一種綠色復合漿液的配合比優化試驗研究

2021-10-21 05:39:02江祖龍

水利科學與寒區工程 2021年5期

江祖龍

(錦曦控股集團有限公司，福建福州 350001)

注漿技術在水利工程建設中具有十分廣泛的應用，是提高地基承載力和防滲布置的重要技術手段[1]。水泥作為傳統的注漿手段，具有悠久的應用歷史。但是，水泥單漿液的缺點也是十分突出的，主要表現為滲透性差、易沉淀析水和結石率低等，并成為限制其廣泛應用的重要因素[2]。此外，水泥屬于高污染、高耗能產品，限制水泥的生產和使用并尋求替代材料已經成為當前環保領域的重要研究課題[3]。在注漿施工領域，主要是尋求性能相近的綠色注漿材料，最大限度減少水泥用量。在這方面，利用礦渣粉替代一部分水泥，可以降低注漿成本、減少環境影響[4]。黏土具有吸水膨脹的特性，有利于改善漿液的穩定性和析水性，提高結石率[5]。基于此，利用礦渣粉和黏土替代部分水泥料，通過試驗研究的方法，確定漿液的最佳配合比，為相關的工程應用提供依據。

1 試驗設計

1.1 試驗材料和儀器

此次試驗使用的水泥為南方水泥廠生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其比表面積為342 m2/kg；初凝時間為175 min，終凝時間為235 min；28 d抗折強度為7.5 MPa，抗壓強度為44.5 MPa，可以用于本次試驗研究；使用的黏土為低液限黏土；使用的礦渣粉為本溪萬泉細礦粉有限公司出品的S95型礦渣粉；使用的礦渣粉活性劑為氫氧化鈉；試驗用水為普通自來水。

此次試驗所使用的儀器主要包括SKM-2型水泥砂漿攪拌機、電子天平、量筒、秒表、SYE-2000型抗壓強度試驗機、40 mm×40 mm×160 mm 三聯試模、SHBY-40B型數控水泥混凝土標準養護箱。

1.2 試驗方案設計

充分研究和分析了該領域的研究成果和實際工程經驗，設計0.75∶1和1.00∶1兩種不同的水膠比；10%、20%、30%三種不同的礦渣粉摻量以及5%、10%、15%三種不同的黏土摻量，同時結合不同的養護時間，對每個不同的水膠比設計了13組不同的配合比，獲得如表1所示的試驗方案。通過試驗的方法分析復合漿液的黏度、流動性、結石率以及抗壓強度，通過試驗結果的比較和分析，最終獲取漿液的最佳配合比。

1.3 試驗方法

試驗中測試的是漿液的表觀黏度，測試儀器為漏斗黏度計，其計算依據為黏度計中流出500 mL 漿液所需要的時間[6]。在測試開始之前首先利用清水將其沖洗干凈，對每組漿液連續進行兩次測試，將其均值作為最終測試結果。

流動性是判別注漿漿液屬性的重要指標，如果流動性過差，則不能滿足施工需要；如果流動性過強，漿液擴散半徑過大，則不利于經濟性的提升[7]。流動性的測試儀器為玻璃板、截錐圓模以及刮刀。試驗步驟為：將截錐圓模置于玻璃板的中央，將漿液快速倒入截錐圓模，用刮刀刮掉多余漿液，在提起截錐圓模的同時利用秒表計時，在30 s之后測量漿液在兩個方向上的最大直徑，其均值即為漿液的流動度。

表1 試驗方案設計

結石率按照結石體積和漿液的體積之比計算[8]。測定方法為將拌制好的漿液倒入標準試模中，終凝后養護24 h拆模，然后測量試塊在各個不同位置的高度，將其均值除以試模高度，結果即為漿液的結實率。

將制作的漿液倒入標準試模中，在24 h之后拆模，然后將其按照標準條件養護3 d、7 d和28 d，對達到設定齡期的數塊進行立方體抗壓強度測試，將三塊試塊的均值作為最終試驗成果。

2 計算結果與分析

2.1 黏度試驗結果與分析

利用上節的試驗方法對不同試驗方案下的黏度進行計算，結果如表2所示。從表中的計算結果可知，漿液的水膠比為0.75∶1時，黏度值會隨著漿液的配合比的變化而產生較大的變化，而水膠比為1∶1時，變化相對比較穩定。由此可見，漿液的水膠比和配合比均會影響到漿液的黏度，而水膠比的影響更為顯著。從具體的配合比來看，礦渣粉摻量為10%和20%時，黏土摻量小于10%時的漿液黏度增長比較緩慢，黏土摻量大于10%時增長比較迅速。當礦渣粉摻量為30%時，漿液的黏度隨著黏土摻量的增加呈現出先增大后減小的趨勢。總之，當水膠比為0.75∶1，礦渣粉摻量為10%，黏土摻量不超過10%時，復合漿液的黏度值與純漿液的黏度值比較接近。

表2 黏度試驗結果 s

2.2 流動性試驗結果與分析

利用上節的試驗方法對不同試驗方案下的流動度進行計算，結果如表3所示。從表中的計算結果可知，水膠比為1.00∶1時的漿液流動度均大于水膠比為0.75∶1時的漿液流動度；黏土摻量較小時流動度的波動較小，但是隨著摻量的增加漿液流動度的增加幅度也較大；與純水泥漿液相比，礦渣粉摻量10%，黏土的摻量在5%以內時，漿液的流動度較好。

表3 流動度試驗結果 mm

2.3 結石率試驗結果分析

利用上節的試驗方法對不同試驗方案下的結石率進行計算，結果如表4所示。從表中的計算結果可知，漿液的水膠比對結石率存在十分顯著的影響，總體而言，漿液的水膠比越大，結石率就越低。當水膠比為0.75∶1時，除了純漿液之外，復合漿液的結石率均在95%以上；當水膠比為1.00∶1時，復合漿液的結石率在82%和96%之間。

表4 結石率試驗結果 %

2.4 抗壓強度試驗結果

立體抗壓值是衡量注漿漿液效果的重要指標，抗壓強度值越高，漿液的注漿效果越好。利用上節的試驗方法對不同試驗方案下的漿液結石體立體抗壓強度進行統計計算，結果如表5所示。從表中的計算結果可知，在水膠比為0.75∶1，黏土和礦渣粉的摻量均為10%的條件下，漿液結石體的抗壓強度值較大，與單漿液相比有顯著的提升；當水膠比1.00∶1的情況下，各配合比的漿液結石體抗壓強度值普遍較小。例如，28 d強度值有礦粉摻量為10%的條件下達到了12.077 MPa，隨著礦渣粉摻量的不斷增多，漿液結石體的抗壓強度值明顯降低；在黏土的摻量大于10%的情況下，各個齡期的強度值均呈現出明顯下降的趨勢。總之，過大的水膠比不利于漿液結石體抗壓強度的提升。