不同外加劑對高流態早強注漿漿液流變性的影響分析

彭明瓊

（伊寧市農業農村局，新疆 伊寧 835000）

隨著水利工程技術的發展和進步，盾構法已經成為地下隧洞工程施工的主要施工方法之一[1]。背后注漿技術是盾構施工中的一項重要和關鍵技術，對保證圍巖穩定和施工安全具有重要作用[2]。同步注漿是背后注漿技術中較為先進的一種方法，按照盾構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時間[3]。因此，高流態早強注漿材料研究就成為盾構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，必須要根據漿液各種成分的與性能，對外加劑的成分和添加數量進行科學與合理的設定和控制。

1 注漿材料設計

綜合盾構注漿工程特點以及高流態早強注漿材料的研究成果，將超細硅酸鹽水泥作為高流態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的普通425 硅酸鹽水泥為基礎，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有限公司，為氣相法生產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的CQJ-JSS 型聚羧酸減水劑。根據相關研究成果和工程經驗，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，根據試驗結果分析不同外加劑對高流態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%）以及不同質量分數的玻璃微珠和超細硅灰。（括號內的數值為質量分數。）

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 的轉速低速攪拌，時間為1 min。

低速攪拌完成之后，將攪拌機調整至高速檔位，以1800 rad/min 的轉速進行高速攪拌，時間為2 min，以實現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 之內完成，盡量減小攪拌對漿液流變性的影響，消除可能出現的水泥假凝現象。

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 軟件自動采集數據。

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，并以預估結果為依據選用對應型號的轉子，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的漿液粘度時變規律。

3 試驗結果與分析

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據，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，漿液的黏度呈緩慢增加態勢，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對比來看，當制備的漿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果是漿液中粉煤灰添加量的臨界值為50%，與本次研究結果差別很大。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，同時流變指數也隨著添加量的增大而增大，而漿液的觸變性呈現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據，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，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律。但是，不同添加量下的觸變環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據，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出增大趨勢。從不同添加量下的觸變環面積來看，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早強注漿材料流變性的影響，并獲得如下主要結論：

（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%。