力;第二,當水泥砂漿開裂后,在開裂尖端部位可能產生應力集中,而如果這些裂縫與鋼纖維相交時,鋼纖維可以抵消掉一部分應力集中,并可將單向的收縮應力分散為三維的受力狀態,降低應力集中程度,阻止了開裂,一定程度上也阻止了收縮的發生。[15]

從文獻上了解到[16],在水泥灌漿料中摻入玄武巖纖維后,由于水泥試件表層存在纖維,減少了水泥與空氣的接觸面積,導致其失水減緩;表面的纖維對水分的遷移有阻止作用,水分在試件表面的遷移變得更加困難,毛細管失水收縮形成的毛細管張力會減弱,都導致了收縮的減緩。另外,水泥灌漿料中的玄武巖纖維分散在整個試件中,一方面纖維材料通過摩擦力、吸附粘結力等和機械耦合力可以承受一定的拉應力,一定程度上提高了水泥漿體的開裂抗拉強度;另一方面,裂縫開裂,裂縫與纖維相交時,拉伸的纖維可能會消耗部分水泥漿體開裂的能量,從而降低了收縮。這幾方面綜合的影響有效地降低了水泥灌漿料的收縮。

有研究顯示[17],摻入重晶石粉的混凝土的收縮會隨著重晶石粉的摻量增加而減小,但將其摻入水泥砂漿的研究鮮見。本實驗顯示,在8%～12%的摻量范圍內,摻入12%的重晶石粉能夠較好地減弱水泥砂漿的收縮。但其他摻量是否會得到更好的抗收縮效果,還需要進一步研究。

對于粉煤灰摻和料,相關研究[18]已經非常深入。粉煤灰能夠有效降低水泥石的早期收縮,但這種影響程度與粉煤灰的用量及特性有關。粉煤灰慢水化特性能夠間接增加早期水泥石的有效水灰比,從而降低水泥石的早期自干燥速率,后期粉煤灰的繼續水化使水泥石內部自干燥程度提高,但是此時水泥石已有較高的彈性模量,因此能夠有效減小水泥石收縮。

圖5-圖7呈現了與常溫下的水泥收縮相似的規律,對于粉煤灰摻合料,收縮率與其摻量成負相關的原因很容易推測,即更少的水泥帶來了更好的抗收縮表現。另一方面,增加一些纖維材料的摻量也可以阻止水泥試件的收縮。玄武巖纖維、短鋼纖維等有一定的抗拉效果。分別摻入30%礦粉、15%硅灰以及10%偏高嶺土粉在高溫條件下對水泥砂漿試件的收縮有促進作用。

5 結 論

(1) 在70 ℃下,水泥砂漿和純水泥的收縮規律與常溫相類似,水泥收縮主要集中在前3～5 d,此后收縮逐漸變緩并趨于穩定,較小的水灰比可以使得水泥砂漿的收縮減小。此外,水泥砂漿在高溫下的收縮遠小于純水泥試件。

(2) 在70 ℃下,摻入合理摻量的粉煤灰、玄武巖纖維、重晶石粉和短鋼纖維可以有效抑制水泥灌漿料的早期收縮。在本實驗中,摻入2%的玄武巖纖維、12%的重晶石粉和30%的粉煤灰具有明顯的抗收縮效果。而摻入15%的硅灰、10%的偏高嶺土粉以及30%的礦粉有加劇水泥灌漿料早期收縮的趨勢。

(3) 玄武巖纖維、粉煤灰和重晶石粉的摻量直接影響水泥砂漿在高溫下的抗收縮性能,在實驗范圍內,都存在“摻量越高,抗收縮效果越顯著”的關系。其中,摻入2%的玄武巖纖維可以有效改善水泥砂漿高溫條件下的早期收縮;重晶石粉摻量為12%時,在70 ℃條件下的抗收縮效果最好;而粉煤灰摻量為35%與30%時的抗收縮能力差距不大,可以認為在70 ℃條件下,當粉煤灰摻量大于30%時,繼續增加粉煤灰摻量對水泥砂漿的抗收縮效果提升不明顯。

致謝感謝同濟大學梁發云教授作為碩士研究生導師對本文第一作者的學術指導與幫助。