硫鋁酸鹽水泥基早強堵水材料的制備

繆貴福 （淮南市政工程公司，安徽 淮南 232007）

1 引言

煤礦、隧道、油井等地下空間工程的快速發展，常會遇到由于地下的突水涌水帶來的地質災害，使得地下空間工程的建設面臨著極大的危險。地下工程中存在的滲漏水問題，同時也會給地下建筑的穩定性帶來影響，造成結構失穩，影響地下建筑結構的耐久性能。當出現煤礦突發滲水、道路搶修等情況時，使用堵水材料可幫助快速修復并恢復工程特定功能，以滿足正常生產需求。因此，為了治理由于滲漏水給工程建設帶來的影響，用于堵水的注漿材料被廣泛關注[1-3]。

目前，國內外使用較多的堵水材料有水玻璃、水泥和聚氨酯類等[4-6]。然而，化學類堵水材料一般對施工工藝要求要高，且經固化后長期存在于水中，會污染與其連通的水域，對人類的生活區域和生命安全造成危害；普通硅酸鹽水泥因凝結時間較長，且存在早期力學強度不高的不足而造成堵水效果不佳，甚至封堵失敗。

因此，針對現有堵水材料的不足，研制出一種早強、快硬型堵水材料應用到地下工程等領域迫在眉睫。硫鋁酸鹽水泥是一類常用的快硬早強水泥，其凝結時間可控制在幾分鐘至十幾分鐘，與普通硅酸鹽水泥數小時凝結相比，具有顯著優點：早強快硬，耐腐蝕性能，高抗凍性能，和高抗滲性能。本文以硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，鋼纖維作為增強材料，制備了一種早強型堵水材料，并研究了3種不同鋼纖維摻量（1%，3%，5%）對硫鋁酸鹽水泥基砂漿凝結時間、早期抗壓強度以及干燥收縮性能的影響。

2 實驗材料及方法

2.1 實驗材料

采用河南登電集團生產的快硬早強型R.SAC.42.5硫鋁酸鹽水泥，其化學成分如表1所示。鋼纖維長度為9～12 mm。選用20～40目的石英砂作為細骨料。減水劑選用聚羧酸減水劑。使用城市自來水作為拌合水。

2.2 配合比設計

使用硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料，以石英砂作為細骨料，摻入鋼纖維，制備出快硬早強型堵水材料。以固定水灰比0.25，石英砂固定摻量為30%，3種鋼纖維摻量（1%，3%，5%）設計了4組配合比，分別表示為 M0，M1，M3，M5，其中數字代表鋼纖維替代石英砂的體積百分率。具體配合比見表2.

2.3 試驗方法

采用行星式砂漿攪拌機對實驗材料進行拌和，先將硫鋁酸鹽水泥、石英砂、鋼纖維進行干拌3min，然后加入水和減水劑繼續拌和3min，根據ASTM C109[7]，制作了50 mm×50 mm×50 mm 立方體試塊，用于堵水材料的早期強度強度測試，并置于23℃，RH＞95%標準環境下進行養護，分別測試1h，6h，24h和72h抗壓強度；根據 ASTM C596[8]，制備了25mm×25mm×285mm的試件，測試了堵水材料的干燥收縮性能。根據ASTM C191[9]，測試了硫鋁酸鹽水泥基早強型堵水材料凈漿的凝結時間。使用X射線熒光光譜儀對硫鋁酸鹽水泥的元素組成進行了分析；利用激光粒度儀測試了硫鋁酸鹽水泥的粒徑分布。

3 實驗結果與討論

3.1 凝結時間

硫鋁酸鹽水泥基材料具有快硬、早強的特點。圖1給出了鋼纖維摻量對早強堵水材料凝結時間的影響。從圖1可以看出，硫鋁酸鹽水泥基堵水材料的凝結時間隨著鋼纖維摻量的增加而減少。值得注意的是，1%和3%的鋼纖維摻量增加了堵水材料的初始凝結時間；當鋼纖維摻量大于3%時，M5的初凝時間低于對照組M0。說明可以通過改變鋼纖維的摻量來對早強型堵水材料的凝結時間進行調控。對于早強型堵水材料的終凝而言，M1與M0的終凝時間相差不大，但隨著鋼纖維摻量的繼續增加，M3和M5組的終凝時間均顯著低于對照組M0，分別降低了20%，25%。

圖1 早強堵水材料的凝結時間

硫鋁酸鹽水泥的化學成分 表1

配合比設計(g/100g) 表2

因此，為了針對不同的工程堵水情況，滿足施工現場狀況的需要，可以通過改變鋼纖維的摻量來有效調控堵水材料的凝結時間，避免因堵水材料凝結時間過長而造成堵水效果的降低。

3.2 抗壓強度

圖2 早強堵水材料的抗壓強度

堵水材料的早期強度嚴重影響著工程現場施工的堵水效果，堵水材料早期強度越高，對工程中的堵水堵漏效果更佳。圖2給出了不同纖維摻量的堵水材料的抗壓強度。從圖2可以看出，不同摻量的鋼纖維均降低了1小時的堵水材料的強度，但這種降低幅度不大。這是由于在水化早期，鋼纖維與水泥基體之間粘結力較弱。此外，可以發現鋼纖維的摻量對砂漿1h的抗壓強度影響差別不大。然而，不同摻量的鋼纖維對砂漿6h，24h，72h的抗壓強度影響卻相反，砂漿的抗壓強度均隨著鋼纖維摻量的增加而呈逐漸增加的趨勢。

值得注意的是，1%摻量的鋼纖維不利于早強型堵水材料早期強度的提升。且當鋼纖維達到3%時，堵水材料在6h，24h，72h的抗壓強度開始大于對照組M0。這是由于摻入的鋼纖維分布在砂漿中，在受壓階段，由于鋼纖維的抗拉效應，能降低受壓過程中微裂縫形成速度，使試塊的壓縮變形增加，增強了基體的韌性，從而導致砂漿不易被破壞。特別是5%摻量的鋼纖維顯著提高了堵水砂漿72h的抗壓強度，這為堵水材料在工程中的應用提供了保證。

3.3 干燥收縮

圖3 早期堵水材料的干燥收縮

由于堵水材料的開裂可能會導致封堵效果變差，因此，本文對硫鋁酸鹽水泥基堵水材料的早期的干燥收縮性能進行了研究。圖3為硫鋁酸鹽水泥基早強堵水材料經測試70h的干燥收縮曲線。從圖3中可以看出，砂漿的干燥收縮率隨著鋼纖維的摻量呈現降低趨勢，這是由于鋼纖維具有的抗拉特性可以承擔由于砂漿干燥收縮而產生的應力。

然而70h時，M1和M3組的干燥收縮率大于對照組M0，但增加幅度較小。但M5顯著降低了砂漿的干燥收縮率，表現出更好的抗干燥收縮性能，對早強型堵水材料的干燥收縮性能改善明顯。從而能有效的避免由于材料干燥收縮過大產生裂縫，引起滲漏，而降低堵水效果。此時摻入的鋼纖維在硫鋁酸鹽水泥基砂漿內部均勻分布，優化了堵水材料的孔隙結構，使材料更密實，降低了水分的損失，從而導致堵水材料干燥收縮的降低。更重要的是，鋼纖維彈性模量較大，能有效抵消毛細孔壓力產生的干燥收縮。

4 結論

本文研制了一種能應用于地下工程中的快硬早強型堵水材料，通過改變鋼纖維摻量研究了其對早強型堵水材料凝結時間、早期抗壓強度和干燥收縮性能的影響，得出以下結論：

①所制備的硫鋁酸鹽水泥基堵水材料具有早強、快硬、凝結時間可控的特點，可通過改變鋼纖維摻量來應對不同地下工程的堵水；

②鋼纖維摻量高于3%時有助于硫酸鹽水泥基早強堵水材料早期強度的提升；

③5%的鋼纖維摻量能顯著降低硫酸鹽水泥基早強堵水材料的干燥收縮，降低因干燥收縮產生開裂導致滲漏的可能。