磷酸鹽緩凝劑對(duì)水泥基速凝類漿液影響機(jī)制的研究與應(yīng)用

趙　鵬，張慶松，鄭東柱，朱明聽，李　鵬

(山東大學(xué)巖土與工程結(jié)構(gòu)研究中心，濟(jì)南　250061)

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磷酸鹽緩凝劑對(duì)水泥基速凝類漿液影響機(jī)制的研究與應(yīng)用

趙鵬，張慶松，鄭東柱，朱明聽，李鵬

(山東大學(xué)巖土與工程結(jié)構(gòu)研究中心，濟(jì)南250061)

水泥基速凝類漿液是目前廣泛應(yīng)用的注漿材料，開展關(guān)于外加劑對(duì)于水泥基速凝類漿液影響機(jī)制的研究具有重要意義。針對(duì)水泥基速凝類漿液中的水泥-水玻璃漿液，開展室內(nèi)試驗(yàn)分析與研究磷酸鹽緩凝劑對(duì)漿液黏度時(shí)變特性的影響機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果表明水泥-水玻璃漿液凝膠過(guò)程分為3個(gè)階段，并分析發(fā)現(xiàn)添加磷酸鹽緩凝劑后水泥-水玻璃漿液初凝期持續(xù)時(shí)間顯著增加，在該時(shí)期漿液呈固液混合的糊狀，漿液黏度穩(wěn)定于40 Pa·s以下。初凝期持續(xù)時(shí)間主要受漿液混合體積比影響。將研究結(jié)論應(yīng)用于指導(dǎo)注漿處治工程實(shí)踐，效果良好，為相關(guān)注漿工程提供了一定的借鑒作用。

注漿工程； 水泥-水玻璃漿液； 緩凝劑； 黏度時(shí)變性

1　引　言

注漿是解決不良地質(zhì)問(wèn)題的有效手段，注漿材料的選擇是影響注漿治理效果的關(guān)鍵因素之一[1,2]。水泥基漿液材料因材料價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛、注漿操作方便，并且能夠滿足提高被注介質(zhì)強(qiáng)度、降低被注介質(zhì)滲透性的基本需要，是目前工程中主要應(yīng)用的注漿材料[3-5]。添加了各類外加劑的水泥基漿液在面臨高水壓、大流量突水突泥災(zāi)害時(shí)，能起到良好的注漿封堵效果，因此在注漿工程中應(yīng)用廣泛[6-8]。然而目前缺乏關(guān)于外加劑對(duì)水泥基漿液理化性質(zhì)影響機(jī)制的研究與應(yīng)用，注漿工程中一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定漿液配比、注漿壓力、擴(kuò)散半徑等注漿參數(shù)。

Baker[9]和劉嘉材[10,11]等雖然都建立了相應(yīng)的注漿擴(kuò)散理論，但都假設(shè)漿液為無(wú)黏度時(shí)變特性的牛頓流體，與實(shí)際工況不符；阮文軍[12,13]對(duì)多種水泥基漿液的流型、可灌性等參數(shù)均有研究，但對(duì)于影響水泥基速凝類漿液的黏度時(shí)變特性的主要因素缺乏深入分析與研究；吳德寶、萬(wàn)文等[14]對(duì)目前注漿工程中主要應(yīng)用的水泥-水玻璃等水泥基速凝類漿液的基本性能進(jìn)行了試驗(yàn)，但對(duì)于外加劑的影響缺乏討論。水泥-水玻璃漿液的黏度時(shí)變過(guò)程受多種因素影響，其中關(guān)于磷酸鹽緩凝劑對(duì)于漿液黏度時(shí)變特性的影響目前鮮有討論。而漿液的黏度時(shí)變特性是影響注漿模型建立與理論推導(dǎo)的重要因素，因此開展關(guān)于緩凝劑對(duì)漿液黏度時(shí)變性影響機(jī)制的研究十分必要。本文采用正交試驗(yàn)，分別測(cè)定添加與未添加緩凝劑水泥-水玻璃漿液黏度時(shí)變性，分析漿液黏度變化規(guī)律與影響因素，這對(duì)于水泥基速凝類漿液的相關(guān)理論建立以及其在施工過(guò)程中的應(yīng)用具有一定的參考意義。

2　試　驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料

(1)水泥

本次室內(nèi)試驗(yàn)使用水泥為由江西省蓮花縣水泥廠生產(chǎn)的32.5R普通硅酸鹽水泥，材料符合《硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥》(GB175-99)標(biāo)準(zhǔn)。水泥各組分參數(shù)見表1。

表1　水泥各組分參數(shù)

(2)水玻璃

本次室內(nèi)試驗(yàn)使用水玻璃材料，水玻璃密度為1.35 g/cm3，模數(shù)M=3.0，水玻璃濃度Be’=37.5。

(3)磷酸鹽緩凝劑

本試驗(yàn)采用無(wú)水磷酸二氫鈉作為水泥緩凝劑。磷酸二氫鈉通過(guò)與水泥液相中的鈣離子產(chǎn)生沉淀反應(yīng)在水泥顆粒表面形成包覆層來(lái)降低水泥水化速率。通過(guò)焦寶祥[15]的研究表明，水泥-水玻璃溶液中過(guò)量添加磷酸鹽類緩凝劑會(huì)產(chǎn)生促凝作用，無(wú)法達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期效果，因此試驗(yàn)中磷酸二氫鈉添加量為水泥質(zhì)量的2%。

2.2試驗(yàn)儀器

圖1　SV-100正弦波振動(dòng)式黏度計(jì)Fig.1　SV-100sinusoidal vibrating type viscometer

本試驗(yàn)采用日本SV-100正弦波振動(dòng)式黏度計(jì)，見圖1，黏度計(jì)測(cè)定量程為1～120 Pa·s，可直接測(cè)得漿液黏度變化曲線與溫度變化曲線。

SV-100正弦波振動(dòng)式黏度計(jì)采用正弦波電流使兩個(gè)碟片反響振動(dòng)，振動(dòng)頻率相同。當(dāng)?shù)瑴y(cè)定的漿液不同時(shí)，為使碟片振幅相同，驅(qū)動(dòng)電流將與漿液黏度成正比。測(cè)定重復(fù)精度1%(標(biāo)準(zhǔn)偏差)。

2.3試驗(yàn)過(guò)程

(1)配制水泥漿液的水灰比采用1∶1和1.2∶1，水泥漿液和水玻璃按混合體積比(水泥漿液體積：水玻璃體積)采用1∶1、2∶1、3∶1，分組進(jìn)行正交試驗(yàn)。選取水灰比為1∶1、1.2∶1，混合體積比2∶1、3∶1漿液添加緩凝劑進(jìn)行黏度測(cè)定。每組使用的水泥質(zhì)量為100 g，緩凝劑添加質(zhì)量為水泥質(zhì)量的2%。

(2)水泥漿與添加劑混合后以相同速度攪拌3 s，然后倒入儀器器皿中，儀器設(shè)置每1 s測(cè)定一次混合漿液的黏度及溫度，保存測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)觀察并記錄漿液混合后形態(tài)變化過(guò)程。

3　結(jié)果與討論

3.1漿液黏度時(shí)變曲線

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，獲得了不同水灰比、混合體積比漿液黏度與溫度隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)與曲線。現(xiàn)選取幾組典型測(cè)試數(shù)據(jù)及曲線進(jìn)行分析：未添加磷酸鹽緩凝劑時(shí)，水泥-水玻璃漿液黏度隨時(shí)間變化曲線分別如圖2所示；添加磷酸鹽緩凝劑后，水泥-水玻璃漿液黏度隨時(shí)間變化曲線分別如圖3所示。

圖2　未添加緩凝劑漿液黏度曲線(a)水灰比W/C=1∶1;(b)水灰比W/C=1.2∶1Fig.2　Viscosity curves for grout without retarder

圖3　添加緩凝劑后漿液黏度曲線(a)水灰比W/C=1∶1;(b)水灰比W/C=1.2∶1Fig.3　Viscosity curves for grout with retarder

3.2漿液黏度時(shí)變性分析

由圖2中黏度時(shí)變曲線及試驗(yàn)中漿液形態(tài)變化記錄分析可知，未添加磷酸鹽緩凝劑的水泥-水玻璃漿液凝膠過(guò)程可分為混合期、初凝期、固化期三個(gè)階段：黏度低于20 Pa·s時(shí)，漿液處于混合期，此時(shí)材料凝膠反應(yīng)不完全，黏度增長(zhǎng)緩慢，漿液外觀呈液體狀，流動(dòng)性強(qiáng)；黏度高于20 Pa·s但低于100 Pa·s時(shí)，漿液進(jìn)入初凝期，此時(shí)黏度增長(zhǎng)速度快，漿液外觀呈固液混合的糊狀，并迅速失去流動(dòng)性；黏度高于100 Pa·s后，漿液進(jìn)入固化期，此時(shí)黏度已超過(guò)儀器量程最大值，所測(cè)黏度值失去實(shí)際意義，漿液外觀呈膏狀，并已失去流動(dòng)性。

由圖3中黏度時(shí)變曲線及試驗(yàn)中漿液形態(tài)變化記錄分析可知，添加磷酸鹽緩凝劑后的水泥-水玻璃漿液黏度隨時(shí)間變化過(guò)程發(fā)生了顯著變化：混合期材料凝膠反應(yīng)不完全，此時(shí)漿液所受影響程度較低，黏度增長(zhǎng)速度與未添加緩凝劑時(shí)變緩少許，漿液外觀呈液體狀，流動(dòng)性強(qiáng)；進(jìn)入初凝期后漿液黏度長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定保持在40 Pa·s以下，黏度增長(zhǎng)速度初期較慢，而后逐漸增大，漿液外觀呈固液混合的糊狀，具有一定流動(dòng)性；隨后漿液進(jìn)入固化期，黏度持續(xù)上升并達(dá)到固化，此時(shí)漿液黏度已超過(guò)儀器量程最大值，所測(cè)黏度值失去實(shí)際意義，漿液外觀呈膏狀，并已失去流動(dòng)性。

根據(jù)漿液黏度時(shí)變特性，將漿液的凝膠過(guò)程劃分為多個(gè)階段，對(duì)于漿液性能研究與現(xiàn)場(chǎng)注漿施工具有指導(dǎo)意義。未添加緩凝劑水泥-水玻璃漿液階段參數(shù)見表2，添加緩凝劑水泥-水玻璃階段參數(shù)見表3。

表2　未添加緩凝劑漿液階段參數(shù)

表3　添加緩凝劑漿液階段參數(shù)

對(duì)比以上數(shù)據(jù)及漿液黏度時(shí)變曲線分析可得：

(1)磷酸鹽緩凝劑對(duì)于水泥-水玻璃漿液黏度時(shí)變性影響顯著，緩凝劑的添加降低了水泥的水化速率，延緩了漿液的凝膠過(guò)程，使?jié){液黏度長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定40 Pa·s以下。

(2)水灰比、混合體積比對(duì)于添加與未添加緩凝劑的水泥-水玻璃漿液黏度時(shí)變性均具有顯著影響，水灰比越高、水泥所占體積比越小，漿液黏度增長(zhǎng)速度越低，凝膠時(shí)間越長(zhǎng)。

(3)相對(duì)于材料混合體積比，水灰比對(duì)未添加磷酸鹽緩凝劑的水泥-水玻璃漿液黏度時(shí)變性影響更大，高水灰比延緩了水泥水化速率，可顯著增加漿液混合期、初凝期時(shí)間，降低混合漿液的黏度增長(zhǎng)速率，延緩漿液凝膠過(guò)程。

(4)相對(duì)于水灰比，材料混合體積比對(duì)添加了磷酸鹽緩凝劑的水泥-水玻璃漿液黏度時(shí)變性影響更大。水灰比相同時(shí)，混合體積比為2∶1的漿液初凝期持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)大于混合體積比為3∶1的漿液。混合體積比中水泥所占比重越低，水泥與水玻璃反應(yīng)越不充分，漿液凝膠越遲緩，黏度增長(zhǎng)速度越慢。

4　漿液材料適用性分析

添加磷酸鹽緩凝劑與未添加磷酸鹽緩凝劑的水泥-水玻璃漿液黏度時(shí)變性差異明顯，在注漿治理工程中根據(jù)實(shí)際地質(zhì)災(zāi)害情況與注漿材料特性，選擇合適的漿液參數(shù)配比，才能達(dá)到理想的治理效果。

未添加磷酸鹽緩凝劑的水泥-水玻璃漿液存在混合期，此時(shí)漿液黏度較低，流動(dòng)性強(qiáng)，應(yīng)盡量避免突涌水災(zāi)害治理中地下動(dòng)水的沖刷與稀釋作用。進(jìn)入初凝期后漿液黏度上升迅速，凝膠時(shí)間短，對(duì)于抵抗地下動(dòng)水效果良好，但擴(kuò)散范圍有限。適用于較小范圍內(nèi)注漿封堵與加固。

添加磷酸鹽緩凝劑后，水泥-水玻璃漿液黏度初凝期穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，漿液外觀呈固液混合糊狀，在被注介質(zhì)孔隙、裂隙中具有良好的運(yùn)移擴(kuò)散能力，同時(shí)可以抵抗一定程度的動(dòng)水沖刷。可通過(guò)靈活調(diào)節(jié)漿液配合比控制漿液凝膠時(shí)間，進(jìn)行較大范圍內(nèi)的注漿封堵與加固。

5　現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用

5.1工程概況

圖4　鉆孔及初支涌水Fig.4　Gushing water of drilling hole and initial support

在江西省吉蓮高速永蓮隧道F2斷層破碎帶突水突泥災(zāi)害治理工程中，隧道開挖至進(jìn)口左洞ZK91+329.5里程處時(shí)掌子面右上方開始出現(xiàn)股狀涌水，多處注漿孔口管出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，涌水量初始約為5 m3/h，峰值達(dá)33 m3/h，水質(zhì)渾濁(如圖4)。探測(cè)到掌子面右前方存在水囊，地下水壓較大，傳統(tǒng)注漿材料與注漿工藝無(wú)法達(dá)到理想治理效果。

5.2現(xiàn)場(chǎng)材料試驗(yàn)

根據(jù)工程工況，使用添加緩凝劑的水泥-水玻璃漿液作為主要注漿堵水材料。緩凝劑選用磷酸氫二鈉，添加量為水泥質(zhì)量的2%。為了達(dá)到良好的注漿擴(kuò)散與封堵效果，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)不同水灰比、混合體積比(水泥漿液體積：水玻璃體積)漿液進(jìn)行了多組試驗(yàn)測(cè)定其初終凝時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果整理如表4、表5。

表4　漿液材料初凝時(shí)間

表5　漿液材料終凝時(shí)間

5.3注漿工藝及漿液配比選擇

(1)根據(jù)探測(cè)結(jié)果，針對(duì)掌子面涌水處及其前方水囊影響區(qū)巖體，設(shè)計(jì)并施做127個(gè)注漿鉆孔對(duì)掌子面前方25 m范圍內(nèi)進(jìn)行帷幕注漿處治;

(2)基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果及注漿材料黏度時(shí)變特性考慮，選擇水灰比W/C=1∶1、水泥與水玻璃體積比2∶1并添加磷酸鹽緩凝劑的水泥-水玻璃混合漿液對(duì)掌子面前方水囊影響區(qū)巖體進(jìn)行注漿治理，緩凝劑添加質(zhì)量為水泥質(zhì)量2%。同時(shí)使用傳統(tǒng)水泥-水玻璃漿液對(duì)掌子面附近區(qū)域涌水巖體進(jìn)行注漿封堵;

(3)采用前進(jìn)式分段注漿工藝對(duì)掌子面前方不同治理區(qū)域進(jìn)行分段治理，注漿段距3～5 m。注漿壓力控制根據(jù)梯級(jí)壓力設(shè)計(jì)施行，鉆孔淺部注漿設(shè)計(jì)終壓為2～3 MPa，深部為4～6 MPa。

圖5　注漿后巖芯情況 Fig.5　Rock core after grouting

圖6　掌子面漿脈Fig.6　Slurry vein on tunnel face

5.4注漿治理效果

注漿治理結(jié)束后，通過(guò)檢查孔取芯發(fā)現(xiàn)漿液擴(kuò)散范圍較遠(yuǎn)，注漿治理后巖芯堅(jiān)固密實(shí)，注漿加固效果明顯(如圖5)，說(shuō)明治理效果良好，開挖掘進(jìn)條件滿足設(shè)計(jì)要求。注漿治理區(qū)域開挖后圍巖強(qiáng)度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，滲透性低，開挖過(guò)程中未再發(fā)生涌水事故。開挖掌子面漿脈明顯、分布緊密，漿液擴(kuò)散范圍達(dá)到設(shè)計(jì)要求(如圖6)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程量統(tǒng)計(jì)反算，得到現(xiàn)場(chǎng)地層漿液充填率為87.1%，漿液損失率低于25%，說(shuō)明漿液材料具有一定抵抗地下動(dòng)水沖刷與稀釋能力，可以應(yīng)用于復(fù)雜地質(zhì)條件下注漿工程中。

6　結(jié)　論

(1)水泥-水玻璃漿液黏度時(shí)變過(guò)程可分為3個(gè)階段。未添加緩凝劑時(shí)漿液材料混合后反應(yīng)不完全，存在混合期，而后漿液進(jìn)入初凝期，黏度迅速增長(zhǎng)直至終凝并進(jìn)入固化期，漿液由固液混合的糊狀轉(zhuǎn)化為膏狀，流動(dòng)性迅速喪失；添加磷酸鹽緩凝劑后，水泥水化速率顯著降低，混合期漿液黏度增長(zhǎng)速度變慢，而后初凝期長(zhǎng)時(shí)間維持在某低黏度區(qū)間內(nèi)，漿液長(zhǎng)時(shí)間保持為固液混合的糊狀，最終漿液黏度增長(zhǎng)速度再次增加直至漿液最終固化;

(2)水泥漿水灰比與漿液材料混合體積比均影響漿液黏度時(shí)變性。水灰比越高、水泥漿所占材料混合體積比越低，漿液黏度增長(zhǎng)速度越慢，凝膠時(shí)間越長(zhǎng)。對(duì)于未添加磷酸鹽緩凝劑漿液，相對(duì)于材料混合體積比，水灰比對(duì)漿液黏度時(shí)變性影響更大。高水灰比可顯著延緩漿液凝膠；對(duì)于添加磷酸鹽緩凝劑的水泥-水玻璃漿液，混合體積比對(duì)漿液黏度時(shí)變性影響更明顯，水泥漿液含量的減少導(dǎo)致水泥與水玻璃反應(yīng)不充分，漿液初凝期的持續(xù)時(shí)間顯著延長(zhǎng);

(3)未添加緩凝劑的水泥-水玻璃漿液黏度上升迅速、凝膠時(shí)間短，適用于小范圍的注漿封堵與加固；添加磷酸鹽緩凝劑的水泥-水玻璃漿液可通過(guò)調(diào)節(jié)配比控制漿液凝膠時(shí)間，且漿液具有一定抵抗動(dòng)水能力，適用于較大范圍注漿封堵與加固。將研究結(jié)論應(yīng)用于指導(dǎo)注漿處治工程實(shí)踐，效果良好，為相關(guān)注漿工程提供了一定的借鑒作用。

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Research and Application of Influence Mechanism about Phosphate Retarder for Cement-based Fast Curing Grouts

ZHAOPeng,ZHANGQing-song,ZHENGDong-zhu,ZHUMing-ting,LIPeng

(Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,China)

It is great significance to research the influence mechanism of additive for cement-based fast curing grout which is widely used in grouting project. Laboratory test is developed to analyze and research the influence mechanism of time-dependent behavior of viscosity about phosphate retarder for cement-sodium silicate, which is a kind of cement-based fast curing grout. Reaction progress of grout is classified to three periods according to the results, and the duration of initial setting time of grout with phosphate retarder is extended obviously. During that time, the grout is solid-liquid mixed paste, and the viscosity is stability below 40 Pa·s.Initial setting time duration is mainly affected by the volume mixing ratio.The research conclusion is applied to guide the grouting project, the treatment effect is good, and provides a certain reference for the related grouting engineering.

grouting project;cement-sodium silicate;retarder;time-dependent behavior of viscosity

國(guó)家自然科學(xué)基金(41272385)

趙鵬(1991-)，男，碩士研究生.主要從事地下工程災(zāi)害注漿治理研究工作.

TD26

A

1001-1625(2016)04-0989-06