粘土改性水泥注漿材料配比優(yōu)化試驗研究

黃勤健

（河海大學,江蘇南京210024）

強風化花崗巖等巖體具有水穩(wěn)定性差、裂縫發(fā)育明顯、少量風化粘土殘留等特點[1],在干燥環(huán)境下,其結(jié)構(gòu)相對致密,巖體的強度較高,但當遇到水時,結(jié)構(gòu)容易解體,強度降低十分顯著[2]。因此,在水利工程、隧道工程和采礦工程中,含強風化巖體的地基極易因地下水和降雨的影響而發(fā)生地表塌陷、突水突泥等工程災害,從而造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡[3-5]。因此,在水利工程施工前,必須對含強風化巖體地基進行防滲加固處理。

注漿技術(shù)因其操作簡便、對施工環(huán)境適應性強、注漿材料種類齊全等優(yōu)點,被廣泛應用于不同地層的防滲加固工程中[6]。注漿技術(shù)是通過注漿泵對注漿材料施加一定的注漿壓力,將注漿材料注入巖土體的孔洞和裂縫中,最終,注漿材料與土體之間的膠結(jié)體改善了巖土體的完整性,提高了地基的承載力和抗?jié)B能力[7-8]。因此,注漿材料能否有效注入地層巖土體中,是達到良好注漿效果的重要前提。

目前,風化巖體常用的水泥基注漿材料有普通水泥漿、水泥土泥漿、超細水泥漿和濕磨細水泥漿[9-11]。但是,上述注漿材料在注漿過程中均存在一定的局限性,如材料的穩(wěn)定性較差,導致漿料固結(jié)后收縮率較大,難以達到良好的防滲效果；或由于粒徑較大,只適用于大孔隙地層的注漿[12-13]。這些缺點極大地制約了風化巖體注漿技術(shù)的發(fā)展,雖然化學灌漿材料可以克服上述局限性,但對周圍環(huán)境的威脅不容忽視[14-15]。因此,開發(fā)一種粒徑更小、穩(wěn)定性更好、經(jīng)濟、環(huán)保的注漿材料是解決風化巖體注漿問題的前提。本文提出了一種具有良好注漿性能和穩(wěn)定性的濕地細粘土水泥注漿漿體,并通過一系列的室內(nèi)試驗,研究了漿體的基本性能和最佳混合比例。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

本次試驗所用的水泥為P.O 42.5普通硅酸鹽水泥,性能滿足GB 175-2007的技術(shù)要求,其化學成分見表1,其細度模數(shù)為1.24。所用超細水泥購自山東昊翔工程材料科技有限公司,其最大粒徑小于30μm,平均粒徑約為3μm,比表面積為1200cm2/g。所用粘土取自云南某原礦,其主要礦物成分是高嶺石、伊利石和蒙脫石,其化學成分見表1,其力學指標見表2。

表1 水泥和粘土化學成分Table 1 Chemical composition of cement and clay

表2 粘土物理力學指標Table 2 Physical and mechanical indexes of clay

1.2 試驗方法

本次試驗的新型水泥砂漿的制備步驟如下：首先將干燥的粘土研磨成粉末,在水中浸泡24h,形成粘土漿；然后向粘土漿料中加入一定比例的普通硅酸鹽水泥和超細水泥的混合物,兩種水泥的混合比例為1：1,用攪拌機高速攪拌1～2 min,形成粘土水泥漿；最后將粘土水泥漿放置在JMS-80濕式磨機上磨5min,形成細粘土水泥注漿漿液。通過研究不同粘土漿的比重和水固比條件下粘土水泥漿液的相關(guān)性質(zhì)探索粘土的最佳摻量,具體試驗配比見表3。

表3 粘土水泥漿液配比Table 3 Clay cement grout ratio

根據(jù)國家標準GB/T 13462011,采用維卡儀和漿體流動性測試模具測試材料的流動度和凝結(jié)時間；將新制備的漿液裝入100毫升刻度的圓筒中,靜置2h后,漿體表面清水的體積百分比稱為材料的析水率；將各配方注漿材料試樣成型為邊長70.7mm的立方體,在標準條件下（20±2 ℃,相對濕度65%）養(yǎng)護7d和28d,測試試樣的抗壓強度；用自動滲透測試儀測定養(yǎng)護28d后試樣在恒壓條件下的8h滲透率；最后通過掃描電子顯微鏡（SEM）測試漿體的微觀結(jié)構(gòu)。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 流動度

粘土水泥砂漿流動性測試結(jié)果如圖1所示。從圖中可以看出,砂漿的流動性隨著水固比的增大而增大,在相同的水固比下,流動度隨著粘土漿的比重升高而降低。結(jié)果表明,粘土的加入大大降低了水泥砂漿的流動性,當水固比為0.4時,粘土水泥漿的最小流動度為10.4 cm,遠遠大于標準SL 62-2014要求的純水泥漿的最小流動度范圍（1.8～2.2 cm）。因此,粘土水泥漿完全能滿足水泥基注漿材料的流動性要求。粘土增大水泥砂漿流動度的原因可能是在水泥漿的濕磨過程中,水泥顆粒相互結(jié)合和固結(jié),導致顆粒分布不均勻,加入粘土后,粘土顆粒在水泥顆粒周圍均勻分布,防止了水泥顆粒的團聚,使細顆粒分布均勻[14]。

圖1 粘土水泥砂漿流動度Fig. 1 Fluidity of clay cement mortar

2.2 凝結(jié)時間

砂漿的初凝時間直接影響漿料的可泵性。為獲得不同水固比下粘土水泥砂漿合理的施工時間,對砂漿的初凝時間進行測試,結(jié)果如圖2所示。從圖中可以看出,砂漿的初凝時間隨水固比的增加而增加,在相同的水固比下,砂漿的初凝時間隨著粘土漿比重的增加而減小。這主要是由于濕法磨細過程中會導致砂漿溫度升高,從而加速水泥的水化反應速率；同時,粘土顆粒吸收了大量的自由水,最終加速了水泥砂漿的固化速率。此外,兩組粘土水泥砂漿初凝時間變化范圍為76.5～266.7 min,其最小值滿足標準SL 62-2014對水泥漿初凝時間的要求。因此,可以根據(jù)不同注漿工程的需要,選擇合適的配比進行施工。

圖2 粘土水泥砂漿凝結(jié)時間Fig. 2 Setting time of clay cement mortar

2.3 析水率

粘土水泥砂漿的析水率試驗結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明,隨著水固比的增大,砂漿的析水率呈增大趨勢,而在相同水固比條件下,隨著粘土漿比重的增加呈減小的趨勢。根據(jù)標準SL 62-2014,當砂漿的析水率小于5%時,可認為砂漿是穩(wěn)定的。這意味著粘土水泥砂漿是一種非常穩(wěn)定的漿體,隨著水固比的減小,其穩(wěn)定性優(yōu)勢更加明顯。以往的研究也有類似結(jié)果,造成這種現(xiàn)象的原因是加入水泥漿液后,粘土顆粒的水化學特性發(fā)生了變化,水泥水化反應產(chǎn)生大量的活性離子,隨著粘土顆粒表面電荷的減少,活性離子可以加速Na+、K+和Ca2+的交換；這樣,顆粒之間的粘結(jié)力最終會變得更強,從而導致砂漿的析水率降低。粘土提高水泥漿液穩(wěn)定性的能力對于充分填充孔隙和提高注漿工程的有效性具有非常重要的意義。

圖3 粘土水泥砂漿析水率Fig. 3 Water evolution rate of clay cement mortar

2.4 抗壓強度

圖4分別為粘土水泥砂漿養(yǎng)護7d和28d后的抗壓強度試驗結(jié)果。從圖中可以看出,粘土水泥砂漿的強度隨著水固比和粘土漿比重的增大而降低。這主要是因為粘土顆粒吸附大量的游離水,這種保水性對砂漿的強度發(fā)展極為不利,粘土還能吸收漿體中的Ca2+和OH-,降低水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物的生成量,導致粘土水泥漿體強度較低[8]。粘土漿比重為1.10的粘土水泥漿固化28d后的抗壓強度最小值為5.1MPa,適用于一般基礎；最大值可達到22MPa,滿足水利工程中100m頭壩壩基加固要求。

圖4 粘土水泥砂漿7d和28d抗壓強度Fig. 4 Compressive strength of clay cement mortar at 7d and 28d

2.5 滲透率

養(yǎng)護28d后的粘土水泥漿的滲透率測試結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出,粘土砂漿的滲透率隨著水固比的增加而增大,在相同的水固比條件下,粘土含量越大,滲透率越小。這是因為粘土的加入可以促進水泥的水化,生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、石榴石、無定形凝膠和Ca(OH)2等,這些水化產(chǎn)物增加了膠凝晶體網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的密度,從而改善了漿料的孔徑分布[8],最終導致砂漿的滲透率有所降低。

圖5 粘土水泥砂漿滲透率Fig. 5 Permeability of clay cement mortar

2.6 微觀結(jié)構(gòu)

水固比為0.4時粘土水泥砂漿養(yǎng)護28d后微觀結(jié)構(gòu)如圖6所示。從圖中可以看出,粘土的加入使粘土水泥漿中產(chǎn)生了大量的凝膠填充漿體中的大部分孔隙,形成了一個整體,這使得砂漿的微觀結(jié)構(gòu)更加致密,同時,這些凝膠還包裹了水泥水化產(chǎn)生的針狀鈣礬石和片狀氫氧化鈣。且隨著粘土漿比重的增加,砂漿的結(jié)構(gòu)顯得更加致密,內(nèi)部的孔隙和裂紋數(shù)量顯著減少,這種整體結(jié)構(gòu)有利于降低漿料的滲透率,這對于該材料在水利工程中的應用提供了更加有利的保障。

圖6 粘土水泥砂漿養(yǎng)護28d后微觀結(jié)構(gòu)Fig. 6 Microstructure of clay cement mortar after curing for 28d.

3 結(jié)論

本文通過將粘土加入水泥漿中,并通過濕磨法制備了一種新型注漿材料。通過一系列試驗研究了砂漿的可注性、穩(wěn)定性和力學性能等。

（1）砂漿的穩(wěn)定性和防滲性隨著粘土漿比重的增加而增強,但是流動度、凝結(jié)時間和抗壓強度會隨著粘土漿比重的增加而降低,推薦粘土漿的比重為1.1。

（2）隨著水固比的增加,砂漿的流動度得到增強,但是凝結(jié)速率、抗壓強度和抗?jié)B性均會變差,常規(guī)水利工程推薦水固比為0.8。

（3）微觀結(jié)構(gòu)測試結(jié)果表明,粘土能夠促進水泥的水化程度,生成更多的水化產(chǎn)物,從而增強漿體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。