膨潤(rùn)土膨化前后對(duì)水泥基凈漿漿液穩(wěn)定性影響分析

舒計(jì)城, 馬曉斌, 孫旭濤, 林志宇, 王士民

(1. 中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司,江蘇南京 211800;2. 西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031)

0 引言

盾構(gòu)法由于具有對(duì)周圍環(huán)境影響小、對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng)、施工安全快速等特點(diǎn),已成為大量城市地鐵、越江或跨海水下隧道修建的首選施工方法。同步注漿作為填充盾尾間隙、穩(wěn)固地層的重要工藝,注漿過程中所需的漿液需有較好的穩(wěn)定性以及較好的流動(dòng)性等。

然而,在近年來盾構(gòu)隧道穿越地層日趨復(fù)雜,常常會(huì)遇到諸如高滲透性地層、富水巖溶環(huán)境、以及裂隙發(fā)育的富水巖質(zhì)地層等富水環(huán)境。在這種特殊的地層環(huán)境下,盾尾間隙被地下水充填,極易造成同步注漿作業(yè)時(shí)因漿液被地下水稀釋而引起注漿圈長(zhǎng)時(shí)間不膠凝的問題,更有甚者會(huì)出現(xiàn)注漿體隨地下水流散、膠凝材料被地下水稀釋流失等嚴(yán)重風(fēng)險(xiǎn),這將給盾構(gòu)隧道整體結(jié)構(gòu)帶來很大的安全隱患。因此,針對(duì)同步注漿漿液在富水地層條件下離析、膠凝材料流失、膠凝體不密實(shí)等抗水分散性能問題,需對(duì)現(xiàn)有的同步注漿漿液性能進(jìn)行提升,在保證原有漿液流動(dòng)性、穩(wěn)定性、膠凝時(shí)間、后期強(qiáng)度等性能前提下,提高其抗水分散性,以期獲得一種工作性能優(yōu)良、成本低廉的水抗水分散同步注漿漿液。

膨潤(rùn)土作為一種國內(nèi)外配制砂漿液普遍采用的添加材料,通過吸水膨脹可形成絮凝物,提高漿液粘度,從而起到穩(wěn)定漿液的作用,但目前針對(duì)膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿液穩(wěn)定性方面的研究較少。水泥漿液穩(wěn)定性可通過析水性直觀描述,相關(guān)試驗(yàn)表明膨潤(rùn)土能降低水泥漿液析水性,提高其穩(wěn)定性[1]。朱艷等[2-4]采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法研究膨潤(rùn)土對(duì)水泥砂漿的作用機(jī)理,試驗(yàn)結(jié)果表明:加入膨潤(rùn)土的砂漿粘滯性更大,穩(wěn)定性更好。費(fèi)子豪等[5-7]改變膨潤(rùn)土的摻量分析膨水比對(duì)水泥漿液析水率與流動(dòng)度的影響,結(jié)果表明:隨著膨潤(rùn)土摻量的增大,漿液流動(dòng)度及析水率都有顯著降低。

相比于膨化后膨潤(rùn)土,未膨化的膨潤(rùn)土由于與水接觸的時(shí)間短,其溶水膨脹性未能得到充分發(fā)揮,使得膨化前后膨潤(rùn)土分別與膠凝材料作用機(jī)理存在一定差異,對(duì)水泥漿液穩(wěn)定性影響也不同。有鑒于此,采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法,系統(tǒng)分析膨化前后膨潤(rùn)土對(duì)漿液穩(wěn)定性的影響規(guī)律,為今后注漿工程制備穩(wěn)定漿液提供參考。

1 膨潤(rùn)土作用機(jī)理

膨潤(rùn)土在改善漿液穩(wěn)定性、保水性、抗分散性等方面具有良好的效果。膨潤(rùn)土的主要成分是蒙脫石和少量堿及堿土金屬的含水鋁硅酸鹽礦物(Nax(H2O)4{(Al2-xMg0.33)[ Si4O10](OH)2})[3]。蒙脫石顆粒溶于水后,由于顆粒的不規(guī)則性和顆粒晶體表面存在多種電荷,使得顆粒在水中產(chǎn)生較大的吸附力[2-3]。同時(shí),膨潤(rùn)土溶于水后能夠吸水膨脹形成大量絮狀物,并相互搭接形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使得大量自由水裝換為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)束縛水,增加溶液體系的粘性[9]。在吸附力及膨潤(rùn)土顆粒自身粘結(jié)性作用下,膠凝材料顆粒能夠被吸附形成膨潤(rùn)土顆粒表面包裹層。在膨潤(rùn)土的溶水膨脹性、離子交換性、粘結(jié)性、吸附性一系列作用下,漿液體具有很強(qiáng)粘滯性,其穩(wěn)定性也得到整體提升[3]。

其中,膨潤(rùn)土的吸水膨脹性與膨潤(rùn)土的吸水率以及蒙脫石顆粒含量、比表面積有關(guān)。膨潤(rùn)土吸水率隨著膨潤(rùn)土吸水時(shí)間而降低,在到達(dá)平衡含水量以后,其吸水率幾乎為零[9]。膨潤(rùn)土中蒙脫石顆粒含量決定可交換的離子濃度,蒙脫石含量越高,晶層中離子濃度越高,其離子交換速率越快,膨潤(rùn)土的水合平衡也就越快;同時(shí),蒙脫石的比表面積越大,離子交換量越多,膨潤(rùn)土吸水膨脹速率也越快[10-12]。因此,膨潤(rùn)土含量一定情況下,吸水膨脹時(shí)間是膨潤(rùn)土膨化程度的決定性因素,對(duì)膨潤(rùn)土的性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)及后續(xù)試驗(yàn)中所使用基本材料:

(1)水泥。本試驗(yàn)采用標(biāo)號(hào)為P.O 42.5的普通硅酸鹽水泥,廠方為燕新控股集團(tuán)。

(2)膨潤(rùn)土。膨潤(rùn)土細(xì)度200目,水分10%,膨脹倍數(shù)10 ml/g。

2.2 試驗(yàn)分組設(shè)計(jì)

試驗(yàn)過程中,固定漿液水灰比為3∶1,改變膨化前后膨潤(rùn)土的膨水比,設(shè)計(jì)8組實(shí)驗(yàn)組。具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 膨化前后膨潤(rùn)土試驗(yàn)配比

膨潤(rùn)土膨化方法:將膨潤(rùn)土加入蒸餾水中制成懸浮液,采用漿液攪拌機(jī)以2 000 r/min攪拌懸浮液5 min,靜置24 h后使膨潤(rùn)土完全膨化。

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)及測(cè)試方法

在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn),膨潤(rùn)土對(duì)漿液穩(wěn)定性的影響主要通過泌水率和粘度2個(gè)指標(biāo)來表明。

2.3.1 泌水率

漿液泌水率反映的是漿液中水與膠凝材料之間分離特性,宏觀上反映為漿液的保水性能,泌水率越大,越容易出現(xiàn)砂粒下沉、砂與漿體分離等情況,進(jìn)而引發(fā)堵管問題。因此泌水率是同步注漿漿液穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)中泌水率試驗(yàn)參照TB/T 3192-2008 《鐵路后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道壓漿技術(shù)條件》進(jìn)行,測(cè)定方法:

將拌和均勻的水泥漿液緩慢注入1 000 ml的量筒內(nèi),當(dāng)漿液液面位于900 ml±10 ml時(shí)停止注入,并用塑料薄膜覆蓋量筒口,以免漿液中的水分蒸發(fā)。然后將裝有漿液的量筒置于水平、無振動(dòng)的桌面上靜置,并記錄開始靜置的時(shí)間。待靜置起30 min后,每隔5 min觀測(cè)一次離析水高度h1,以及漿液漿體膨脹面高度h2,直至h2高度不再變化,然后按照式(1)計(jì)算泌水率:

泌水率(%)=(h1-h2)/h1×100%

(1)

泌水率取3個(gè)試樣測(cè)值的平均值,泌水率的測(cè)試如圖1所示。

圖1 泌水率的測(cè)定

2.3.2 粘度

粘度也可以稱為黏度,是指流體對(duì)流動(dòng)所表現(xiàn)的阻力。本次泥漿粘度測(cè)試使用1006型泥漿粘度計(jì)對(duì)膨潤(rùn)土漿液進(jìn)行泥漿粘度測(cè)試(應(yīng)用于工程中的漿液粘度應(yīng)小于100 s),如圖2所示,對(duì)每個(gè)濃度泥漿進(jìn)行3次測(cè)試,具體測(cè)定方法:

圖2 粘度的測(cè)定

(1)測(cè)定粘度之前,泥漿粘度計(jì)用水沖洗干凈,泥漿攪拌1 min,量杯將500 ml及200 ml(共計(jì)700 ml)的泥漿通過篩網(wǎng)注入粘度計(jì),其流出口用手指堵住不使流出。

(2)測(cè)量時(shí)將500 ml的量杯置于流出口下方,當(dāng)放開堵住出口的手指時(shí),同時(shí)開動(dòng)秒表,泥漿流滿500 ml量杯所需的時(shí)間即為泥漿的粘度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 漿液泌水率

膨化前后膨潤(rùn)土-水泥漿液拌合均勻1 h后,泌水率試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 膨化前后膨潤(rùn)土對(duì)漿液泌水率影響試驗(yàn)結(jié)果

由圖3可知,膨化前后膨潤(rùn)土對(duì)漿液泌水率影響趨勢(shì)相同,膨化后膨潤(rùn)土對(duì)降低漿液泌水率效果略好。隨著膨水比的增大,漿液泌水率都逐漸減小;膨水比由2%提升至4%時(shí),漿液泌水率減小較為顯著,在膨水比達(dá)到4%以后,漿液泌水率減小幅度逐漸降低。

為了進(jìn)一步探究膨化前后膨潤(rùn)土對(duì)漿液泌水率的影響規(guī)律,依照式(1)計(jì)算漿液泌水率,計(jì)算結(jié)果曲線如圖4所示。

圖4 膨化前后膨潤(rùn)土對(duì)漿液泌水率影響曲線

相比于未膨化膨潤(rùn)土,膨化后的膨潤(rùn)土吸水膨脹倍數(shù)更大,使得更多的自由水轉(zhuǎn)化換為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)束縛水,溶液體系的粘性更強(qiáng),因此相同膨水比條件下經(jīng)24 h膨化后的膨潤(rùn)土水泥漿液泌水率更小,如圖4所示。當(dāng)膨水比為4%時(shí),相比未膨化膨潤(rùn)土,膨化后膨潤(rùn)土水泥漿液30 min、1 h泌水率分別減少4%和4%。但膨水比介于6%～8%時(shí),未經(jīng)膨化和膨化后膨潤(rùn)土水泥漿液的泌水率相差不大,尤其是當(dāng)膨水比為8%時(shí),2種狀態(tài)下膨潤(rùn)土水泥漿液泌水率均未超過1%。

3.2 漿液粘度

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,不同膨水比條件下,膨化前后膨潤(rùn)土-水泥漿液粘度試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖5所示。

圖5 膨化前后膨潤(rùn)土對(duì)漿液粘度影響曲線

分析圖5可知,膨化后膨潤(rùn)土懸浮液相比未膨化膨潤(rùn)土懸浮液的粘度增大,最大增大幅度為6.2%。隨著膨水比增大,2種狀態(tài)膨潤(rùn)土懸浮液粘度都呈逐漸增大的趨勢(shì),但增大幅度都較小。當(dāng)膨水比為8%時(shí),2種狀態(tài)下膨潤(rùn)土懸浮液粘度分別相對(duì)膨水比為2%時(shí)提升4.2%和5.3%。

當(dāng)加入水泥以后,膨潤(rùn)土中的蒙脫石顆粒能對(duì)水泥顆粒產(chǎn)生較大的吸附力,同時(shí)又由于膨潤(rùn)土懸浮液具有較大的粘性,膨潤(rùn)土顆粒吸附在水泥顆粒表面形成包裹層,使?jié){液具有很強(qiáng)的粘滯性。隨著膨水比的增大,漿液體的粘滯性提升效果較顯著,當(dāng)膨水比為8%時(shí),未膨化膨潤(rùn)土水泥漿液相比未膨化膨潤(rùn)土懸浮液粘度提升28.6%。同時(shí),膨化后膨潤(rùn)土水泥漿液相對(duì)未膨化膨潤(rùn)土水泥漿液粘度提升也較大,當(dāng)膨水比為6%時(shí),漿液粘度提升12.2%。

4 結(jié)論

本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同膨水比下膨化前后膨潤(rùn)土對(duì)漿液穩(wěn)定性影響,得出幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)膨化后膨潤(rùn)土水泥漿液泌水率性能優(yōu)于未膨化膨潤(rùn)土,但效果有限,當(dāng)膨水比為8%時(shí),2種狀態(tài)下膨潤(rùn)土水泥漿液泌水率均未超過1%。

(2)膨化后膨潤(rùn)土水泥漿液粘度相比未膨化膨潤(rùn)土提升較大,隨著膨水比的增大,膨化后膨潤(rùn)土水泥漿液粘度提升更顯著。

(3)在不膨化條件下通過增加膨潤(rùn)土摻量液可達(dá)到膨化后相同的效果,又考慮到膨化后漿液流動(dòng)性更小,且需要占用大量膨化場(chǎng)地,建議實(shí)際工程中膨潤(rùn)土不膨化使用。