膨润土水泥稳定浆液配比及性能试验研究

陈利强 卢建华 章赢 崔冬冬

摘要：开展膨润土水泥稳定浆液配比及性能，可为稳定浆液灌浆在堤坝粗粒土控制灌浆防渗工程中应用打下基础。通过室内试验，对比研究水胶比、膨润土掺量、粉煤灰、减水剂对膨润土水泥稳定浆液性能的影响，重点对浆液流动度、结石抗压强度及弹性模量、凝结时间、抗冲刷等进行了试验研究。试验成果表明：水胶比和膨润土掺量是影响稳定浆液性能的核心因素，高效减水剂对稳定浆液流动度及凝结时间影响显著，粉煤灰可降低稳定浆液结石抗压强度及弹性模量;膨润土掺量≥60%、水胶比≤0.60的稳定浆液抗冲性能较好;水胶比0.60～0.75，膨润土掺量（占水泥比重）0.5～1.0，粉煤灰掺量（占膨润土比重）0.7～1.0时，可形成低强度、低弹模、低渗透性的膨润土水泥稳定浆液，试验研究成果可供粗粒土控制灌浆工程参考。

关键词：膨润土水泥稳定浆液;室内试验;膏状浆液;粗粒土控制灌浆

中图法分类号：TV543文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.03.009

文章编号：1006 - 0081（2021）03 - 0055 - 06

1 研究背景

砾石土、砂卵石、残坡积碎石土和风化岩石碴统称为粗粒土。粗粒土因分布广泛，价格经济，在我国已建的众多土石堤坝中常作为填筑材料。粗粒土具有颗粒间胶结性差、渗透性强，且渗透孔隙分布不均等特征[1]，粗粒土堤壩出现渗漏问题后，往往采取开挖后浇筑混凝土防渗墙或采用多排孔水泥浆灌浆进行防渗处理[2]，但因防渗墙施工工期长、工艺复杂、造价高，多排孔水泥浆可灌性和可控性差、浆体变形能力差、造价高等而未在堤坝工程中广泛应用。

随着灌浆技术的发展，工程中往往通过在纯水泥浆液中掺加一定量的稳定剂（膨润土或黏土），改善浆液性能。采用稳定浆液灌浆在大孔隙结构（岩溶空洞、强透水层、堆石体、漂卵石层）中形成防渗体已在在国内外工程中应用广泛[3-6]，但在堤坝粗粒土中进行控制灌浆防渗的工程较少，主要是浆液的可控性较差、浆体的强度及弹性模量较大，无法适应粗粒土坝体不均匀沉降，难以保证防渗体防渗效果及耐久性。

黏土水泥浆液析水率低、可控性好[7]且价格经济，成为大坝防渗体系中的重要材料。经学者研究发现，膨润土掺量和水胶比是影响膨润土水泥浆液性能的核心因素，且这两个因素在工程应用和试验研究中取值范围广，取决于工程经验等[8-13]。目前，针对黏土水泥浆液的理论研究相对较少，国内尚无明确的固定配比可查。通过一系列室内试验，对比分析了不同水胶比、膨润土掺量、粉煤灰及减水剂等对膨润土水泥稳定浆液（含膏状浆液）的稳定性、可灌性、浆液结石体的渗透性、抗压强度、弹性模量等性能的影响，通过调整浆液配比，形成低强度（结石抗压强度不大于5 MPa）、低弹模（不大于2 GPa）、低渗透性（不大于1×10-6  cm/s）的膨润土水泥稳定浆液，使浆液可较好地适应粗粒土控制灌浆柔性防护技术，试验研究成果可为今后指导相关病害处理提供依据和参考。

2 试验材料与试验方法

2.1 试验材料

试验材料主要为膨润土、水泥、粉煤灰、减水剂，品牌依次采用商业纳基膨润土、华新水泥（昆明东川）有限公司生产的“堡垒”牌P·LH42.5低热硅酸盐水泥、宣威发电粉煤灰开发有限公司生产的Ⅱ级粉煤灰、江苏苏博特新材料股份有限公司生产的PCA型聚羧酸高性能减水剂。膨润土基本特性见表1，水泥化学成分见表2。

2.2 试验内容

对每组浆液试验检测指标如下：

（1）浆液性质。浆液密度、析水率、漏斗粘度、流动参数（抗剪屈服强度和塑性粘度）、凝结时间（初凝、终凝）等。

（2）浆液胶结性能。结石容重、弹性模量（28 d）、抗压强度（28 d）、渗透系数（28 d）、抗渗等级（28 d）等。

2.3 浆液配比

浆材试验采用普通水泥浆液、稳定浆液（膏状浆液）。为研究灌浆材料对膨润土水泥稳定浆液性能的影响，各类型浆液配合比及组数如下：

（1）普通水泥浆液。水/水泥=2∶1～0.5∶1。

（2）稳定浆液（膏状浆液）。水/（水泥+膨润土+粉煤灰）=1～0.5;水泥/膨润土=1～5;外加剂调制不小于2～4组。

2.4浆液性能检测方法

试验过程包括拌浆和试验，各试验内容严格按照相关规范进行操作，这里仅介绍流动度的测量。试验借鉴水泥净浆流动度测试方法，辅助表征灌浆浆材流动性。流动度以截锥圆模内静浆在水平玻璃板上扩展的平均直径表示。

实验步骤：①将玻璃板放在水平位置上，用湿布摩擦玻璃板、截锥圆模，使其表面湿而不带水，将截锥圆模放在玻璃板的中央，并用湿布覆盖以备用。②将拌制好的浆材迅速注入截锥圆模内，用刮刀刮平，将截锥圆模按照垂直方向提起，同时开启秒表计时，泥浆在玻璃板上自由流动，至少30 s，用直尺量取流淌部分互相垂直的两个方向的最大直径，取平均值作为泥浆流动度。

3 试验结果与分析

3.1 纯水泥浆液性能研究

在不同水灰比情况下，纯水泥浆液性质及结石性能试验结果见表3，不同水胶比对浆液析水率及结石弹性模量影响结果见图1。

水灰比小于0.80时，对普通水泥浆液的漏斗黏度、屈服强度、塑性黏度等流变性能影响显著;水灰比大于1.20后，对流变性能的影响非常微弱。随着水灰比的增大，纯水泥浆液的析水率基本呈线性增加，浆液结石弹性模量、抗压强度逐渐减小，凝结时间逐渐变长;水灰比超过一定值（0.80）后，渗透系数急剧增大，抗渗性能急剧下降。

依据纯水泥浆液性能研究成果，膨润土水泥稳定浆液水胶比应小于0.80。

3.2 稳定浆液性能试验参数及极差分析

膨润土水泥稳定浆液性能试验参数及极差分析成果详见表4～5。试验时在表4配合比基础上，膨润土掺量60%时，增加了水胶比0.51，0.58，0.60，066和0.70的浆液性能试验研究，掺入粉煤灰和减水剂时，掺量占水泥重量百分比分别为60%和1.44%。以上数据信息详见图2～5。

3.3 膨润土水泥稳定浆液流动度的影响分析

流动度是膨润土水泥稳定浆液在施工时需考虑的一项重要性能，浆体流动性直接影响现场灌注时可灌性，故需要研究不同变量对流动度的影响。图2为不同水胶比、膨润土掺量（与水泥质量百分比）以及掺和不掺减水剂情况下浆液的流动度试验结果。

试验结果显示，水胶比在0.50～0.70，膨润土掺量（与水泥质量百分比）在20%～60%，考虑掺与不掺粉煤灰及减水剂情况下，膨润土水泥稳定浆液流动度为70～220 mm，流动度可调整的区间较大，可较好适应粗粒土灌浆要求。

由表5和图2分析可知，水胶比、膨润土掺量、高效减水剂对膨润土水泥稳定浆液流动度有较大影响，是否掺入粉煤灰对流动度影响不明显。膨润土水泥稳定浆液流动度随水胶比的增大而增大，各级膨润土掺量下流动度增长速度无明显变化。稳定浆液流动度随膨润土的掺量增大而减小，水胶比较大时，流动度降低速度稍有增加。掺入高效减水剂后，流动度有较大提高。与纯水泥浆液对比，由于稳定浆液采用的水胶比相对较小，没有出现超过某一水胶比值后流变性能急剧变化的现象。水胶比、膨润土掺量、高效减水剂对流动度影响的R值依次为64.80，45.46，23.17，可见流动度与水胶比及膨润土掺量关系密切，在调节稳定浆液流动度时，应优先调整水胶比和膨润土掺量，同时可考虑是否掺入减水剂。

3.4 膨润土水泥稳定浆液结石抗压强度的影响分析

试验结果显示，水胶比在0.50～0.70，膨润土掺量在20%～60%，考虑掺与不掺粉煤灰及减水剂情况下，膨润土水泥稳定浆液结石抗压强度为6～25 MPa，透水率均小于1×10-6 cm/s，抗渗性能可满足工程防渗要求，粗粒土控制灌浆柔性防护工程中为适应土体的不均匀变形，往往要求结石强度不宜太高。不同水胶比、膨润土掺量及粉煤灰下结石抗压强度变化曲线见图3。

变化曲线

由表5和图3分析可知，水胶比、膨润土掺量、粉煤灰对膨润土水泥稳定浆液结石抗压强度有较大影响，是否掺入高效减水剂对结石抗压强度影响不明显。结石抗压强度随水胶比增大而减小，膨润土掺量较大时，降低速度有所降低。结石抗压强度随膨润土掺量的增大而减小，水胶比较大时，降低速度较小。掺入适量粉煤灰后，结石抗压强度有较大降低。水胶比、膨润土掺量、粉煤灰对结石抗压强度影响的R值依次为7.60，4.03，3.85，可见结石抗压强度与水胶比关系最为密切，其次为膨润土掺量和粉煤灰。在调整结石抗压强度时，应优先调整水胶比和膨润土掺量，同时可考虑是否掺入粉煤灰。

3.5 膨润土水泥稳定浆液结石弹性模量的影响分析

试验结果显示，水胶比在0.50～0.70，膨润土掺量在20%～60%，考虑掺与不掺粉煤灰及减水剂情况下，膨润土水泥稳定浆液结石抗压强度为2～10 GPa，粗粒土控制灌浆柔性防护工程中为适应土体的不均匀变形，往往要求结石弹性模量不宜太高。不同水胶比、膨润土掺量及粉煤灰下结石弹性模量变化曲线见图4。

由表5和图4分析可知，水胶比、膨润土掺量、粉煤灰对膨润土水泥稳定浆液结石弹性模量有较大影响，是否掺入高效减水剂对结石弹性模量影响不明显。结石弹性模量随水胶比增大而减小，各級膨润土掺量下结石弹性模量降低速度无明显变化。结石弹性模量随膨润土掺量的增大而减小，各级水胶比下结石弹性模量降低速度无明显变化。掺入适量粉煤灰后，结石弹性模量有较大降低。水胶比、膨润土掺量、粉煤灰对结石抗压强度影响的R值依次为2.82，2.23，1.55，可见结石弹性模量与水胶比、膨润土掺量和粉煤灰关系密切。在调整结石弹性模量时，应优先调整水胶比和膨润土掺量，同时可考虑是否掺入粉煤灰。

3.6 膨润土水泥稳定浆凝结时间的影响分析

凝结时间的长短影响注浆半径[14]的大小，当需要扩大扩散半径或注浆半径时，需要延长浆液的凝结时间让其充分流动，当存在地下水时，则需要有效缩短凝结时间，使浆液能够在短时间内速凝以防被冲走，以保证注浆效果。不同水胶比、膨润土掺量及减水剂下浆液凝结时间（初凝）变化曲线见图5。

试验结果显示，水胶比在0.50～0.70，膨润土掺量在20%～60%，考虑掺与不掺粉煤灰及减水剂情况下，膨润土水泥稳定浆液初凝时间为12～21 h，终凝时间为16～26 h，凝结时间可根据工程实际情况进行调整。

由表5和图5分析可知，水胶比、膨润土掺量、减水剂对膨润土水泥稳定浆液凝结时间有较大影响，是否掺入粉煤灰对浆液凝结时间影响较小。高效减水剂对稳定浆液凝结时间有显著影响，掺入高效减水剂可有效降低浆液凝结时间。浆液凝结时间随水胶比增大而延长，膨润土掺量较大时，凝结时间延长速度相对较小。浆液凝结时间随膨润土掺量的增大而延长，水胶比较大时，凝结时间延长速度相对较小。水胶比、膨润土掺量、减水剂对浆液凝结时间影响的R值依次为1.60，1.91，6.08，可见浆液凝结时间主要受减水剂影响，其次受膨润土掺量及水胶比的影响。在调整稳定浆液凝结时间时，应优先考虑是否掺入高效减水剂，同时可调整水胶比和膨润土掺量。

3.7 膨润土水泥稳定抗水流冲刷研究

为了保证灌浆浆材在施工过程中不被流水冲走，通常要求稳定浆液具有一定的抗水流冲刷性能。膨润土水泥稳定浆液抗水流冲刷试验设计成果见表6。

稳定浆液在流速1.0 m/s水流冲刷前后效果见图6。由表6及图6可见，水流流速越大，冲刷后的剩余浆材越少。实际灌浆工程中，遇灌浆部位水流流速较大时，宜选用膨润土掺量（与水泥质量百分比）≥60%、水胶比≤0.60的稳定浆液。

3.8 低强度低弹模膨润土水泥浆液配比研究

为了保证粗粒土控制灌浆效果，适应粗粒土坝体不均匀沉降，要求浆液可控性好，浆体的强度及弹性模量不宜太高，在大量试验研究结果的基础上，通过调整浆液配比，形成低强度（结石抗压强度不大于5 MPa）、低弹模（不大于2 GPa）、低渗透性（不大于1×10-6  cm/s）的膨润土水泥稳定浆液，推荐稳定浆液配合比、浆液性质及结石性能试验结果见表7。

因膨润土和粉煤灰自身强度和弹模相对较低，在同等水胶比条件下还可减少水泥用量，故掺入适量膨润土和粉煤灰较好的调节结石抗压强度;同时膨润土具有增稠、减小析水率的作用，可提高稳定浆液可控性。减水剂对稳定浆液的流变性能影响显著，添加减水剂可大大提高浆液的流动性，改善浆液的可灌性。故推荐膨润土水泥稳定浆液需掺入粉煤灰和高效减水剂，水胶比为0.60～0.75，膨润土/水泥=0.5～1.0，粉煤灰/膨润土=0.7～1.0，试验研究成果可供工程参考。

4结 论

对比研究了水胶比、膨润土掺量、粉煤灰、减水剂对膨润土水泥稳定浆液性能的影响，重点对浆液流动度、结石抗压强度及弹性模量、凝结时间、抗冲刷等进行了试验研究，得出如下结论：

（1）工程中应优先调整水胶比和膨润土掺量，以调节稳定浆液流动度、结石抗压强度及弹性模量、凝结时间;高效减水剂对稳定浆液流动度及凝结时间影响显著，因稳定浆液较稠，通常考虑掺减水剂;粉煤灰可降低稳定浆液结石抗压强度及弹性模量。

（2）遇灌浆部位水流流速较大时（>0.5 m/s），宜选用膨润土掺量（与水泥质量比）≥60%、水胶比≤0.60的稳定浆液。

（3）形成低强度（结石抗压强度不大于5 MPa）、低弹模（不大于2 GPa）、低渗透性（不大于1×10-6

cm/s）的膨润土水泥稳定浆液，推荐膨润土水泥稳定浆液掺入粉煤灰和高效减水剂，水胶比在0.60～0.75，膨润土/水泥=0.5～1.0，粉煤灰/膨润土=0.7～1.0，试验研究成果可供工程参考。

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（编辑：唐湘茜）