温度对水泥基注浆体抗压强度影响的试验研究

范利丹，史志杰，余永强，李开放，张子建

（河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000）

0 前言

然而近些年，随着经济的发展和技术的进步，交通工程向纵、深方向迅猛发展，与此同时，矿井开采深度也不断增加，高地温（热害）问题日渐成为隧道（洞）工程、采矿工程及其他地下工程中常遇到的地质问题[1-3]，高温地热现象将使浆材表现出不同于常温下的性能，如凝结时间缩短、强度降低、耐久性变差等。然而，目前该方面只有极少的研究报道[4-5]。

普通水泥浆因其较低的成本优势、较高的强度和广泛的适用性，仍然是目前注浆工程中应用较多的注浆材料，此外，膨润土作为改善浆液稳定性、分散性、保水性的矿物材料，也常被用来和水泥共同配制注浆液。浆液结石体抗压强度作为注浆施工的一个重要指标，对堵水加固效果的好坏起着至关重要的作用。本文通过在实验室模拟高地温环境，对普通水泥浆在不同温度、不同水灰比和不同龄期下的抗压强度进行分析研究，并考察了掺有膨润土水泥浆结石体的抗压强度变化，以期对高地温环境中的注浆工程带来一定的借鉴。

1 试验

1.1 试验材料和仪器设备

水泥：焦作中晶水泥厂生产的P·O42.5水泥，主要性能指标如表1所示；膨润土：产自信阳，钠基膨润土，作为浆液的稳定剂，主要性能指标如表2所示；减水剂：河南美亚有限公司生产的MY-1聚羧酸高效减水剂，缓凝型，减水率29%，可降低浆液的黏度；水：自来水。

表1 水泥的主要性能指标

表2 膨润土的主要性能指标

主要设备有水泥净浆搅拌机、SHBY-40A标准养护箱、JYZ-700混凝土加速养护箱、NYL-300型压力实验机、40 mm×40 mm×160 mm三联试模等。

1.2 试验方法

按一定比例配制浆液，经水泥净浆搅拌机搅拌（低速120 s，高速120 s）后，配制成特定配比的浆液各16组；将浆液倒入40 mm×40 mm×160 mm三联试模中；将试模分别放入20℃的标准养护箱和40、60、80℃的混凝土加速养护箱（相对湿度≥90%）中养护24 h，然后拆模；在加速养护箱继续养护至3、7、14 和 28 d；测试试块的抗压强度。

2 试验结果与分析

2.1 净浆结石体的抗压强度

水泥浆结石体是由水化产物、未经水化的水泥颗粒以及孔隙组成，水化产物中的晶体主要有 Ca（OH）2、钙矾石（AFt）和单硫型水化硫铝酸钙（AFm），晶体相互搭接、交错和粘连，形成网状结构，在水泥浆结石体中起重要的骨架作用，水化硅酸钙凝胶（C-S-H）填充于其中。C-S-H凝胶比表面积很大，表面能高，相互间受到分子间的引力作用，相互接触而形成了水泥石的强度。常温下，随着水化龄期的延长，水化产物生成量逐渐增加，水泥浆结石体强度不断提高。但随着养护温度的升高，水泥浆在水化速率、水化程度、水化产物组成和组织结构方面都会发生变化，从而影响到结石体的强度。表3为水灰比分别为0.6、0.8、1.0和1.2的净浆在不同温度养护下形成的结石体在不同龄期的抗压强度。

2.1.1 抗压强度和温度之间的关系

由表3可以看出，养护龄期为3 d时，水灰比0.6的结石体抗压强度随温度的升高先提高后降低，在温度为40℃时最高，相对于20℃时提高了57.04%；水灰比0.8、1.0和1.2的结石体随着温度的升高，抗压强度逐渐提高，80℃时的抗压强度相对于20℃时提高1倍以上。7 d龄期时，各水灰比结石体的抗压强度在低于40℃时，随温度升高，呈较快增长趋势，40℃时的抗压强度约为20℃时的1.5倍，之后增长变缓，60℃之后则开始降低。14 d和28 d龄期时，在温度低于40℃时，各水灰比浆体的抗压强度随温度升高而提高，40℃后则随温度升高而降低。

主题学习的具体过程：1）选择主题，学生、教师单独选取，或者师生共同选择；2）确定核心概念，尽可能避免学生偏离学习主题；3）提出引导性问题，毕竟学习时间是有限的，引导性问题能够引导学生在有限的时间内对应该深入探究的问题进行探究；4）布置学习任务，从外部驱动学习者学习；5）设计学习内容，因为主题学习内容包括课程既定内容和与主题相关的内容，故要通过设计学习内容将二者进行整合；6）确定学习资源，一般来说，任何形式的资源都可用来支持主题学习；7）设计学习活动，这是主题学习的核心环节；8）形成一个时间表，可根据实际情况具体设计；9）评价，注重过程性的评价。此过程如图1所示。

上述结果说明，温度升高对浆体的早期强度有提升作用，但对后期强度发展不利。分析其原因在于，温度越高，水泥水化速率越快，在早期阶段水泥颗粒外层即有较多的C-S-H凝胶和Ca（OH）2晶体等水化产物生成[6]，这些产物快速沉淀从而使得水泥浆结石体具有较高的早期强度；在14 d和28 d的中后期阶段，20℃和40℃养护的水泥浆体还能够继续水化并不断发展强度，并且水化产物能均匀扩散并沉淀，产物之间搭接较好，形成的内部结构中大孔径孔隙较少，组织结构较为均一；但60℃和80℃高温养护条件下，因前期水化程度已经较高，且较多的水化产物覆盖在未水化的水泥颗粒上，水泥水化反应变缓，继而影响到强度的发展[7]。另一方面，因60℃和80℃高温养护时生成的水化产物扩散速度低于生成速度，所以水化产物没有足够的时间有序沉淀，产物之间搭接错乱，结构较为粗糙，并且围绕最初水泥颗粒的周围，沉淀析出大量水化产物。而远离水泥颗粒的地方，则水化产物较少，因而形成了较多和具有较大尺寸的毛细孔，导致了不均匀的内部组织结构。温度越高，较大孔的数量增多，并且孔径越大，也就使得孔的平均尺寸变大，从而使得体系结构中不均匀程度增大，也就对强度越不利[6，8]。

此外，在试验范围内，水灰比越小，有助于浆体强度发展的温度阈值越低，这可能是，水灰比小时水泥颗粒之间距离较近，强度发展对水化产物生成速率的要求不高，反而是较低温度下，所生成水化产物的均匀、有序搭接和沉淀对其强度增长更为有利。

2.1.2 抗压强度和水灰比之间的关系

由表3可以看出，同一温度条件、同一龄期的结石体抗压强度随水灰比的增大而降低，这主要和水化产物的生成量有关，水灰比小的，水化产物较多，且孔隙率较低。另一方面，随着水灰比的增大，强度降低幅度逐渐趋小。

2.1.3 抗压强度和龄期之间的关系

从表3可以看出，在20℃和40℃养护下，各水灰比结石体的抗压强度都随龄期的延长逐渐提高，40℃时较20℃强度增长幅度稍有减弱；60℃时各水灰比浆体的抗压强度在7 d之前呈快速增长趋势，7 d之后增长变缓，14 d之后则呈缓慢下降趋势；80℃养护下，各水灰比浆体的抗压强度在养护3 d之后就开始缓慢下降。

以上结果表明，在温度较低的20℃和40℃养护时，浆体的抗压强度能够随龄期延长不断发展，而在较高温度的60℃和80℃养护下，强度随龄期的延长反而有下降趋势，且温度越高强度下降的越早。一方面，原因如2.1.2节分析，在温度较低的情况下水泥水化速率慢，水化反应随着龄期的增加逐步、有序完成，直至28 d水化反应程度达到较高程度，水泥石强度也发展到一个较高水平。在较高温度条件下，水泥水化速率较快，并且在靠近水泥颗粒的地方，水化产物大量堆积，影响水泥颗粒继续参与水化反应，因而在较短龄期内，浆体强度发展到一定程度后，其增长开始变缓。对于60℃、80℃养护下的浆体分别在14 d、3 d龄期之后，强度呈微弱下降趋势，分析其原因在于，当温度较高时，经过一定时间的养护，部分水化初期生成的针棒状AFt晶体会转变成片状晶型的AFm[8-9]，此外，较高温度下针棒状钙矾石晶体结构也会变小。片状晶型的AFm生成，会导致强度下降，并且该转化过程会带来毛细孔的增加，从而对强度带来不利影响。低温下生成的Aft针棒状晶体较长，有利于产物之间的相互嵌接，并且会起到类似纤维的增强作用，但是晶体结构较小的Aft的生成，会使其对体系的增强作用减弱[8]，这些都导致了60℃以上高温中，强度随龄期延长而降低的现象。

2.2 温度对掺膨润土浆液结石体强度的影响

在试验过程中发现，水灰比较大的水泥净浆具有较高的析水率，不满足稳定浆液对析水率低于5%的要求，因此，选择能提高浆液稳定性、保水性，且具有一定火山灰效应的膨润土作为外掺料，以6%和9%的添加量（相对于水泥质量）加入到水灰比为1.0的浆液中，并加入0.2%（相对于水泥质量）的高效聚羧酸减少剂来提高浆液的流动性，研究其对浆液结石体强度的影响。表4是掺膨润土浆液结石体在不同温度养护下各龄期的抗压强度。

表4 掺膨润土浆液结石体在不同养护温度下的抗压强度

由表4可见：

（1）在20℃和40℃的较低温度下，掺膨润土的浆液结石体在各养护龄期内的抗压强度都比净浆结石体抗压强度高，掺量为12%的浆液结石体抗压强度稍高于掺量为6%的，28 d抗压强度相对于水泥净浆分别提高31.43%和25.00%。这应该是膨润土所具有的火山灰活性效应[10]，使其能和水泥水化产物发生反应，即膨润土的掺入，会带来除水泥水化产物之外更多的水化产物，并且能起到细化孔隙的作用[11]，从而使浆液结石体抗压强度提高。

（2）当温度为60℃时，掺膨润土浆液的抗压强度与水泥净浆相差不大。温度升高到80℃时，掺膨润土浆液结石体的强度则低于水泥净浆体强度，掺量为12%时，28 d抗压强度下降18.57%。推测其原因，认为高温下膨润土膨胀力明显增强对强度带来了不利影响，尤其在后期，膨胀作用导致孔隙增大、孔隙率增加的不利影响占据了主导地位，使得早龄期火山灰效应带来的优势退居次要，因此，膨润土掺量为6%和12%的结石体28 d抗压强度相当，且都低于净浆结石体的抗压强度。

3 结论

（1）在相同温度和相同龄期内，结石体的抗压强度随水灰比增大而降低；水灰比较大时，降低幅度变缓。

（2）随温度升高，水泥水化反应加快，结石体3 d抗压强度随温度升高呈提高趋势（0.6水灰比浆体除外）；但因水化速率过快带来的水化产物搭接紊乱、产物分布不均匀、较大孔隙率和较大孔径，使得浆体中、后期抗压强度随温度升高先提高（低于40℃时）后降低（高于40℃时）。水灰比越小，有助于浆体强度发展的温度阈值越低。

（3）相同水灰比的水泥浆体，在20℃和40℃的较低温度时，水化反应能够随龄期延长均匀进行，浆体的抗压强度能不断提高。在60℃及以上的高温中养护时，生成的AFt晶体会转变成AFm晶体，并且自身晶粒变短，并带来较大的孔隙率和平均孔径，因此60℃和80℃养护条件下，结石体抗压强度分别在14 d和3 d后呈降低趋势。

（4）在20℃、40℃较低温度养护下，因膨润土的火山灰效应，其加入能够提高水灰比为1.0的浆体强度，在养护温度为80℃时，膨润土的加入反而对浆体强度不利。

[1] 王小兵，王万金，夏义兵，等.高原地热隧道混凝土衬砌施工技术研究[J].中国铁路，2012（12）：52-55.

[2] 何国家，阮国强，杨壮.赵楼煤矿高温热害防治研究与实践[J].煤炭学报，2011，36（1）：101-104.

[3] 杨晓杰，韩巧云，田弋弘，等.徐州三河尖矿深井高温热害机制研究[J].岩石力学与工程学报，2013，32（12）：2447-2454.

[4] 潘光明，张宵.高温下双液注浆关键技术及现场试验研究[J].山东大学学报，2009，39（S2）：110-114.

[5] 李世峰.注浆水泥性能模拟实验研究[J].煤炭工程，2006（1）：76-77.

[6] Gallucci E，Zhang X，Scrivener K.L.Effect of temperature on the microstructure of calcium silicate[J].Cement and Concrete Research，2013，53（2）：185-195.

[7] 张文华，张云升.高温养护条件下现代混凝土水化、硬化及微结构形成机理研究进展[J].硅酸盐学报，2015，34（1）：149-155.

[8] Lothenbach B，Winnefeld F，Wieland E，et al.Effect of temperature on the pore solution，microstructure and hydration products of Portland cement pastes[J].Cement and Concrete Research，2007，37（37）：483-491.

[9] 杨文言.不同养护条件下生成的钙矾石的显微形貌[J].电子纤维学报，2000，19（4）：523-524.

[10] Shabab M E，Shahzada K，Gencturk B，et al.Synergistic effect of fly ash and bentonite as partial replacement of cement in mass concrete[J].KSCE Journal of civil engineering，2016，20（5）：1987-1995.

[11] 徐超，冯颖彦，黄亮.水泥-膨润土泥浆固结体的微观孔隙结构特征[J].水文地质工程地质，2009，36（4）：90-93.