可控水泥漿實驗研究

李必良,裴向軍

(1.綿陽市水利規劃設計研究院,四川省綿陽市 621000；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

文章編號：1006—2610(2015)01—0088—04

可控水泥漿實驗研究

李必良1,裴向軍2

(1.綿陽市水利規劃設計研究院,四川省綿陽市 621000；2.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

針對結構面發育、裂隙開度大的巖體，使用常規的水泥漿、砂漿等材料灌注加固困難的問題，擬采用水泥基新型灌漿材料拌制可控水泥漿，通過設計“三因素、三水平”的室內正交試驗方案，篩選出適宜破碎、裂隙開度較大巖體灌注的配合比，探討可控水泥漿的可行性。實驗數據表明，與常規水泥漿參數對比，可控水泥漿具有初始流動性好，可泵時間、初凝時間、終凝時間可調控，齡期強度比普通水泥漿強度高等特點，可根據不同的地質條件，調整各摻料的配比，達到巖體加固的目標。

巖體結構;控制；水泥漿;正交試驗;抗壓強度

0 前 言

受地質構造、風化、卸荷等作用，巖體結構遭受破壞，裂隙開度一般大于0.5 mm，在高深峽谷區斜坡巖體結構面開度更大，在此類巖體中進行灌注加固，往往灌注量大，造成漏漿、返漿困難，灌漿加固達不到預期效果。常規水泥漿水化過程、黏度隨時間變化較緩慢，可泵時間一般通過調節水灰比、摻砂等方式調節，目前，國內對快速凝結、充填作用的水泥灌注漿的研究，主要有：速凝型水玻璃和水泥配成膠質水泥漿[1]、外加劑泡沫水泥漿[2]、超細水泥漿加外加劑[3]、水泥漿中加入SDJR膠乳[4]或丁苯膠乳[5]等膠乳水泥漿體系、纖維[6]及橡膠粉[7]水泥漿、復合材料的改性水泥漿體系[8]、黏土水泥漿[9]、加入穩定劑的水泥漿[10]；這些不同類型的水泥漿作用機理不同，適宜灌注不同結構的巖體。但對于裂隙(縫)開度>5 mm的巖體，一般的水泥漿的可泵時間、凝結時間都較長，無法在有效時間內充填裂隙，而速凝、早強型水泥漿可以快速充填裂隙，但其凝結速度難以控制，后期強度偏低，直接影響水泥漿的擴散范圍[11]。因此，為有效合理、因地制宜、提高工程質量和速度、達到節約材料的目標，以水泥為基材，摻入新型助劑材料，開展可控水泥漿室內實驗研究。

1 實驗機理及思路

影響常規水泥漿性能的主要因素在于含礦物成分的種類、含量、水泥的細度。拌制時，水泥中的主要礦物硅酸二鈣和硅酸三鈣與水發生水化反應，產生水化硅酸鈣(C-S-H凝膠)；鋁酸三鈣迅速水化先生成介穩狀態的水化鋁酸鈣，在CaSO4存在的條件下，反應形成三硫型水化硫鋁酸鈣(鈣礬石)[12]；鐵相固溶體(鐵鋁酸鹽)的水化速度較緩慢、水化熱較低，反應緩慢、不明顯。

以常規的水泥水化原理為基礎，以λ=0.6水泥漿為基漿，摻加膨潤土、合成纖維素類溶劑(助劑1號)、合成鈣硅質早強劑(助劑2號)、酰胺類穩定性調節劑(助劑3號)，配制可控水泥漿[13]。首先依次摻入膨潤土、助劑1號纖維素類有機材料，起穩定調和作用，為后期材料的摻入形成充分反應條件，迅速加入助劑2號，使水泥顆粒化學組份迅速參與反應，并在水泥顆粒之間反應生成大量致密的膠結物，最后加入助劑3號，根據不同工程地質條件需要可有效調節反應過程，整個拌制過程形成“較快-較慢-快-逐漸釋放反應速度”的反應過程。

配制出的這種水泥漿初始流動性好，黏度、凝結時間可根據不同地質條件的巖體結構對配合比進行調節，最終通過測定水泥漿的可泵時間、初凝時間、終凝時間、后期強度等參數，篩選出可泵時間較長，初凝、終凝時間較短的配合比。

2 實驗材料

采用PO.42.5普通硅酸鹽水泥、水、膨潤土、助劑1號、助劑2號、助劑3號。

3 正交試驗設計及分析

3.1 實驗方案

通過前期對可控水泥漿灌漿材料實驗性拌制過程及反應程度的影響分析：助劑1號主要起穩定調和的作用，對漿液性能影響程度不大，設定其摻量為0.33%(與水泥質量比)不變；略去次要因素，主要對膨潤土、助劑2號、助劑3號三因素進行考察。對正交試驗范圍內每個因素分別選取3個水平(如表1所示)，以期獲得可泵時間最長、初凝、終凝時間最短的方案。

表1 試驗正交表L9 (33)

3.2 正交試驗成果及極差分析

水灰比設置為0.6，水泥摻量為3 000 g、按照“三因素、三水平”的正交試驗表進行實驗，如表1所示。“膨潤土”、“助劑2號”、“助劑3號”為3個因素；3個不同等級的摻量為因素的3個水平，將助劑1、2、3號分別配置成10%、25%、10%的溶液，在λ=0.6普通水泥漿基礎上，依次加入膨潤土、助劑1、2、3號的溶液，拌制可控水泥漿，測試各參數指標，實驗成果數據填入表2中，測試結果極差分析見表3。

表2 正交試驗成果表

結合表2、3可以看出：

(1) 膨潤土對各參數的影響。對可泵時間、初凝時間、終凝時間3個參數而言，因素膨潤土的極差都不是最大，即膨潤土不是影響的最大因素，膨潤土取4.17%最好。

(2) 助劑2號對各參數的影響。對初凝時間和終凝時間而言，極差都是最大的，可以說，助劑2號是最大的影響因素；對初凝時間而言，助劑2號取2.0%最好；而對終凝時間而言，取2.0%亦好。助劑2號的摻量在2%～2.67%之間極差處于上升值；對可泵時間而言，助劑2號取3.33%時，極差最大，不利于拌制理想可泵時間的漿液，當取2.0%時，極差處于適度，調整范圍在2%～2.67%。

表3 測試結果極差分析列表

(3) 助劑3號對各參數的影響。對初凝時間和終凝時間而言，極差都不是最大的，助劑3號因素不是最大的影響因素；對可泵時間而言，助劑3號是最大的影響因素；而對初凝、終凝時間而言，助劑3號分別為一般和最小的影響因素，為了和助劑2號的摻量配合達到可泵時間最大的效果，助劑3號取0.67%～0.83%最好。

通過正交試驗的范圍鎖定，A1B1C3為較好的實驗方案，其配合比為：

水∶水泥∶膨潤土∶助劑1號∶助劑2號∶助劑3號=0.6∶1∶0.033∶0.0033∶0.02∶0.0083。

3.3 影響因子分析

保持水灰比λ=0.6不變，以正交試驗成果為基礎，調整影響因素的摻量，分析各摻量影響情況如下。

(1) 助劑1號對水泥漿的影響

通過實驗前期階段測試助劑1號對水泥漿的影響分析判斷，助劑1號主要起穩定調和的作用，對漿液性能影響程度不大。

(2) 膨潤土對水泥漿影響

通過前述正交試驗結果，膨潤土對水泥漿影響小，不起主導作用。

(3) 助劑2號摻量對水泥漿性質的影響

圖1 助劑2號加量對水泥漿參數的影響曲線圖

其余摻量不變，增減助劑2號的摻量，測定其對水泥漿的可泵時間、初凝時間、終凝時間主要參數值的影響，其影響曲線如圖1所示：當助劑2號摻量逐漸增加，曲線陡降，到摻量約為2%時，曲線均具有最小值，隨著摻量繼續增加，縱坐標數值緩慢地增加，整個曲線呈現下凹形拋物線。可以得出，助劑2號摻量最小值為1.33%～2.67%，處于這一值時，可泵時間、初凝時間、終凝時間最短。

(4) 助劑3號對水泥漿性質的影響

助劑2號、助劑3號對水泥漿液性質影響很大，保持助劑2號摻量為2%及其余摻量不變，增減助劑3號摻量并測試其對水泥漿的影響，如圖2所示。當助劑3號摻量逐漸增加，可泵時間略微增長，當摻量為0.33%時，達到最大，隨摻量繼續增加，可泵時間緩慢地減小；初凝、終凝時間隨助劑3號摻量影響曲線呈似下凹形拋物線，先急劇減小，達到最小值后，逐漸緩慢增長。可以看出，當助劑3號摻量在0.33%～0.56%時，凝結時間有最小值。

圖2 助劑3號加量對水泥漿參數的影響曲線圖

4 實驗對比及分析

為了探討可控水泥漿是否具有比常規水泥漿具有更大的潛力和優勢，室內實驗進行了同水灰比的常規水泥漿對比實驗。

可控水泥漿和常規水泥漿測試結果，見表4。實驗結果表明，可控水泥漿可泵時間1 h14 min，約是常規水泥漿的1/10；初凝時間4 h54 min，約是常規水泥漿的1/4；終凝時間6 h56 min，約是常規水泥漿的1/3；24 h抗壓強度1.53 MPa，約是常規水泥漿的3倍；3 d齡期抗壓強度8.7 MPa，約是常規水泥漿的2倍；7 d齡期抗壓強度13.78 MPa，約是常規水泥漿的1.5倍；28 d齡期抗壓強度22.5 MPa，約是常規水泥漿的1.3倍。

表4 對比試驗成果表

從可泵—初凝—終凝的變化過程中，相同水灰比為λ=0.6的常規水泥漿達到凝結狀態，所需時間長，而可控水泥漿所需時間短，稠化速度最快，在灌漿擴散過程中，沿張開度較大的裂隙流動過程中能快速凝結，且強度增長快，28 d抗壓強度增幅近30%。

5 結 語

(1) 從室內正交試驗成果可以看出，可控水泥漿具有可調性(通過調整摻入助劑含量的大小達到所需性狀的水泥漿目標)，且摻量的微弱增加或減小就可對水泥漿性狀影響較大；鎖定了可泵時間較長，初凝、終凝時間較短的配合比。

(2) 分析膨潤土、助劑2號、助劑3號3個因素分別對可控水泥漿的影響，得出：助劑2號、助劑3號為主要的影響因素，膨潤土對水泥漿影響小。

(3) 與同水灰比常規水泥漿相比，可控水泥漿助劑摻量調節變化較小即可達到對水泥漿影響較大的效果，可調性強；實驗結果表明，可控水泥漿可泵時間約是常規水泥漿的1/10，初凝時間約是常規水泥漿的1/4，終凝時間約是常規水泥漿的1/3；3 d齡期抗壓強度約是常規水泥漿的2倍，7 d齡期抗壓強度約是常規水泥漿的1.5倍，28 d齡期抗壓強度約是常規水泥漿的1.3倍。

(4) 通過調整助劑2號、助劑3號的摻量，可配制不同可泵時間、初凝時間、終凝時間的水泥漿，對結構面發育、裂隙開度較大的巖體具有擴散半徑可控的可行性，從而可以降低水泥漿浪費量，節約工程投資。

(5) 室內實驗可控水泥漿表現出明顯的優越性，為實際工程應用打下了基礎。

[1] 陳明旺.膠質水泥漿液堵漏淺析[J].徐煤科技,1994,(04)：15-16.

[2] 匡紅,孫長征.新型泡沫水泥漿的研究與應用[J].今日科苑,2008,(18):50.

[3] 蘆維國,汪竹,孫慶宇,等.超細水泥漿封堵技術的完善與應用[J].油田化學,2004,21(1):29-32.

[4] 賴金榮.SDJR膠乳水泥漿體系研究[J].鉆井液與完井液，2006，23(4)：7-9.

[5] 王華東,吳波,黎學年.丁苯膠乳水泥漿體系在江蘇油田的應用[J].小型油氣藏，2007，12(1)：59-61.

[6] 張成金,冷永紅,李美平,等.聚丙烯纖維水泥漿體系防漏增韌性能研究與應用[J].天然氣工業，2008，28(1)：91-93.

[7] 潘寶峰,趙冬青,杜志達.水泥漿中添加輪胎橡膠微粒的應用[J].中外公路，2006，26(1)：162-165.

[8] 李早元,郭小陽,羅平亞.多元材料復合改性水泥漿體系[J].鉆井液與完井液，2008，25(1)：33-35.

[9] 魯長亮,黃生文,李偉.粘土—水泥漿液在路基加固中的應用研究[J].中外公路，2007，27(3)：211-214.

[10] 齊偉軍,夏春.穩定劑水泥漿流變機理研究[J].混凝土，2005，(9)：6-10.

[11] 鄭長成.巖體裂隙內穩定水泥漿液擴散范圍的理論分析[J].水利與建筑工程學報，2006，4(2)：1-5.

[12] 席耀忠.速凝水泥漿體的速凝原因及機理探討[J].中國水泥，2007，(1)：52-55.

[13] 裴向軍,黃潤秋,李正兵，羅建林.錦屏一級水電站左岸卸荷拉裂松弛巖體灌漿加固研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30(2)：284-288.

Study on Experiment of Controllable Cement Grout

LI Bi-liang1, PEI Xiang-jun2

(1.Mianyang Planning Design and Research Institute of Water Resources, Mianyang, Sichuan 621000, China;2. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610056, China)

For the rockmass with the developed structure planes and the big-opening fractures, it is difficult to reinforce them with conventional cement grout and cement mortar, etc. The new grouting materials based on cement are proposed to apply to mix the controllable cement grout. Through the scheme of the lab orthogonal tests designed according to Three Factors and Three Standards, the mix ratios suitable for the injection of the broken rockmass with the big-opening fracture are screened to explore the feasibility of the controllable cement application. The experiments prove that, compared with the parameters of the conventional cement grout, the controllable cement features good initial fluidity; controllable pumping period, initial setting period and final setting period; the higher age strength compared with that of the normal cement. Based on the different geological conditions, proportion of mixtures can be adjusted so as to consolidate the rockmass.

rockmass structure; control; cement grout; orthogonal test; pressive strength

2014-07-10

李必良(1983- )，男，四川省內江市人,研究生，主要從事水利水電工程地質工作.

TV41

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.023