沿江復雜地層強觸變水泥漿性能研究

付建軍，張維鑫，李永豐，李 者，楊冰清

(1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.長沙理工大學，湖南 長沙 410114；3.長沙市公共工程建設中心，湖南 長沙 410071)

0 引 言

灌漿是目前工程常用的加固技術，在水利堤防、水工建筑物基礎處理等得到了廣泛應用。沿江復雜地層地層復雜(雜填土、粘性土、砂卵石等)，呈上層滲透性大、壓縮性高，下層滲透性小、壓縮性低(或反向)典型二元地質條件；沿江灌漿工藝需環保，防止漿液進入江河。

傳統的水泥灌漿材料流動性難以控制，泌水率高，跑漿，不環保。水泥膏漿因其塑性屈服強度較大，普遍存在可泵性差、管路損失大等缺陷。因此，研究動剪強度低、靜剪強度高的觸變性水泥漿液至關重要。理想的觸變性漿液指在攪拌及泵送過程中具有高流動性，泵送停止后或靜置條件下，能夠快速失去流動性，形成具有剛度、能自身支持的膠凝結構，呈似膏狀體。觸變性水泥漿通常是在普通硅酸鹽水泥漿體系中加入觸變劑配制而成，觸變劑的性能對水泥漿體系的性能有重要的影響。水泥基漿體系觸變劑有無機和有機2種，無機類觸變劑主要有膨潤土體系、硫酸鈣體系等；有機類觸變劑主要有膠乳、植物膠等。制備觸變性水泥基漿的關鍵是觸變劑的研制及合理使用。

1 強觸變性水泥漿液性能分析

1.1 觸變漿液配制

在綜述已有研究成果的基礎上，結合中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司東江水電站、龍灘水電站、向家壩水電站等水利灌漿工程經驗，試驗采用材料為普通硅酸鹽水泥、膨潤土、純堿、植物膠，配備水∶水泥∶膨潤土∶純堿∶植物膠=0.8∶1∶0.05∶0.002∶(0、0.01～0.08)共9組樣品。

1.2 結果分析

1.2.1凝結時間

采用標準維卡儀進行初凝、終凝時間測定，初凝試針沉入凈漿中距底板4 mm±1 mm時為水泥達到初凝狀態。為防止初凝時間試驗的孔洞對終凝時間試驗造成影響，在快達到終凝時間時，將試模倒置，終凝試針沉入凈漿中0.5 mm，且不留環形痕跡時所需的時間為水泥達到終凝狀態。植物膠不同含量初凝終凝時間結果見表1。從表1可知，隨著植物膠摻入量的增加，水泥漿的凝結時間也不斷增加，兩者呈正相關。植物凝膠的摻入量大于6%時，水泥漿液的凝結時間明顯增大，36 h后，水泥漿液雖然開始初凝，出現凝固硬化現象，但速度十分緩慢，并出現類似果凍狀體。

表1 植物膠不同含量初凝終凝時間結果

1.2.2漏斗粘度

粘度是流體粘滯性的一種量度，是流體流動力對其內部摩擦現象的一種表示，粘度大表明內摩擦力大。采用1006型泥漿粘度計記錄500 mL漿液從5 mm 孔徑流出所需要的時間即為漿液的漏斗粘度。植物膠不同含量漏斗粘度結果見表2。從表2可知，植物膠摻入量為1%時，漿液的粘度顯著增加；植物膠摻入量為2%時，漿液的流動性開始變差，無法順暢的通過5 mm漏斗下方孔徑；植物膠摻入量為3%、4%、5%、6%時，漿液顯現一定的剛度，無法從漏斗下方流出；當植物膠摻量為7%、8%時，漿液又可流動，但無法測得準確數值。

表2 植物膠不同含量漏斗粘度結果

1.2.3析水試驗

將400 mL配置好的漿液盛入500 mL的容量筒中，待其靜置自由析水，每5 min監測1次，記錄其析水量的刻度值。漿液靜置24 h時析出的水的體積與漿液原體積的比值稱為漿液的自由析水率。植物膠不同含量析水率與時間的關系見圖1。從圖1可知，隨著植物膠的添加，漿液的析水率大幅度降低。當漿液中不摻植物膠時，曲線前期走向陡峭，這表明漿液在靜置的前1 h內快速并大量析水，90 min左右漿液分層穩定，漿液大量析水；當摻入1%～4%植物膠時，漿液前1 h的析水速率明顯降低；而當植物膠的加入量達到4%時，水泥漿液3 h的析水率只有4.25%；當摻入5%～8%植物膠時，漿液前1 h內幾乎不發生析水現象，5%摻量3 h后漿液只有0.2%。

圖1 植物膠不同含量泌水量與時間的關系

1.2.4流動度

采用電動跳桌儀在每特定時間節點跳動25次，記錄其最大擴散直徑和垂直于該方向的直徑，計算平均值即為漿液的流動度值。植物膠不同摻入量漿液的流動度見圖2。從圖2可知，漿液的流動度并不是一直隨著植物膠的增加而減小的，植物膠的添加量小于5%時，漿液的流動度隨著植物膠摻量的增加而減小，不摻植物膠時，漿液的流動度最大；而當植物膠摻量增加至6%時，水泥漿液的流動度又開始逐漸增大。漿液的流動度在植物膠摻量為4%、5%時變化幅度不大；而在1%、2%、7%、8%時流動度隨時間有明顯的幅度差異。

圖2 植物膠不同摻入量漿液的流動度

1.2.5強度性能

制作40 mm×40 mm×60 mm的標準試塊，在標準養護箱內分別養護3 d、7 d、14 d、28 d，分別采用DZK- 6000型數顯式抗折儀、YAW-300B微機控制電液式水泥壓力試驗機進行試驗。植物膠不同含量時試樣強度與齡期的關系見圖3。從圖3可知，早期階段(3d)，試件隨著植物膠含量的增加，抗折、抗壓強度呈負相關，即隨著植物膠摻量的增加，抗折、抗壓強度逐漸減小。中期階段(7 d、14 d)，各試件強度都明顯增加，植物膠摻量0～3%時，抗折、抗壓強度隨植物膠增加而降低；但當植物膠摻入量≥4%時，抗折、抗壓強度又隨植物膠含量的增加而增大。終期階段(28 d)，隨著齡期的增加，各個試組的強度均有不同程度的增加，植物膠高摻入量試件后期強度增長較大；相較于其他試件，8%摻入量試件后期14 d內強度提高了5.97 MPa，而不摻入植物膠試件后期14 d內強度增長僅為2.43 MPa。

圖3 不同植物膠含量試樣的強度與齡期關系

1.2.6最優配方

在強度要求不是較高的前提下，根據漏斗粘度、流動度結果，結合造價成本分析認為，最優配比為：水∶水泥∶膨潤土∶純堿∶植物膠=0.8∶1∶0.05∶0.002∶0.03。

2 強觸變性水泥漿機理探究

2.1 電鏡掃描成果及分析

為觀察不同植物膠摻入量水泥試塊的微觀結構，采用日本日立公司生產的S-3000N掃描電子顯微鏡，15 kV加速電壓，1萬倍放大倍數進行試驗研究。植物膠不同含量28 d電鏡掃描成果見圖4。從圖4可知，當水泥漿不摻植物膠時，水泥石的結構松散并伴有大量的孔隙；當加入2%植物膠時，有膜產生；當加入4%植物膠時，與不摻植物膠結果相比，水泥石結構相對松散，局部表面有膜；隨著植物膠從4%增長到7%，水泥石結構緊密，膜發育；當加入8%植物膠時，水泥石結構更加致密，成塊狀，膜減弱。

圖4 植物膠不同含量28 d電鏡掃描成果

2.2 植物膠作用機理探究

(1)膠膜隔水作用。植物膠的主要成分是多糖和可溶纖維素，糖分子結構上的—OH基可與水泥顆粒連接，使多糖分子在吸附孔壁上形成膠膜；蛋白質在堿性條件下能分解成氨基酸，氨基酸中的氨基為強吸附基團，對水泥顆粒吸附作用強；脂肪也具有成膜作用，纖維素大分子的橫向拉結作用能夠增強膠膜的強度及韌性。因此，水泥顆粒上的膠膜強度大，滲透性小，膠膜阻止了部分水泥顆粒水化反應，降低了試件抗壓、抗折強度。

(2)分子鏈吸附自由水。由于植物膠分子富含親水基，在分子鏈上吸附了大量的自由水分子，減少了水泥漿液中的自由水含量，具有保水性。

(3)粘彈性減振作用。植物膠是天然高分子聚合物體系，分子間的連接是溶液粘度提高的根本原因。植物膠的分子鏈線性結構是其具有很好流動性和剪切稀釋特性的關鍵因素。因此，植物膠溶液即使在其添加量很小的情況下也能使溶液的粘度變大，植物膠中的鏈狀分子越長，溶液的粘度也越大，這一特性使植物膠能起到增加粘度的作用。

2.3 特殊現象探究

隨著植物膠含量的增加，水泥基漿液流動度逐漸減少，抗壓、抗折強度逐漸降低。植物膠含量為3%～8%時，隨著植物膠含量增加，水泥基漿液流動度逐漸增加，抗壓、抗折強度逐漸增強。原因如下：

(1)本次配比純堿含量固定，對應的植物膠最佳含量約3%。植物膠含量為0～3%時，純堿含量相對較高，降低了植物間分子鏈的舒展，破壞分子鏈之間的纏繞；隨著植物膠含量的增加，漿液粘彈性逐漸增長，即流動度逐漸降低；植物膠含量為3%～8%較高時，隨著植物膠含量的增加，純堿含量相對較低，分子鏈有效鏈接形成逐漸減少，同時受水泥水化熱影響，分子鏈主鏈斷裂，漿液粘彈性逐漸下降，即流動度逐漸增加。

(2)植物膠含量為0～3%時，隨著植物膠含量的增加，分子鏈吸附的自由水逐漸增多，但膠膜增長速度更快，進而未水化的水泥顆粒逐漸增多，抗壓、抗折強度逐漸減小；植物膠含量為3%～8%時，隨著植物膠含量的增加，分子鏈吸附的自由水增多，試樣的早期強度降低，但過量的植物膠會出現破膠，即分子鏈主鏈斷裂，釋放一部分自由水，伴隨著水泥水化產生一定的熱量，水泥的水化進程加速，即試件抗壓、抗折強度逐漸增加。

3 工程應用

某防洪堤于20世紀50～80年代陸續修建，堤頂高程一般為35.6～36.6 m，堤內高程34.0～35.0 m，堤外留有10.0～30.0 m左右的灘地，灘地坡度為5°～10°，堤基高程在29.0 m左右，堤外設置寬2.0～3.0 m平臺，高程32.0 m左右，平臺以下為40°坡度的漿砌石護腳，以上為直立的漿砌石擋墻。

該防洪堤加固工程所在地區地層可分為以下3層：上部為建筑垃圾碎塊碎瓦片、煤渣以及樹根等物質無規則雜亂堆積的壓縮性高、滲透系數為5.89×10-3的雜填土；中部由壓縮性高、滲透性系數為3×10-5的粘性土、粉質粘土和局部的粘土質粉土組成；底部粒徑變化較大，為細砂、中砂、粗砂、砂礫以及圓礫組成的碎石砂礫層，壓縮性低，滲透系數為1.0×10-3。為提高承載力及防洪堤的防滲性，需對防洪堤進行灌漿加固。旋噴樁樁長6 m，樁徑0.6 m，間距1 m，共3排。考慮地下水因素，對植物膠的摻入量進行了調整，最終水∶水泥∶膨潤土∶純堿∶植物膠=0.8∶1∶0.05∶0.002∶0.02。

依據相關規范對單樁承載力進行檢測，檢測承載力≥210 kPa，能滿足設計要求。鉆孔取芯現場結果見圖5。從圖5可知，水泥含量均勻，膠結良好，芯樣呈短柱狀，局部未成形。取芯試樣的無側限單軸抗壓強度約4 MPa，滿足規范設計要求。

圖5 加固段鉆孔取芯成果

4 結 語

本文在綜述已有研究成果的基礎上，在固定純堿∶水∶水泥∶膨潤土質量配比的條件下，將具有較優性能的植物膠引入水泥漿液作為觸變劑，研制了不同配比的觸變漿液，并對所有觸變漿液樣品進行了漏斗粘度、析水率、凝結時間、流動度、抗折及抗壓強度試驗，提出了水∶水泥∶膨潤土∶純堿∶植物膠為0.8∶1∶0.05∶0.002∶0.03的有效配比。同時，對各樣品進行了28 d掃描電鏡分析，對植物膠在水泥漿中作用機理進行了探究，推斷植物膠主要作用機理為膠膜隔水及分子鏈吸附自由水。最后，將有效配比觸變水泥漿進行了工程應用，工程檢測結果良好。

植物膠作為觸變劑引入水泥基漿，其作用受物質組成、溫度、pH值、外加劑、攪拌速率、時間、濃度等多種因素的影響，有待對其機理作進一步的研究。