高速公路摻外加劑及摻合料的水泥漿凝結時間研究

摘要 針對近年來我國高速公路施工過程中水泥凝結時間受到的各種因素制約，文章提出硫鋁酸鹽水泥漿液在水泥攪拌樁施工中的適用范圍，擬選取0.8作為基本水膠比，通過實驗研究不同比例的硼酸鈉對水泥凝結時間、成石率和抗壓強度的影響，探討硫鋁酸鹽水泥漿液在旋噴式止水施工中的適用范圍。研究發現，硼酸用量為0.45%～0.8%時，其凝固速度可調，能夠達到高壓旋噴灌漿的技術條件；硫鋁酸鹽水泥土在加入量為0.55%左右時，后期的強度衰減最為明顯，嚴重降低其止水作用。

關鍵詞 高速公路；外加劑；水泥漿凝結時間

中圖分類號 U415.12 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）07-0192-03

0 引言

在高速公路施工中采用在添加劑中添加緩凝成分等方法來調節水泥漿凝固時間，但是在實踐中水泥的凝固過程受到許多因素的影響，例如混合材品種、熟料氧化鎂含量、水泥SO3含量等。研究中根據具體的操作過程，歸納并分析各方面因素對于水泥漿凝結時間的影響。

1 工程概況

該隧道位于營山段隧道的南部，全長超過6 300 m。營山段隧道位于地質構造復雜、地形地貌豐富的斷層區，其最深部分可達740 m。該隧道穿越了眾多斷裂結構，其路徑途經多個關鍵的自然保護區和水源保護區。這些區域擁有豐富的山泉和地下水資源，對于隧道的建設和運營提出了更高的要求。在隧道區域，巖土層的孔隙水和層間水為主要水源。這些水源如果危害性較小，可能僅會導致路基適度濕潤和強度輕微降低。根據相關數據，雨季時該隧道每天的涌水量高達26 000 m3，這給道路基礎設施造成了重大破壞。

在實際的工程中，混凝土的水膠比例偏低且其漿液的黏稠度偏高，可以防止流漿堵塞洞口。然而在運送和鋪設的過程中，由于水泥漿的水分流失速率太快，使得鋪設完成后的骨料之間黏合力減弱，從而使得混凝土的力學特性明顯減弱。為了保證使用過程中的混凝土性能，需要提高水膠比，但是會導致水泥漿的黏度減??；在攪拌、運輸和鋪設的過程中，混凝土很容易分離，不僅會使卸載和鋪設變得困難，混凝土的上部骨料之間的漿體數量也會減少，從而嚴重影響混凝土的力學性能。

2 氧化鎂含量對熟料凝結時間的影響

由于高速公路所用石灰中MgO的含量具有差別，因此水泥中的MgO具有變化性，不同MgO含量熟料凝結時間如表1所示。由表1可知，MgO濃度隨凝固時間的變化情況可知，當MgO的含量低于2.2%時，其初凝及終凝時間基本保持平穩；高于2.2%后整體呈現上漲趨勢，MgO含量越高凝聚時間越長。因此，該項目提出了通過調控石灰石MgO的用量來穩定其凝固時間，并通過增加MgO加入量來達到延緩凝固的效果[1]。

3 混合材對水泥凝結時間的影響

以P·Ⅰ52.5水泥作為參考樣品，在細磨條件下，制備42.5級水泥，并對其進行相關試驗。不同混合材料對水泥凝結時間影響如表2所示。由表2可以看出，不同混合料對水泥凝固時間的影響程度依次為：粉煤灰＞黃磷渣＞鋰渣＞鐵渣（礦渣）＞玄武巖＞石灰石，其中，粉煤灰的用量越大，凝結時間越長，這與粉煤灰對水分的需求密切相關；黃磷渣的凝結時間則以含有P2O5的緩凝組分為主，而在大磨生產過程中，由于混合材粒度的不同，其基準濃度用水量也發生改變，但是整體上相比實驗結果并無顯著差異。

4 試驗條件對水泥凝結時間的影響

4.1 試驗條件

《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》對測試環境有嚴格的規定。規范中要求室內環境溫度為（20±2）℃，相對濕度不得小于50%，水泥試件、攪拌水、器具及器具等均與實驗室相同；在室溫（20±1）℃和不小于90%的條件下，降低養護溫度對水泥的水化速率的影響。結果表明，室內溫度和濕度對水泥的物性有很大的影響，對測試環境提出了更為苛刻的要求，從而對水泥的凝固時間進行精確的測量。

水泥凝結時間和安定性的測定標準（ISO9597—2008）規定，在實驗室存放的樣本必須存放在溫度（20±2）℃、濕度不低于50%的地方。在進行檢測的過程中，應對室內溫度、水分及養護用水進行1 h以上的測量[2]。水泥、水及儀器的溫度必須控制在（20±2）℃，以設定的溫度范圍為中間值。

按照國內標準應采用濕法進行固化，而國際上則采用的是浸漬法進行固化。由于水泥漿試樣在不同的養護狀態下，其水化產物存在著很大的差別，因此在水泥漿的凝結過程中，其滲入量也存在著一些差別，導致水泥漿凝結時間不同。在不同的固化時間和固化條件下，水泥漿凝結變異率也各不相同，但其變化規律基本相同。所以在進行混凝土凝固時間的測試時，應注意環境的濕度不能低于60%，而室內的濕度不能低于92%。

4.2 水泥凈漿攪拌機

按照《水泥試驗方法強度測定標準ISO679：1989（E）》的規定，混凝土攪拌葉片與攪拌盆之間的間隙過大，如果缺乏對攪拌時間及工作速度的掌握，很可能出現水和灰料的攪拌不均勻的現象，從而引起標準濃度的用水變化，繼而引起測量結果的偏差。根據國標規定，水泥凈漿攪拌設備必須滿足水泥凈漿攪拌機JC/T729的規定，其攪拌葉片與攪拌器之間的縫隙非常小，通過對攪拌時間和工作速度的控制，使得水、灰的攪拌效率能夠更好地體現出對混凝土需求的敏感性以及對混凝土性能的影響。

4.3 圓錐試模尺寸

錐形模具的尺寸如表3所示。從制備水泥漿料的工藝過程來看，圓錐模具的上開口直徑較大，便于在模具中迅速填充圓錐模具下端內直徑的漿液。圓錐模具上部的內直徑較小，如果沒有插入或輕微的振動，則不適合填充圓錐模具下端內直徑的漿液。

4.4 工作直邊刀

加工用的裁切機直邊刀見圖1。不銹鋼切刀的大小應以水泥石對其表面的吸附力為依據，選擇合適的比例和傾角。

4.5 標準法維卡儀

標準法維卡儀符合國內外相關標準。由于測試桿材質、截面尺寸及偏差等方面存在不足，無法真實地反映出水泥漿的基準濃度狀況，造成用水失真。因此，在確保其滿足規范的條件下，定期對試驗棒的斷面進行光滑的檢驗，并將其滑移部件的重量稱量到（300±1）g。

如果凝固時間測試器的滑動器無法依靠重力而自由墜落，或是測試桿的金屬材質和測試針的偏差不滿足規范，都會對測試針墜落的引力勢能產生一定的影響，從而導致測試的結果降低，尤其是在初凝階段。所以，在測量之前必須先把測量裝置豎直放置，再觀察滑棒的表面是否平滑，以及能否在重力的作用下自由墜落，測試針的硬度、長度和垂直度都要滿足規范。另外，還要調節表針與刻度尺的位置零點，定時檢測試驗針節的光滑度和試驗針的直徑為Ф（1.13±0.05）mm，日常保養中要使用人造的潤滑油。

5 水灰比對水泥凈漿的影響

在配制清水泥漿中，大約需要30 min的時間即可拆除模具。隨著混凝土水膠比的降低，混凝土的硬化期縮短，混凝土的后期抗壓強度在達到最大值后有所降低。旋噴法施工過程中，對水泥漿體的水灰比控制在0.8～1.5之間，針對施工期間止水效果不可降低的要求，在研究中以0.8為基準水灰比，如表4所示。

6 硼酸摻加量對水泥凈漿的影響

將水泥基水灰比設定為0.8，將硼酸加入量控制在0.3%～0.8%之間，每增加0.05%，測定水泥的凝結時間、成石率和3～28 d的抗壓強度。隨硼酸用量的增加，凝結速率和初凝時間如圖2～3所示。在試驗過程中，隨著硼含量的增加，混凝土的抗壓強度與時間的關系如圖4所示。

由于硫鋁酸鹽鹽漿在短時間內發生了較大數量的鈣礬石沉淀，從而造成較快的凝固速度。在低硼酸用量下，形成的硼酸鹽含量相對較低，難以對水泥熟料進行包覆或包封，暴露在外面的水泥仍可迅速進行水化，并且水分、硫酸鹽等會滲透到水合膜中，促使薄膜中的水泥粒子不斷發生水化反應，而晶體中的鈣礬石則會發生體積膨脹，從而造成水合層逐漸破碎或剝落，少量的硼酸只能稍微延緩其形成。

從圖2和3可以看出，當硼酸摻量小于0.4%時，硼酸會延遲硫鋁酸鹽漿的凝固速度；在添加量0.4%的情況下，混凝土的初凝時間為55 min、終凝時間為57 min。從表2中可以看出，硫鋁酸鹽水泥在不加入硼酸的條件下，初凝時間為12.5 min，終凝時間為13 min，表明加入硼酸能有效地控制水泥的凝固時間，并能保證水泥的成石性達到100%。而在高壓旋噴灌漿中，10 m樁長度的灌注樁需60～90 min才能完成，因此不能將0.4%或更低的硼酸摻量的硫鋁酸鈉水泥應用于高壓旋噴灌漿。

在硼酸含量0.45%的情況下，固化期為90 min，高于最高劑量期2倍，且成石比例稍有降低，達到92.5%，為高壓旋噴注漿提供了有利的技術環境。在加入量為0.8%的情況下，混凝土的初凝時間為288 min，終凝時間為294 min；當泥漿處于高孔隙度地層時，由于水泥漿凝結時間較長，很難有效地控制泥漿的彌散，從而導致泥漿的損失，從而大幅提高了工程成本。從處理周期與費用兩方面來看，在20 m樁長的情況下，硼酸摻量為0.45%～0.6%。在此摻量范圍內，不僅可以調整硫鋁硅酸鹽水泥漿的凝固速度，而且可以有效地調控其擴散區域。

從表4可以看出，硼酸鹽加入量對各齡期抗壓強度有顯著的作用。在摻量條件下，14 d時混凝土的抗壓強度最大，而14 d以后則有所降低。在摻量為0.55%時，混凝土的強度降低最多，降低了26%。試驗結果表明，混凝土試塊在不同的時間內產生很大的裂紋，有的甚至導致混凝土的崩解。因此在施工過程中，應充分考慮高壓旋噴灌漿的作用。

7 結論

該項目以硫鋁酸鹽水泥漿0.8為基準，采用室內實驗方法，研究硼酸摻量對硫鋁酸鹽水泥凝固過程和各期混凝土抗壓強度的影響，得出如下結論：

（1）硼酸摻量為0.45%～0.8%時，硫鋁酸鹽水泥漿凝固速度可調控，從而為旋噴法的施工提供有利的技術環境。

（2）硫鋁硅酸鹽混凝土在14 d時，其抗壓強度最大，隨后急劇降低；當摻入量接近0.55%時，其降低幅度最大。若將其作為噴射灌漿料，則將嚴重降低其控制效果。

參考文獻

[1]王智謀. 公路工程水泥混凝土原材料試驗檢測技術研究[J]. 建材發展導向， 2023（24）： 36-38.

[2]侯夢陽. 公路工程中水泥改良濕陷性黃土路基施工工藝分析[J]. 交通世界， 2023（33）： 46-48.