膨潤土水泥穩定漿液配比及性能試驗研究

陳利強 盧建華 章贏 崔冬冬

摘要：開展膨潤土水泥穩定漿液配比及性能，可為穩定漿液灌漿在堤壩粗粒土控制灌漿防滲工程中應用打下基礎。通過室內試驗，對比研究水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰、減水劑對膨潤土水泥穩定漿液性能的影響，重點對漿液流動度、結石抗壓強度及彈性模量、凝結時間、抗沖刷等進行了試驗研究。試驗成果表明：水膠比和膨潤土摻量是影響穩定漿液性能的核心因素，高效減水劑對穩定漿液流動度及凝結時間影響顯著，粉煤灰可降低穩定漿液結石抗壓強度及彈性模量;膨潤土摻量≥60%、水膠比≤0.60的穩定漿液抗沖性能較好;水膠比0.60～0.75，膨潤土摻量（占水泥比重）0.5～1.0，粉煤灰摻量（占膨潤土比重）0.7～1.0時，可形成低強度、低彈模、低滲透性的膨潤土水泥穩定漿液，試驗研究成果可供粗粒土控制灌漿工程參考。

關鍵詞：膨潤土水泥穩定漿液;室內試驗;膏狀漿液;粗粒土控制灌漿

中圖法分類號：TV543文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.009

文章編號：1006 - 0081（2021）03 - 0055 - 06

1 研究背景

礫石土、砂卵石、殘坡積碎石土和風化巖石碴統稱為粗粒土。粗粒土因分布廣泛，價格經濟，在我國已建的眾多土石堤壩中常作為填筑材料。粗粒土具有顆粒間膠結性差、滲透性強，且滲透孔隙分布不均等特征[1]，粗粒土堤壩出現滲漏問題后，往往采取開挖后澆筑混凝土防滲墻或采用多排孔水泥漿灌漿進行防滲處理[2]，但因防滲墻施工工期長、工藝復雜、造價高，多排孔水泥漿可灌性和可控性差、漿體變形能力差、造價高等而未在堤壩工程中廣泛應用。

隨著灌漿技術的發展，工程中往往通過在純水泥漿液中摻加一定量的穩定劑（膨潤土或黏土），改善漿液性能。采用穩定漿液灌漿在大孔隙結構（巖溶空洞、強透水層、堆石體、漂卵石層）中形成防滲體已在在國內外工程中應用廣泛[3-6]，但在堤壩粗粒土中進行控制灌漿防滲的工程較少，主要是漿液的可控性較差、漿體的強度及彈性模量較大，無法適應粗粒土壩體不均勻沉降，難以保證防滲體防滲效果及耐久性。

黏土水泥漿液析水率低、可控性好[7]且價格經濟，成為大壩防滲體系中的重要材料。經學者研究發現，膨潤土摻量和水膠比是影響膨潤土水泥漿液性能的核心因素，且這兩個因素在工程應用和試驗研究中取值范圍廣，取決于工程經驗等[8-13]。目前，針對黏土水泥漿液的理論研究相對較少，國內尚無明確的固定配比可查。通過一系列室內試驗，對比分析了不同水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰及減水劑等對膨潤土水泥穩定漿液（含膏狀漿液）的穩定性、可灌性、漿液結石體的滲透性、抗壓強度、彈性模量等性能的影響，通過調整漿液配比，形成低強度（結石抗壓強度不大于5 MPa）、低彈模（不大于2 GPa）、低滲透性（不大于1×10-6? cm/s）的膨潤土水泥穩定漿液，使漿液可較好地適應粗粒土控制灌漿柔性防護技術，試驗研究成果可為今后指導相關病害處理提供依據和參考。

2 試驗材料與試驗方法

2.1 試驗材料

試驗材料主要為膨潤土、水泥、粉煤灰、減水劑，品牌依次采用商業納基膨潤土、華新水泥（昆明東川）有限公司生產的“堡壘”牌P·LH42.5低熱硅酸鹽水泥、宣威發電粉煤灰開發有限公司生產的Ⅱ級粉煤灰、江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的PCA型聚羧酸高性能減水劑。膨潤土基本特性見表1，水泥化學成分見表2。

2.2 試驗內容

對每組漿液試驗檢測指標如下：

（1）漿液性質。漿液密度、析水率、漏斗粘度、流動參數（抗剪屈服強度和塑性粘度）、凝結時間（初凝、終凝）等。

（2）漿液膠結性能。結石容重、彈性模量（28 d）、抗壓強度（28 d）、滲透系數（28 d）、抗滲等級（28 d）等。

2.3 漿液配比

漿材試驗采用普通水泥漿液、穩定漿液（膏狀漿液）。為研究灌漿材料對膨潤土水泥穩定漿液性能的影響，各類型漿液配合比及組數如下：

（1）普通水泥漿液。水/水泥=2∶1～0.5∶1。

（2）穩定漿液（膏狀漿液）。水/（水泥+膨潤土+粉煤灰）=1～0.5;水泥/膨潤土=1～5;外加劑調制不小于2～4組。

2.4漿液性能檢測方法

試驗過程包括拌漿和試驗，各試驗內容嚴格按照相關規范進行操作，這里僅介紹流動度的測量。試驗借鑒水泥凈漿流動度測試方法，輔助表征灌漿漿材流動性。流動度以截錐圓模內靜漿在水平玻璃板上擴展的平均直徑表示。

實驗步驟：①將玻璃板放在水平位置上，用濕布摩擦玻璃板、截錐圓模，使其表面濕而不帶水，將截錐圓模放在玻璃板的中央，并用濕布覆蓋以備用。②將拌制好的漿材迅速注入截錐圓模內，用刮刀刮平，將截錐圓模按照垂直方向提起，同時開啟秒表計時，泥漿在玻璃板上自由流動，至少30 s，用直尺量取流淌部分互相垂直的兩個方向的最大直徑，取平均值作為泥漿流動度。

3 試驗結果與分析

3.1 純水泥漿液性能研究

在不同水灰比情況下，純水泥漿液性質及結石性能試驗結果見表3，不同水膠比對漿液析水率及結石彈性模量影響結果見圖1。

水灰比小于0.80時，對普通水泥漿液的漏斗黏度、屈服強度、塑性黏度等流變性能影響顯著;水灰比大于1.20后，對流變性能的影響非常微弱。隨著水灰比的增大，純水泥漿液的析水率基本呈線性增加，漿液結石彈性模量、抗壓強度逐漸減小，凝結時間逐漸變長;水灰比超過一定值（0.80）后，滲透系數急劇增大，抗滲性能急劇下降。

依據純水泥漿液性能研究成果，膨潤土水泥穩定漿液水膠比應小于0.80。

3.2 穩定漿液性能試驗參數及極差分析

膨潤土水泥穩定漿液性能試驗參數及極差分析成果詳見表4～5。試驗時在表4配合比基礎上，膨潤土摻量60%時，增加了水膠比0.51，0.58，0.60，066和0.70的漿液性能試驗研究，摻入粉煤灰和減水劑時，摻量占水泥重量百分比分別為60%和1.44%。以上數據信息詳見圖2～5。

3.3 膨潤土水泥穩定漿液流動度的影響分析

流動度是膨潤土水泥穩定漿液在施工時需考慮的一項重要性能，漿體流動性直接影響現場灌注時可灌性，故需要研究不同變量對流動度的影響。圖2為不同水膠比、膨潤土摻量（與水泥質量百分比）以及摻和不摻減水劑情況下漿液的流動度試驗結果。

試驗結果顯示，水膠比在0.50～0.70，膨潤土摻量（與水泥質量百分比）在20%～60%，考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下，膨潤土水泥穩定漿液流動度為70～220 mm，流動度可調整的區間較大，可較好適應粗粒土灌漿要求。

由表5和圖2分析可知，水膠比、膨潤土摻量、高效減水劑對膨潤土水泥穩定漿液流動度有較大影響，是否摻入粉煤灰對流動度影響不明顯。膨潤土水泥穩定漿液流動度隨水膠比的增大而增大，各級膨潤土摻量下流動度增長速度無明顯變化。穩定漿液流動度隨膨潤土的摻量增大而減小，水膠比較大時，流動度降低速度稍有增加。摻入高效減水劑后，流動度有較大提高。與純水泥漿液對比，由于穩定漿液采用的水膠比相對較小，沒有出現超過某一水膠比值后流變性能急劇變化的現象。水膠比、膨潤土摻量、高效減水劑對流動度影響的R值依次為64.80，45.46，23.17，可見流動度與水膠比及膨潤土摻量關系密切，在調節穩定漿液流動度時，應優先調整水膠比和膨潤土摻量，同時可考慮是否摻入減水劑。

3.4 膨潤土水泥穩定漿液結石抗壓強度的影響分析

試驗結果顯示，水膠比在0.50～0.70，膨潤土摻量在20%～60%，考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下，膨潤土水泥穩定漿液結石抗壓強度為6～25 MPa，透水率均小于1×10-6 cm/s，抗滲性能可滿足工程防滲要求，粗粒土控制灌漿柔性防護工程中為適應土體的不均勻變形，往往要求結石強度不宜太高。不同水膠比、膨潤土摻量及粉煤灰下結石抗壓強度變化曲線見圖3。

變化曲線

由表5和圖3分析可知，水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對膨潤土水泥穩定漿液結石抗壓強度有較大影響，是否摻入高效減水劑對結石抗壓強度影響不明顯。結石抗壓強度隨水膠比增大而減小，膨潤土摻量較大時，降低速度有所降低。結石抗壓強度隨膨潤土摻量的增大而減小，水膠比較大時，降低速度較小。摻入適量粉煤灰后，結石抗壓強度有較大降低。水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對結石抗壓強度影響的R值依次為7.60，4.03，3.85，可見結石抗壓強度與水膠比關系最為密切，其次為膨潤土摻量和粉煤灰。在調整結石抗壓強度時，應優先調整水膠比和膨潤土摻量，同時可考慮是否摻入粉煤灰。

3.5 膨潤土水泥穩定漿液結石彈性模量的影響分析

試驗結果顯示，水膠比在0.50～0.70，膨潤土摻量在20%～60%，考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下，膨潤土水泥穩定漿液結石抗壓強度為2～10 GPa，粗粒土控制灌漿柔性防護工程中為適應土體的不均勻變形，往往要求結石彈性模量不宜太高。不同水膠比、膨潤土摻量及粉煤灰下結石彈性模量變化曲線見圖4。

由表5和圖4分析可知，水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對膨潤土水泥穩定漿液結石彈性模量有較大影響，是否摻入高效減水劑對結石彈性模量影響不明顯。結石彈性模量隨水膠比增大而減小，各級膨潤土摻量下結石彈性模量降低速度無明顯變化。結石彈性模量隨膨潤土摻量的增大而減小，各級水膠比下結石彈性模量降低速度無明顯變化。摻入適量粉煤灰后，結石彈性模量有較大降低。水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰對結石抗壓強度影響的R值依次為2.82，2.23，1.55，可見結石彈性模量與水膠比、膨潤土摻量和粉煤灰關系密切。在調整結石彈性模量時，應優先調整水膠比和膨潤土摻量，同時可考慮是否摻入粉煤灰。

3.6 膨潤土水泥穩定漿凝結時間的影響分析

凝結時間的長短影響注漿半徑[14]的大小，當需要擴大擴散半徑或注漿半徑時，需要延長漿液的凝結時間讓其充分流動，當存在地下水時，則需要有效縮短凝結時間，使漿液能夠在短時間內速凝以防被沖走，以保證注漿效果。不同水膠比、膨潤土摻量及減水劑下漿液凝結時間（初凝）變化曲線見圖5。

試驗結果顯示，水膠比在0.50～0.70，膨潤土摻量在20%～60%，考慮摻與不摻粉煤灰及減水劑情況下，膨潤土水泥穩定漿液初凝時間為12～21 h，終凝時間為16～26 h，凝結時間可根據工程實際情況進行調整。

由表5和圖5分析可知，水膠比、膨潤土摻量、減水劑對膨潤土水泥穩定漿液凝結時間有較大影響，是否摻入粉煤灰對漿液凝結時間影響較小。高效減水劑對穩定漿液凝結時間有顯著影響，摻入高效減水劑可有效降低漿液凝結時間。漿液凝結時間隨水膠比增大而延長，膨潤土摻量較大時，凝結時間延長速度相對較小。漿液凝結時間隨膨潤土摻量的增大而延長，水膠比較大時，凝結時間延長速度相對較小。水膠比、膨潤土摻量、減水劑對漿液凝結時間影響的R值依次為1.60，1.91，6.08，可見漿液凝結時間主要受減水劑影響，其次受膨潤土摻量及水膠比的影響。在調整穩定漿液凝結時間時，應優先考慮是否摻入高效減水劑，同時可調整水膠比和膨潤土摻量。

3.7 膨潤土水泥穩定抗水流沖刷研究

為了保證灌漿漿材在施工過程中不被流水沖走，通常要求穩定漿液具有一定的抗水流沖刷性能。膨潤土水泥穩定漿液抗水流沖刷試驗設計成果見表6。

穩定漿液在流速1.0 m/s水流沖刷前后效果見圖6。由表6及圖6可見，水流流速越大，沖刷后的剩余漿材越少。實際灌漿工程中，遇灌漿部位水流流速較大時，宜選用膨潤土摻量（與水泥質量百分比）≥60%、水膠比≤0.60的穩定漿液。

3.8 低強度低彈模膨潤土水泥漿液配比研究

為了保證粗粒土控制灌漿效果，適應粗粒土壩體不均勻沉降，要求漿液可控性好，漿體的強度及彈性模量不宜太高，在大量試驗研究結果的基礎上，通過調整漿液配比，形成低強度（結石抗壓強度不大于5 MPa）、低彈模（不大于2 GPa）、低滲透性（不大于1×10-6? cm/s）的膨潤土水泥穩定漿液，推薦穩定漿液配合比、漿液性質及結石性能試驗結果見表7。

因膨潤土和粉煤灰自身強度和彈模相對較低，在同等水膠比條件下還可減少水泥用量，故摻入適量膨潤土和粉煤灰較好的調節結石抗壓強度;同時膨潤土具有增稠、減小析水率的作用，可提高穩定漿液可控性。減水劑對穩定漿液的流變性能影響顯著，添加減水劑可大大提高漿液的流動性，改善漿液的可灌性。故推薦膨潤土水泥穩定漿液需摻入粉煤灰和高效減水劑，水膠比為0.60～0.75，膨潤土/水泥=0.5～1.0，粉煤灰/膨潤土=0.7～1.0，試驗研究成果可供工程參考。

4結 論

對比研究了水膠比、膨潤土摻量、粉煤灰、減水劑對膨潤土水泥穩定漿液性能的影響，重點對漿液流動度、結石抗壓強度及彈性模量、凝結時間、抗沖刷等進行了試驗研究，得出如下結論：

（1）工程中應優先調整水膠比和膨潤土摻量，以調節穩定漿液流動度、結石抗壓強度及彈性模量、凝結時間;高效減水劑對穩定漿液流動度及凝結時間影響顯著，因穩定漿液較稠，通常考慮摻減水劑;粉煤灰可降低穩定漿液結石抗壓強度及彈性模量。

（2）遇灌漿部位水流流速較大時（>0.5 m/s），宜選用膨潤土摻量（與水泥質量比）≥60%、水膠比≤0.60的穩定漿液。

（3）形成低強度（結石抗壓強度不大于5 MPa）、低彈模（不大于2 GPa）、低滲透性（不大于1×10-6

cm/s）的膨潤土水泥穩定漿液，推薦膨潤土水泥穩定漿液摻入粉煤灰和高效減水劑，水膠比在0.60～0.75，膨潤土/水泥=0.5～1.0，粉煤灰/膨潤土=0.7～1.0，試驗研究成果可供工程參考。

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（編輯：唐湘茜）