沿江复杂地层强触变水泥浆性能研究

付建军，张维鑫，李永丰，李 者，杨冰清

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2.长沙理工大学，湖南 长沙 410114；3.长沙市公共工程建设中心，湖南 长沙 410071)

0 引 言

灌浆是目前工程常用的加固技术，在水利堤防、水工建筑物基础处理等得到了广泛应用。沿江复杂地层地层复杂(杂填土、粘性土、砂卵石等)，呈上层渗透性大、压缩性高，下层渗透性小、压缩性低(或反向)典型二元地质条件；沿江灌浆工艺需环保，防止浆液进入江河。

传统的水泥灌浆材料流动性难以控制，泌水率高，跑浆，不环保。水泥膏浆因其塑性屈服强度较大，普遍存在可泵性差、管路损失大等缺陷。因此，研究动剪强度低、静剪强度高的触变性水泥浆液至关重要。理想的触变性浆液指在搅拌及泵送过程中具有高流动性，泵送停止后或静置条件下，能够快速失去流动性，形成具有刚度、能自身支持的胶凝结构，呈似膏状体。触变性水泥浆通常是在普通硅酸盐水泥浆体系中加入触变剂配制而成，触变剂的性能对水泥浆体系的性能有重要的影响。水泥基浆体系触变剂有无机和有机2种，无机类触变剂主要有膨润土体系、硫酸钙体系等；有机类触变剂主要有胶乳、植物胶等。制备触变性水泥基浆的关键是触变剂的研制及合理使用。

1 强触变性水泥浆液性能分析

1.1 触变浆液配制

在综述已有研究成果的基础上，结合中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司东江水电站、龙滩水电站、向家坝水电站等水利灌浆工程经验，试验采用材料为普通硅酸盐水泥、膨润土、纯碱、植物胶，配备水∶水泥∶膨润土∶纯碱∶植物胶=0.8∶1∶0.05∶0.002∶(0、0.01～0.08)共9组样品。

1.2 结果分析

1.2.1凝结时间

采用标准维卡仪进行初凝、终凝时间测定，初凝试针沉入净浆中距底板4 mm±1 mm时为水泥达到初凝状态。为防止初凝时间试验的孔洞对终凝时间试验造成影响，在快达到终凝时间时，将试模倒置，终凝试针沉入净浆中0.5 mm，且不留环形痕迹时所需的时间为水泥达到终凝状态。植物胶不同含量初凝终凝时间结果见表1。从表1可知，随着植物胶掺入量的增加，水泥浆的凝结时间也不断增加，两者呈正相关。植物凝胶的掺入量大于6%时，水泥浆液的凝结时间明显增大，36 h后，水泥浆液虽然开始初凝，出现凝固硬化现象，但速度十分缓慢，并出现类似果冻状体。

表1 植物胶不同含量初凝终凝时间结果

1.2.2漏斗粘度

粘度是流体粘滞性的一种量度，是流体流动力对其内部摩擦现象的一种表示，粘度大表明内摩擦力大。采用1006型泥浆粘度计记录500 mL浆液从5 mm 孔径流出所需要的时间即为浆液的漏斗粘度。植物胶不同含量漏斗粘度结果见表2。从表2可知，植物胶掺入量为1%时，浆液的粘度显著增加；植物胶掺入量为2%时，浆液的流动性开始变差，无法顺畅的通过5 mm漏斗下方孔径；植物胶掺入量为3%、4%、5%、6%时，浆液显现一定的刚度，无法从漏斗下方流出；当植物胶掺量为7%、8%时，浆液又可流动，但无法测得准确数值。

表2 植物胶不同含量漏斗粘度结果

1.2.3析水试验

将400 mL配置好的浆液盛入500 mL的容量筒中，待其静置自由析水，每5 min监测1次，记录其析水量的刻度值。浆液静置24 h时析出的水的体积与浆液原体积的比值称为浆液的自由析水率。植物胶不同含量析水率与时间的关系见图1。从图1可知，随着植物胶的添加，浆液的析水率大幅度降低。当浆液中不掺植物胶时，曲线前期走向陡峭，这表明浆液在静置的前1 h内快速并大量析水，90 min左右浆液分层稳定，浆液大量析水；当掺入1%～4%植物胶时，浆液前1 h的析水速率明显降低；而当植物胶的加入量达到4%时，水泥浆液3 h的析水率只有4.25%；当掺入5%～8%植物胶时，浆液前1 h内几乎不发生析水现象，5%掺量3 h后浆液只有0.2%。

图1 植物胶不同含量泌水量与时间的关系

1.2.4流动度

采用电动跳桌仪在每特定时间节点跳动25次，记录其最大扩散直径和垂直于该方向的直径，计算平均值即为浆液的流动度值。植物胶不同掺入量浆液的流动度见图2。从图2可知，浆液的流动度并不是一直随着植物胶的增加而减小的，植物胶的添加量小于5%时，浆液的流动度随着植物胶掺量的增加而减小，不掺植物胶时，浆液的流动度最大；而当植物胶掺量增加至6%时，水泥浆液的流动度又开始逐渐增大。浆液的流动度在植物胶掺量为4%、5%时变化幅度不大；而在1%、2%、7%、8%时流动度随时间有明显的幅度差异。

图2 植物胶不同掺入量浆液的流动度

1.2.5强度性能

制作40 mm×40 mm×60 mm的标准试块，在标准养护箱内分别养护3 d、7 d、14 d、28 d，分别采用DZK- 6000型数显式抗折仪、YAW-300B微机控制电液式水泥压力试验机进行试验。植物胶不同含量时试样强度与龄期的关系见图3。从图3可知，早期阶段(3d)，试件随着植物胶含量的增加，抗折、抗压强度呈负相关，即随着植物胶掺量的增加，抗折、抗压强度逐渐减小。中期阶段(7 d、14 d)，各试件强度都明显增加，植物胶掺量0～3%时，抗折、抗压强度随植物胶增加而降低；但当植物胶掺入量≥4%时，抗折、抗压强度又随植物胶含量的增加而增大。终期阶段(28 d)，随着龄期的增加，各个试组的强度均有不同程度的增加，植物胶高掺入量试件后期强度增长较大；相较于其他试件，8%掺入量试件后期14 d内强度提高了5.97 MPa，而不掺入植物胶试件后期14 d内强度增长仅为2.43 MPa。

图3 不同植物胶含量试样的强度与龄期关系

1.2.6最优配方

在强度要求不是较高的前提下，根据漏斗粘度、流动度结果，结合造价成本分析认为，最优配比为：水∶水泥∶膨润土∶纯碱∶植物胶=0.8∶1∶0.05∶0.002∶0.03。

2 强触变性水泥浆机理探究

2.1 电镜扫描成果及分析

为观察不同植物胶掺入量水泥试块的微观结构，采用日本日立公司生产的S-3000N扫描电子显微镜，15 kV加速电压，1万倍放大倍数进行试验研究。植物胶不同含量28 d电镜扫描成果见图4。从图4可知，当水泥浆不掺植物胶时，水泥石的结构松散并伴有大量的孔隙；当加入2%植物胶时，有膜产生；当加入4%植物胶时，与不掺植物胶结果相比，水泥石结构相对松散，局部表面有膜；随着植物胶从4%增长到7%，水泥石结构紧密，膜发育；当加入8%植物胶时，水泥石结构更加致密，成块状，膜减弱。

图4 植物胶不同含量28 d电镜扫描成果

2.2 植物胶作用机理探究

(1)胶膜隔水作用。植物胶的主要成分是多糖和可溶纤维素，糖分子结构上的—OH基可与水泥颗粒连接，使多糖分子在吸附孔壁上形成胶膜；蛋白质在碱性条件下能分解成氨基酸，氨基酸中的氨基为强吸附基团，对水泥颗粒吸附作用强；脂肪也具有成膜作用，纤维素大分子的横向拉结作用能够增强胶膜的强度及韧性。因此，水泥颗粒上的胶膜强度大，渗透性小，胶膜阻止了部分水泥颗粒水化反应，降低了试件抗压、抗折强度。

(2)分子链吸附自由水。由于植物胶分子富含亲水基，在分子链上吸附了大量的自由水分子，减少了水泥浆液中的自由水含量，具有保水性。

(3)粘弹性减振作用。植物胶是天然高分子聚合物体系，分子间的连接是溶液粘度提高的根本原因。植物胶的分子链线性结构是其具有很好流动性和剪切稀释特性的关键因素。因此，植物胶溶液即使在其添加量很小的情况下也能使溶液的粘度变大，植物胶中的链状分子越长，溶液的粘度也越大，这一特性使植物胶能起到增加粘度的作用。

2.3 特殊现象探究

随着植物胶含量的增加，水泥基浆液流动度逐渐减少，抗压、抗折强度逐渐降低。植物胶含量为3%～8%时，随着植物胶含量增加，水泥基浆液流动度逐渐增加，抗压、抗折强度逐渐增强。原因如下：

(1)本次配比纯碱含量固定，对应的植物胶最佳含量约3%。植物胶含量为0～3%时，纯碱含量相对较高，降低了植物间分子链的舒展，破坏分子链之间的缠绕；随着植物胶含量的增加，浆液粘弹性逐渐增长，即流动度逐渐降低；植物胶含量为3%～8%较高时，随着植物胶含量的增加，纯碱含量相对较低，分子链有效链接形成逐渐减少，同时受水泥水化热影响，分子链主链断裂，浆液粘弹性逐渐下降，即流动度逐渐增加。

(2)植物胶含量为0～3%时，随着植物胶含量的增加，分子链吸附的自由水逐渐增多，但胶膜增长速度更快，进而未水化的水泥颗粒逐渐增多，抗压、抗折强度逐渐减小；植物胶含量为3%～8%时，随着植物胶含量的增加，分子链吸附的自由水增多，试样的早期强度降低，但过量的植物胶会出现破胶，即分子链主链断裂，释放一部分自由水，伴随着水泥水化产生一定的热量，水泥的水化进程加速，即试件抗压、抗折强度逐渐增加。

3 工程应用

某防洪堤于20世纪50～80年代陆续修建，堤顶高程一般为35.6～36.6 m，堤内高程34.0～35.0 m，堤外留有10.0～30.0 m左右的滩地，滩地坡度为5°～10°，堤基高程在29.0 m左右，堤外设置宽2.0～3.0 m平台，高程32.0 m左右，平台以下为40°坡度的浆砌石护脚，以上为直立的浆砌石挡墙。

该防洪堤加固工程所在地区地层可分为以下3层：上部为建筑垃圾碎块碎瓦片、煤渣以及树根等物质无规则杂乱堆积的压缩性高、渗透系数为5.89×10-3的杂填土；中部由压缩性高、渗透性系数为3×10-5的粘性土、粉质粘土和局部的粘土质粉土组成；底部粒径变化较大，为细砂、中砂、粗砂、砂砾以及圆砾组成的碎石砂砾层，压缩性低，渗透系数为1.0×10-3。为提高承载力及防洪堤的防渗性，需对防洪堤进行灌浆加固。旋喷桩桩长6 m，桩径0.6 m，间距1 m，共3排。考虑地下水因素，对植物胶的掺入量进行了调整，最终水∶水泥∶膨润土∶纯碱∶植物胶=0.8∶1∶0.05∶0.002∶0.02。

依据相关规范对单桩承载力进行检测，检测承载力≥210 kPa，能满足设计要求。钻孔取芯现场结果见图5。从图5可知，水泥含量均匀，胶结良好，芯样呈短柱状，局部未成形。取芯试样的无侧限单轴抗压强度约4 MPa，满足规范设计要求。

图5 加固段钻孔取芯成果

4 结 语

本文在综述已有研究成果的基础上，在固定纯碱∶水∶水泥∶膨润土质量配比的条件下，将具有较优性能的植物胶引入水泥浆液作为触变剂，研制了不同配比的触变浆液，并对所有触变浆液样品进行了漏斗粘度、析水率、凝结时间、流动度、抗折及抗压强度试验，提出了水∶水泥∶膨润土∶纯碱∶植物胶为0.8∶1∶0.05∶0.002∶0.03的有效配比。同时，对各样品进行了28 d扫描电镜分析，对植物胶在水泥浆中作用机理进行了探究，推断植物胶主要作用机理为胶膜隔水及分子链吸附自由水。最后，将有效配比触变水泥浆进行了工程应用，工程检测结果良好。

植物胶作为触变剂引入水泥基浆，其作用受物质组成、温度、pH值、外加剂、搅拌速率、时间、浓度等多种因素的影响，有待对其机理作进一步的研究。