礦渣粉—石英粉—水泥基注漿材料性能研究

林躍忠，韓昕昊，陳玉開，李恩廣

（山東科技大學(xué)山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266590）

1 引言

水泥復(fù)合漿液具有價格低、強(qiáng)度大、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，是工程中常用的注漿漿液。但是水泥的析水率大、凝結(jié)時間長等缺點(diǎn)，導(dǎo)致在注漿過程中來不及凝結(jié)，被流水沖刷而流失，而且水泥復(fù)合漿液后期存在易開裂的問題，導(dǎo)致后期的強(qiáng)度無法保證。因此，國內(nèi)外的探究主要是集中在提高水泥復(fù)合漿液的流動性、結(jié)實(shí)率以及析水率等問題，主要采用的方法就是采用復(fù)合漿液來改善水泥漿特性。因?yàn)椴捎脧?fù)合漿液可以有效地改善水泥的脆性和凝結(jié)時間的問題，來提高水泥的粘度和強(qiáng)度。

本文采用的是以礦渣粉、石英粉和水泥為材料，分別研究了不同摻量礦渣粉和石英粉對該漿液的抗壓強(qiáng)度、流動性和析水率的影響，從而產(chǎn)生一種造價低的注漿材料。

2 試驗(yàn)

2.1 原材料

本文采用的基本材料是硅酸鹽水泥、礦渣粉和石英粉。

2.2 試驗(yàn)流程

將石英粉、礦渣粉、水泥和水混合后進(jìn)行快速攪拌，攪拌大約3min后進(jìn)行粘度和流動性的測定，測定完，混合攪拌3min，進(jìn)行試塊的制作和析水率的測定，養(yǎng)護(hù)3d，7d，28d后進(jìn)行結(jié)石率和立方體抗壓強(qiáng)度的測定。

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選擇水灰比為0.5:1，按照礦渣粉含量（10%、20%、30%）和石英粉含量（5%、10%、15%）以及養(yǎng)護(hù)時間的不同，設(shè)計(jì)了9組不同的試驗(yàn)，分別進(jìn)行粘度、流動性、析水率、結(jié)石率和立方體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)，并經(jīng)過分析得出效果最好的配合比。

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 粘度

①在測試前先用水把濾斗和量杯洗干凈來確保正常流動。

②在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，用左手堵住漏斗的口，右手握住漏斗，將漿液倒入漏斗中。

③將燒杯放置在漏斗口下，松開左手的同時記錄時間，當(dāng)燒杯中的漿液滿后，停止時間并記錄。

④連續(xù)測兩次，取平均值。

2.4.2 流動性

①將透明塑料板放置在水平面，用水潤濕塑料板，使其表面濕潤并不帶水跡。

②將模具放置在塑料板中間，倒入漿液，抹平模具口。

③提起模具，記錄兩個不同方向的長度，取平均值，即流動度值。

④重復(fù)進(jìn)行如上步驟。

2.4.3 析水率

將復(fù)合漿液倒入250mL的量筒內(nèi)，大約倒入200mL時記錄初始高度（H1），再2h后記錄漿液的最終高度（H2），2h后析出的高度（初始高度與2h后高度的差）與H1的比值就是析水率。在倒入量筒的過程中，應(yīng)當(dāng)避免碰到杯壁和放置量筒抖動。

2.4.4 結(jié)石率

將漿液倒入70.7mm模具中，24h后拆模，用尺子在試塊的三個方向上測其高度，多測幾組取平均值，試塊與模具的高度之比就是結(jié)石率。

2.4.5 立方體抗壓強(qiáng)度

將漿液倒入70.7標(biāo)準(zhǔn)模具中，24h后拆模，養(yǎng)護(hù)3d、7d、28d，到養(yǎng)護(hù)時間后取出，測其立方體抗壓強(qiáng)度，每組三個試塊，取其平均值。

2.5 配合比

本實(shí)驗(yàn)的配合比如表1所示。

水泥基漿液配合比 表1

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 流動性

經(jīng)試驗(yàn)所得，流動性越好說明其擴(kuò)散的范圍越大，漿液的流動性能越好，越容易流下。礦渣粉—石英粉—水泥基漿液的流動性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

礦渣粉-石英粉-水泥基漿液流動性試驗(yàn)結(jié)果 表2

水灰比為0.5的漿液流動性如表2所示。可得到結(jié)論：

①漿液的流動度值保持在150mm～200mm之間；

②與水泥漿液相比，礦渣粉摻量10%，石英粉摻量10%的時候，流動性最好。

3.2 粘度

粘度值越大，說明漿液的流動性能越差。礦渣粉—石英粉—水泥基漿液的粘度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

液粘度試驗(yàn)結(jié)果 表3

其中粘度的校正公式為：

α為校正后的粘度值；B為清水的標(biāo)準(zhǔn)值（本文取15s）；D為實(shí)測漿液的粘度值；W為實(shí)測水的粘度值。

圖1 不同配合比對粘度的影響

從表3中可得在水灰比為0.5的時候，漿液的粘度值范圍在47s～130s，其變化范圍較大，但總體來看，其粘度值保持在60s～130s。

不同的配合比，對于漿液粘度的影響也是不同的，由表中可得，隨著礦渣粉摻量的增加（10%、20%），漿液的粘度隨之降低。總的來說，石英粉摻量越多，粘度值越低；礦渣粉摻量越大，粘度值越高。

3.3 析水率、結(jié)石率

漿液的穩(wěn)定性隨著析水率的增加而降低，析水率越小漿液的穩(wěn)定性越好。礦渣粉—石英粉—水泥基漿液的析水率試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

結(jié)石率與漿液的穩(wěn)定性成反比，即與析水率成反比。結(jié)石率越高，其漿液的穩(wěn)定性越好；反之，結(jié)石率越低，其穩(wěn)定性越差。礦渣粉-石英粉-水泥基漿液的結(jié)石率試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

析水率、結(jié)石率試驗(yàn)結(jié)果 表4

其中，結(jié)石率的計(jì)算公式為：

H1為試塊的高度值，H2為標(biāo)準(zhǔn)模具的高度值（70.7mm）

圖2 不同配合比對析水率的影響

從表4中可得：礦渣粉和石英粉的摻量對于復(fù)合漿液的析水率影響不大。

在水灰比為0.5時，復(fù)合漿液的結(jié)石率均在97.7%～99.9%。隨著礦渣粉摻量的提高，其漿液的結(jié)石率越低；而隨著石英粉的摻量提高，漿液的結(jié)石率越高。這說明，石英粉摻量多的漿液結(jié)石率要比礦渣粉摻量多的結(jié)石率好。

3.4 抗壓強(qiáng)度

立方體抗壓強(qiáng)度對于漿液來說是一個具有代表性的標(biāo)志，強(qiáng)度越高，說明漿液的能力越好。礦渣粉—石英粉—水泥基漿液的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 表5

在水灰比為0.5時，純水泥漿液的抗 壓 強(qiáng) 度 3d 為 14.32MPa；7d 為20.97MPa；28d 的為 35.37MPa。從表5中可以得出：石英粉摻量為5%時，礦渣粉含量越多，立方體抗壓強(qiáng)度越低；石英粉摻量為10%時，礦渣粉含量越多，立方體抗壓強(qiáng)度越高。礦渣粉含量一定時，石英粉含量越多，立方體抗壓強(qiáng)度越低。

圖3 養(yǎng)護(hù)期為3d的抗壓強(qiáng)度曲線

圖4 養(yǎng)護(hù)期為7d的抗壓強(qiáng)度曲線

圖5 養(yǎng)護(hù)期為28d的抗壓強(qiáng)度曲線

4 結(jié)語

在礦渣粉摻量10%，漿液的流動性最好；石英粉摻量越多，漿液粘度值越低；礦渣粉摻量越大，漿液粘度值越高；漿液的析水率大小隨著石英粉和礦渣粉的摻量的增加而降低，而且礦渣粉對漿液析水率的影響比石英粉對其的影響更大；隨著礦渣粉摻量的提高，其漿液的結(jié)石率越低；而隨著石英粉的摻量提高，漿液的結(jié)石率越高。