膨潤土水泥不同配比在高低速攪拌后的強(qiáng)度性質(zhì)研究及應(yīng)用

喬梁 易飛 吳寶富 李尚江

摘要：采用鈣基膨潤土、硅酸鈉水泥、水等材料，測量分析形成泥漿固化物后抗剪切的破壞載荷和抗壓強(qiáng)度，通過控制變量的方法，形成多個(gè)梯次，分別探究最佳水土比、膨潤土和水泥最佳配比以及不同配比下高低速攪拌對其強(qiáng)度性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)水土比為1：1.5時(shí)低速攪拌的抗剪切破壞載荷最大;隨著水泥含量的增加，抗剪切破壞載荷和抗壓強(qiáng)度隨之增大：總體來說低速攪拌的效果明顯好于高速攪拌。

關(guān)鍵詞：膨潤土;抗剪切破壞載荷;抗壓強(qiáng)度;最佳配比

自90 年代以來，工程中便出現(xiàn)了一種新的灌漿技術(shù)，該法主要是通過添加膨潤土來生產(chǎn)穩(wěn)定漿液，目前國內(nèi)外配制穩(wěn)定灌漿液普遍采用膨潤土作穩(wěn)定劑。 灌漿液的主要成分就是膨潤土和水泥，所以如何控制好漿液各組份之間的比例成為了人們一直研究得話題。研究漿液的組份比例可以更好的發(fā)揮漿液的性能，避免一些不必要的浪費(fèi)，更加的節(jié)約、綠色。因此，文章介紹了水泥和膨潤土的最佳配比、固體混合物和水的最佳配比以及其較適宜的攪拌速度，以便為今后配制穩(wěn)定漿液提供參考。

1 膨潤土的性質(zhì)及作用機(jī)理

1.1膨潤土的性質(zhì)

膨潤土是以蒙脫石為主要礦物成分的非金屬礦產(chǎn)，蒙脫石結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)硅氧四面體夾一層鋁氧八面體組成的2：1型晶體結(jié)構(gòu)，由于蒙脫石晶胞形成的層狀結(jié)構(gòu)存在某些陽離子，如Cu、Mg、Na、K等，且這些陽離子與蒙脫石晶胞的作用很不穩(wěn)定，易被其它陽離子交換，故具有較好的離子交換性。

膨潤土的主要礦物成分是蒙脫石，含量在85-90%，膨潤土的一些性質(zhì)也都是由蒙脫石所決定的。蒙脫石可呈各種顏色如黃綠、黃白、灰、白色等等。可以成致密塊狀，也可為松散的土狀，用手指搓磨時(shí)有滑感，小塊體加水后體積脹大數(shù)倍至20-30倍，在水中呈懸浮狀，水少時(shí)呈糊狀。蒙脫石的性質(zhì)和它的化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。

1.2膨潤土的作用機(jī)理

膨潤土的作用主要體現(xiàn)在其觸變性，膨潤土在水接觸之后會(huì)形成一種觸變性的泥漿，類似于非牛頓流體，在靜止的時(shí)候，膨潤土分子相互連接，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對自由泥漿的粘度較高，能夠有一定的承載力。當(dāng)其被攪動(dòng)時(shí)，分子間形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)被破壞，由塑性泥漿轉(zhuǎn)變成懸濁液，此時(shí)粘滯性比較低，并且二者的轉(zhuǎn)化是無限次數(shù)的，所以其觸變性好。

2 試驗(yàn)原料，設(shè)備及方法

2.1原料

在工程的實(shí)際運(yùn)用中，水泥—膨潤土泥漿中往往會(huì)加入諸如硅酸鈉、CMC、煤堿劑等外加劑改善泥漿性能，此次試驗(yàn)主要目的是研究水泥和膨潤土不同配比下對泥漿力學(xué)性能的影響，故僅用水泥和膨潤土作為試驗(yàn)原料。

水泥：采用P·Ⅰ52.5硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)如下

膨潤土：實(shí)驗(yàn)表明，水泥—膨潤土泥漿中，使用鈉基膨潤土的效果高于鈣基膨潤土，但鈣基膨潤土價(jià)格較高，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，本次試驗(yàn)采用二級鈣基膨潤土，符合GB/T20973-2007《膨潤土》標(biāo)準(zhǔn)要求，其性能指標(biāo)如下

2.2試驗(yàn)設(shè)備

采用一級WAW-600電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，最大實(shí)驗(yàn)力600kN，試驗(yàn)力測量范圍1%～100%FS，示值相對誤差±0.5%，位移測量分辨力13mm，加荷速率范圍120N/s～12kN/s，可完成對試件的剪切試驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)滿足試驗(yàn)要求。

攪拌機(jī)：6J-1型高速攪拌機(jī)（空載轉(zhuǎn)速4000r/min）、強(qiáng)力攪拌機(jī)（空載轉(zhuǎn)速400r/min）

2.3實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)選取實(shí)際工程中使用較多的水灰比和膨潤土比例進(jìn)行，應(yīng)用控制變量法，先固定水泥和膨潤土的比例，對不同水土比進(jìn)行試驗(yàn)分析，同理，之后保持水土比不變，對水泥和膨潤土的不同配比進(jìn)行試驗(yàn)分析及變化規(guī)律的研究。根據(jù)不同配比制好泥漿后，分別將其倒入70.7mmx70.7mmx70.7mm的立方體模具和直徑為50mm、高度為100mm的圓柱模具中，靜置7d，將立方體試樣選取50?作為剪切角，用萬能試驗(yàn)機(jī)施壓直至試件破壞，記錄抗剪切破壞載荷;選用圓柱試樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。分別比較不同配比下試件抗剪切破壞載荷及抗壓強(qiáng)度的大小，最后找出最佳配比。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1抗剪強(qiáng)度

根據(jù)剪切試驗(yàn)結(jié)果，分別測得不同水土比，同一水土比不同水泥含量，不同轉(zhuǎn)速下得抗剪切的破壞載荷的三組曲線圖。

3.1.1不同比例條件下的抗剪切破壞特征值如上兩圖所示

（1）在水土比一定的情況下，泥漿固化物的抗剪切破壞荷載整體均呈隨水泥用量的增大而增大;但水泥含量不得大于膨潤，不然流動(dòng)性極差或者根本無法流動(dòng)導(dǎo)致注漿管堵塞。

（2）水土比也不能低于1：1.3，否則試樣的強(qiáng)度會(huì)太低且固結(jié)時(shí)間過長。隨著水土比減小，抗剪切破壞荷載強(qiáng)度呈遞增狀態(tài)，在水土比為1：1.5達(dá)到峰值，之后呈下降趨勢。 （3）可明顯判斷出1：1.5的水土比，水泥和膨潤土比例為1：1時(shí)，抗剪切破壞荷載為最值，配比最好。因此不僅可以看出水土比決定了抗剪切破壞強(qiáng)度的值，而且水泥和膨潤土的比例對其影響也十分顯著。

3.1.2上圖為水土比為1：1.5的最佳比值在不同轉(zhuǎn)速的攪拌機(jī)攪拌下，不同水泥和膨潤土比例的抗剪切破壞荷載曲線圖

可明顯看出，隨著水泥含量的增加，兩不同轉(zhuǎn)速在攪拌5min后放置7d的泥漿固化物的抗剪切破壞荷載值均稱上升趨勢，即水泥-膨潤土為1：1時(shí)，達(dá)到最大值。

低速攪拌雖然固結(jié)時(shí)間比高速攪拌稍長一些，但是從最佳配比的峰值可以看出，低速攪拌的抗剪切破壞荷載值比高速攪拌值更大，效果更好。因此推薦低速攪拌下的試樣運(yùn)用于實(shí)際工程中，成本會(huì)更加低廉。

3.2抗壓強(qiáng)度

對抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析比較可以發(fā)現(xiàn)：

經(jīng)過低速攪拌后的泥漿固化物均比高速攪拌后的泥漿固化物在各配比下抗壓強(qiáng)度高。低速攪拌后漿材當(dāng)水土比為1：1.5時(shí)較1：1.4提高了12%。隨著水土比的增大，泥漿固化物強(qiáng)度的趨勢為先增大再減小。泥漿固化物的抗壓強(qiáng)度在水土比為1：1.5的情況下達(dá)到最大。