不同外加剂对高流态早强注浆浆液流变性的影响分析

彭明琼

（伊宁市农业农村局，新疆 伊宁 835000）

随着水利工程技术的发展和进步，盾构法已经成为地下隧洞工程施工的主要施工方法之一[1]。背后注浆技术是盾构施工中的一项重要和关键技术，对保证围岩稳定和施工安全具有重要作用[2]。同步注浆是背后注浆技术中较为先进的一种方法，按照盾构同步注浆的施工工艺要求，其注浆材料需要有较好的流动性和较快的凝结时间[3]。因此，高流态早强注浆材料研究就成为盾构注浆工程研究的重要课题[4]。显然，对注浆浆液设计而言，高流动性和早强性本身就是一对矛盾，浆液本身保持高流态性能的时间不能过短，否则不利于施工的顺利进行，也不能过长，否则不利于注浆后浆液的凝固和硬化，还会造成浆液扩散范围过大，不利于提升注浆效果[5]。因此，在浆液的设计过程中，必须要根据浆液各种成分的与性能，对外加剂的成分和添加数量进行科学与合理的设定和控制。

1 注浆材料设计

综合盾构注浆工程特点以及高流态早强注浆材料的研究成果，将超细硅酸盐水泥作为高流态早强注浆浆液的基本组成材料，并选取玻璃微珠、超细硅粉以及纳米二氧化硅作为颗粒性外加剂，选取聚羧酸减水剂作为辅助外加剂[6]。

采用的超细水泥是以本溪市宏达水泥有限公司生产的普通425 硅酸盐水泥为基础，加入适量的石膏进行粉磨加工和筛分得到的，细度为1000 目；玻璃微珠又称为改性超细粉煤灰，属于亚微米级别的球状粉体，是当前注浆浆液设计中常用的超细粉体材料。本次研究中使用大连佳科有限公司生产的玻璃微珠；超细硅灰属于非晶体硅，主要成分为无定型二氧化硅，一般是合金硅冶炼厂收集到的飞灰加工而成，本次研究中的超细硅灰由鞍山旭达有限公司提供，比表面积为1.75 cm2/g，平均粒径为0.2 μm；试验用纳米二氧化硅来自北京昌德伟业有限公司，为气相法生产的无定型固体胶状纳米粒子。试验用聚羧酸减水剂为南京立新化工有限公司生产的CQJ-JSS 型聚羧酸减水剂。根据相关研究成果和工程经验，玻璃微珠、超细硅灰以及纳米二氧化硅的添加量分别为6%、8%和3%，在具体实验过程中，根据单因素法保持其余两个外加剂的添加量不变，设定另一种外加剂的不同添加量进行试验，根据试验结果分析不同外加剂对高流态早强注浆浆液流变性影响。

2 试验仪器和试验方法

2.1 浆液的制备

在试验用注浆浆液制备过程中，必须要保证各种外加剂有效分散在水泥浆液中，以达到提高浆液流动性和强度的目的[7]。因此，需要采取高速搅拌或超声波分散等合理的分散机制[8]。基于此，研究中采用如下方法进行浆液制备：

首先，制备浆液配比和需水量：超细水泥（100%）、减水剂（1%）、缓凝剂（0.2%）、水（80%）以及不同质量分数的玻璃微珠和超细硅灰。（括号内的数值为质量分数。）

并将其加入塑料桶，再加入外加剂，然后利用搅拌机以500 rad/min 的转速低速搅拌，时间为1 min。

低速搅拌完成之后，将搅拌机调整至高速档位，以1800 rad/min 的转速进行高速搅拌，时间为2 min，以实现外加剂在水溶液中的有效分散。

在高速搅拌完成后，立即加入超细水泥，然后仍以1800 rad/min 的转速进行高速搅拌，时间为3 min，确保外加剂和水泥浆的均匀分散。

浆液的制备要严格按照上述程序和时间进行，确保整个过程在8 min 之内完成，尽量减小搅拌对浆液流变性的影响，消除可能出现的水泥假凝现象。

2.2 浆液流变特征的测试方法

研究中采用美国Brookfield 公司生产的DV3THB 流变仪进行浆液流变特征测试，在测试过程中先将配置好的浆液倒入烧杯静置30 s，然后移动烧杯使测试仪的SC4-21 转子浸入浆液中部，再静置30 s 后开始测量，并利用Rheocaclc T 软件自动采集数据。

对于制备浆液样品的黏度时变性测试利用DV3TLV 流变仪进行，在测试过程中需要首先对浆液样品的黏度范围进行预估，并以预估结果为依据选用对应型号的转子，测试时要保证足够的测试时长，一般要达到1 h，以有效模拟实际注浆操作时间范围内的浆液粘度时变规律。

3 试验结果与分析

3.1 玻璃微珠的影响

在其余配比不变的情况下，对不添加玻璃微珠以及玻璃微珠的添加量分别为2%、4%、6%、8%、10%和12%条件下的浆液进行试验，利用试验过程中采集的数据，绘制出如图1 所示的浆液粘度时变曲线。由图可知，在相同玻璃微珠的添加量下浆液黏度历时变化特征来看，在试验的前10 min 内，浆液的黏度呈缓慢增加态势，之后增加速度逐渐变大，在25 min 之后则快速增加。从不同玻璃微珠添加量的横向对比来看，当制备的浆液中玻璃微珠的添加量小于8%的情况下，浆液的黏度会随着添加量的增大而减小，而添加量大于8%时，浆液的黏度会随着添加量的增大而增大。由此可见，在浆液中添加玻璃微珠可以有效改善浆液的黏度，但是改善的极限添加量为8%，如果高于此添加量，就会对降低浆液粘度起到反作用。在这方面，冯金等学者的研究结果是浆液中粉煤灰添加量的临界值为50%，与本次研究结果差别很大。这说明，玻璃微珠的粒径对改善浆液的黏度方面存在较大影响，需要通过试验研究测定。

图2 为玻璃微珠不同添加量下的浆液流变曲线。由图可知，在各种不同添加量下，剪切应力都随着剪切速率的增加而增大，同时流变指数也随着添加量的增大而增大，而浆液的触变性呈现出先降低再升高再降低的变化趋势，在添加量为8%时浆液的触变性最高，而添加量为6%时，不仅具有较低的浆液粘度，同时也有相对较高的触变性。

图1 不同玻璃微珠添加量下黏度时变曲线

图2 不同玻璃微珠添加量下流变曲线·

3.2 超细硅灰的影响

在其余配比不变的情况下，对不添加超细硅灰以及超细硅灰的添加量分别为2%、4%、6%、8%、10%和12%条件下的浆液进行试验，利用试验过程中采集的数据，绘制出如图3 所示的浆液粘度时变曲线和图4 所示的浆液流变性曲线。由图3 可知，在相同超细硅灰添加量下浆液黏度的历时变化特征来看，在试验的前10 min 内，浆液的黏度基本保持不变，之后开始缓慢增加，在30 min 之后，添加量小于8%时增加仍然缓慢，但是添加量大于8%时的增长比较迅速。但是在所有工况下，黏度的增加速率均明显慢于玻璃微珠。从图4 来看，在各种不同添加量下，剪切应力都随着剪切速率的增加而增大，同时流变指数也随着添加量的增大而增大，而浆液的触变性并没有显著的变化规律。但是，不同添加量下的触变环面积均比未添加超细硅灰时的面积大，说明添加硅灰会降低浆液的触变性。综合上述分析，超细硅灰的添加量为6%最为合适。

图3 不同超细硅灰添加量下黏度时变曲线

图4 不同超细硅灰添加量下流变曲线

3.3 纳米二氧化硅的影响

在其余配比不变的情况下，对不添加纳米二氧化硅以及纳米二氧化硅的添加量分别为1%、2%、3%、4%、5%条件下的浆液进行试验，利用试验过程中采集的数据，绘制出如图5 所示的浆液粘度时变曲线和图6 所示的浆液流变性曲线。由图5 可知，在相同纳米二氧化硅添加量下浆液黏度的历时变化特征来看，在整个试验过程中浆液的黏度均呈现出缓慢增加的特征，增加的速率基本保持不变，当添加量为5%时，同一时刻的浆液粘度均比其他添加量明显偏大。从图6 可以看出，随着添加量的增大，相同剪切速率下水的浆液剪切应力呈现出增大趋势。从不同添加量下的触变环面积来看，当添加量在3%以下时，浆液的触变性变化不明显，当添加量在3%以上时，浆液的触变性有一定提高。

图5 不同纳米二氧化硅添加量下黏度时变曲线

图6 不同纳米二氧化硅添加量下流变曲线

4 结论

通过实验室模拟实验的方法，研究玻璃微珠、超细硅灰以及纳米二氧化硅等外加剂对高流态早强注浆材料流变性的影响，并获得如下主要结论：

（1）玻璃微珠的添加量为6%时，不仅具有较低的浆液粘度，同时也有相对较高的触变性。

（2）在试验30 min 之后，超细硅灰添加量大于8%时的浆液的黏度增长比较迅速。同时，添加硅灰会降低浆液的触变性。因此，超细硅灰的添加量为6%最为合适。

（3）不同纳米二氧化硅添加量下浆液的黏度的增加速率基本保持不变，当添加量为5%时的粘度值明显偏大；当添加量在3%以下时，浆液的触变性变化不明显，当添加量在3%以上时，浆液的触变性有一定提高。

（4）玻璃微珠、超细硅灰和纳米二氧化硅的最佳添加量分别为6%、6%和3%。