不同外加劑對高流態(tài)早強注漿漿液流變性的影響分析

彭明瓊

（伊寧市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，新疆 伊寧 835000）

隨著水利工程技術(shù)的發(fā)展和進步，盾構(gòu)法已經(jīng)成為地下隧洞工程施工的主要施工方法之一[1]。背后注漿技術(shù)是盾構(gòu)施工中的一項重要和關(guān)鍵技術(shù)，對保證圍巖穩(wěn)定和施工安全具有重要作用[2]。同步注漿是背后注漿技術(shù)中較為先進的一種方法，按照盾構(gòu)同步注漿的施工工藝要求，其注漿材料需要有較好的流動性和較快的凝結(jié)時間[3]。因此，高流態(tài)早強注漿材料研究就成為盾構(gòu)注漿工程研究的重要課題[4]。顯然，對注漿漿液設計而言，高流動性和早強性本身就是一對矛盾，漿液本身保持高流態(tài)性能的時間不能過短，否則不利于施工的順利進行，也不能過長，否則不利于注漿后漿液的凝固和硬化，還會造成漿液擴散范圍過大，不利于提升注漿效果[5]。因此，在漿液的設計過程中，必須要根據(jù)漿液各種成分的與性能，對外加劑的成分和添加數(shù)量進行科學與合理的設定和控制。

1 注漿材料設計

綜合盾構(gòu)注漿工程特點以及高流態(tài)早強注漿材料的研究成果，將超細硅酸鹽水泥作為高流態(tài)早強注漿漿液的基本組成材料，并選取玻璃微珠、超細硅粉以及納米二氧化硅作為顆粒性外加劑，選取聚羧酸減水劑作為輔助外加劑[6]。

采用的超細水泥是以本溪市宏達水泥有限公司生產(chǎn)的普通425 硅酸鹽水泥為基礎(chǔ)，加入適量的石膏進行粉磨加工和篩分得到的，細度為1000 目；玻璃微珠又稱為改性超細粉煤灰，屬于亞微米級別的球狀粉體，是當前注漿漿液設計中常用的超細粉體材料。本次研究中使用大連佳科有限公司生產(chǎn)的玻璃微珠；超細硅灰屬于非晶體硅，主要成分為無定型二氧化硅，一般是合金硅冶煉廠收集到的飛灰加工而成，本次研究中的超細硅灰由鞍山旭達有限公司提供，比表面積為1.75 cm2/g，平均粒徑為0.2 μm；試驗用納米二氧化硅來自北京昌德偉業(yè)有限公司，為氣相法生產(chǎn)的無定型固體膠狀納米粒子。試驗用聚羧酸減水劑為南京立新化工有限公司生產(chǎn)的CQJ-JSS 型聚羧酸減水劑。根據(jù)相關(guān)研究成果和工程經(jīng)驗，玻璃微珠、超細硅灰以及納米二氧化硅的添加量分別為6%、8%和3%，在具體實驗過程中，根據(jù)單因素法保持其余兩個外加劑的添加量不變，設定另一種外加劑的不同添加量進行試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析不同外加劑對高流態(tài)早強注漿漿液流變性影響。

2 試驗儀器和試驗方法

2.1 漿液的制備

在試驗用注漿漿液制備過程中，必須要保證各種外加劑有效分散在水泥漿液中，以達到提高漿液流動性和強度的目的[7]。因此，需要采取高速攪拌或超聲波分散等合理的分散機制[8]。基于此，研究中采用如下方法進行漿液制備：

首先，制備漿液配比和需水量：超細水泥（100%）、減水劑（1%）、緩凝劑（0.2%）、水（80%）以及不同質(zhì)量分數(shù)的玻璃微珠和超細硅灰。（括號內(nèi)的數(shù)值為質(zhì)量分數(shù)。）

并將其加入塑料桶，再加入外加劑，然后利用攪拌機以500 rad/min 的轉(zhuǎn)速低速攪拌，時間為1 min。

低速攪拌完成之后，將攪拌機調(diào)整至高速檔位，以1800 rad/min 的轉(zhuǎn)速進行高速攪拌，時間為2 min，以實現(xiàn)外加劑在水溶液中的有效分散。

在高速攪拌完成后，立即加入超細水泥，然后仍以1800 rad/min 的轉(zhuǎn)速進行高速攪拌，時間為3 min，確保外加劑和水泥漿的均勻分散。

漿液的制備要嚴格按照上述程序和時間進行，確保整個過程在8 min 之內(nèi)完成，盡量減小攪拌對漿液流變性的影響，消除可能出現(xiàn)的水泥假凝現(xiàn)象。

2.2 漿液流變特征的測試方法

研究中采用美國Brookfield 公司生產(chǎn)的DV3THB 流變儀進行漿液流變特征測試，在測試過程中先將配置好的漿液倒入燒杯靜置30 s，然后移動燒杯使測試儀的SC4-21 轉(zhuǎn)子浸入漿液中部，再靜置30 s 后開始測量，并利用Rheocaclc T 軟件自動采集數(shù)據(jù)。

對于制備漿液樣品的黏度時變性測試利用DV3TLV 流變儀進行，在測試過程中需要首先對漿液樣品的黏度范圍進行預估，并以預估結(jié)果為依據(jù)選用對應型號的轉(zhuǎn)子，測試時要保證足夠的測試時長，一般要達到1 h，以有效模擬實際注漿操作時間范圍內(nèi)的漿液粘度時變規(guī)律。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 玻璃微珠的影響

在其余配比不變的情況下，對不添加玻璃微珠以及玻璃微珠的添加量分別為2%、4%、6%、8%、10%和12%條件下的漿液進行試驗，利用試驗過程中采集的數(shù)據(jù)，繪制出如圖1 所示的漿液粘度時變曲線。由圖可知，在相同玻璃微珠的添加量下漿液黏度歷時變化特征來看，在試驗的前10 min 內(nèi)，漿液的黏度呈緩慢增加態(tài)勢，之后增加速度逐漸變大，在25 min 之后則快速增加。從不同玻璃微珠添加量的橫向?qū)Ρ葋砜矗斨苽涞臐{液中玻璃微珠的添加量小于8%的情況下，漿液的黏度會隨著添加量的增大而減小，而添加量大于8%時，漿液的黏度會隨著添加量的增大而增大。由此可見，在漿液中添加玻璃微珠可以有效改善漿液的黏度，但是改善的極限添加量為8%，如果高于此添加量，就會對降低漿液粘度起到反作用。在這方面，馮金等學者的研究結(jié)果是漿液中粉煤灰添加量的臨界值為50%，與本次研究結(jié)果差別很大。這說明，玻璃微珠的粒徑對改善漿液的黏度方面存在較大影響，需要通過試驗研究測定。

圖2 為玻璃微珠不同添加量下的漿液流變曲線。由圖可知，在各種不同添加量下，剪切應力都隨著剪切速率的增加而增大，同時流變指數(shù)也隨著添加量的增大而增大，而漿液的觸變性呈現(xiàn)出先降低再升高再降低的變化趨勢，在添加量為8%時漿液的觸變性最高，而添加量為6%時，不僅具有較低的漿液粘度，同時也有相對較高的觸變性。

圖1 不同玻璃微珠添加量下黏度時變曲線

圖2 不同玻璃微珠添加量下流變曲線·

3.2 超細硅灰的影響

在其余配比不變的情況下，對不添加超細硅灰以及超細硅灰的添加量分別為2%、4%、6%、8%、10%和12%條件下的漿液進行試驗，利用試驗過程中采集的數(shù)據(jù)，繪制出如圖3 所示的漿液粘度時變曲線和圖4 所示的漿液流變性曲線。由圖3 可知，在相同超細硅灰添加量下漿液黏度的歷時變化特征來看，在試驗的前10 min 內(nèi)，漿液的黏度基本保持不變，之后開始緩慢增加，在30 min 之后，添加量小于8%時增加仍然緩慢，但是添加量大于8%時的增長比較迅速。但是在所有工況下，黏度的增加速率均明顯慢于玻璃微珠。從圖4 來看，在各種不同添加量下，剪切應力都隨著剪切速率的增加而增大，同時流變指數(shù)也隨著添加量的增大而增大，而漿液的觸變性并沒有顯著的變化規(guī)律。但是，不同添加量下的觸變環(huán)面積均比未添加超細硅灰時的面積大，說明添加硅灰會降低漿液的觸變性。綜合上述分析，超細硅灰的添加量為6%最為合適。

圖3 不同超細硅灰添加量下黏度時變曲線

圖4 不同超細硅灰添加量下流變曲線

3.3 納米二氧化硅的影響

在其余配比不變的情況下，對不添加納米二氧化硅以及納米二氧化硅的添加量分別為1%、2%、3%、4%、5%條件下的漿液進行試驗，利用試驗過程中采集的數(shù)據(jù)，繪制出如圖5 所示的漿液粘度時變曲線和圖6 所示的漿液流變性曲線。由圖5 可知，在相同納米二氧化硅添加量下漿液黏度的歷時變化特征來看，在整個試驗過程中漿液的黏度均呈現(xiàn)出緩慢增加的特征，增加的速率基本保持不變，當添加量為5%時，同一時刻的漿液粘度均比其他添加量明顯偏大。從圖6 可以看出，隨著添加量的增大，相同剪切速率下水的漿液剪切應力呈現(xiàn)出增大趨勢。從不同添加量下的觸變環(huán)面積來看，當添加量在3%以下時，漿液的觸變性變化不明顯，當添加量在3%以上時，漿液的觸變性有一定提高。

圖5 不同納米二氧化硅添加量下黏度時變曲線

圖6 不同納米二氧化硅添加量下流變曲線

4 結(jié)論

通過實驗室模擬實驗的方法，研究玻璃微珠、超細硅灰以及納米二氧化硅等外加劑對高流態(tài)早強注漿材料流變性的影響，并獲得如下主要結(jié)論：

（1）玻璃微珠的添加量為6%時，不僅具有較低的漿液粘度，同時也有相對較高的觸變性。

（2）在試驗30 min 之后，超細硅灰添加量大于8%時的漿液的黏度增長比較迅速。同時，添加硅灰會降低漿液的觸變性。因此，超細硅灰的添加量為6%最為合適。

（3）不同納米二氧化硅添加量下漿液的黏度的增加速率基本保持不變，當添加量為5%時的粘度值明顯偏大；當添加量在3%以下時，漿液的觸變性變化不明顯，當添加量在3%以上時，漿液的觸變性有一定提高。

（4）玻璃微珠、超細硅灰和納米二氧化硅的最佳添加量分別為6%、6%和3%。