外加剂对注浆材料即时和延时性能的研究

吴 熙，任梦博，刘映晶，魏新江，丁玉琴

（1.浙大城市学院 土木工程系，浙江 杭州 310015；2.城市基础设施智能化浙江省工程研究中心，浙江 杭州 310015；3.中天建设集团有限公司，浙江 杭州 310009）

0 引 言

众多学者开展注浆材料性能研究，并提供了相关理论基础。周麟等[3]通过正交设计基础材料配比，探讨分析了水泥、粉煤灰等对浆液流动性、稠度、强度等的影响规律，提供了同步浆液优化的方向。MAO等[4]利用正交试验进行了粉灰比等对浆液性能的影响研究，为水下隧道注浆提供了水泥砂浆配合比。SHA等[5]研究了高效减水剂与粉煤灰等材料的协同机理，讨论了浆液中减水剂的合适掺加量。AZADI等[6]研究了三乙醇胺、膨润土等外加剂对浆液泌水率、凝结时间等性能的影响规律，确定了每种成分的最佳用量。赵青等[7]研究了羟丙基甲基纤维素对浆液流动度、凝结时间等的影响规律，提高了水泥基浆液的抗水分散性能。仇佳琳等[8]研究了减水剂复配方案对水泥浆液流动度、凝结时间等性能的影响，发现复配方案均能延长浆液的凝结时间，增大其流动度。唐超等[9]研究发现减水剂的减水和分散作用会使浆液的凝结时间小幅增加，黏度和结石率下降，减水剂能够改善浆液的流动特性。

上述试验仅研究了浆液基准配比参数和外加剂对浆液即时性能的影响，没有考虑特定地层以及延迟注浆对注浆浆液的影响。故本文将调配适用于软土地区的浆液配比，研究减水剂和缓凝剂对浆液即时性能和延时性能的影响规律，提出注浆延迟一定时间后浆液恢复性能的方案，并得到适用于软土地区的浆液配比，为工程注浆提供即时和延时性能的优化方案，为软土地区注浆工程提供参考。

1 试验设计

1.1 试验材料与方法

试验用注浆材料采用水泥、砂、膨润土、粉煤灰和水，其中水泥采用河北产的P.O.42.5的普通硅酸盐水泥，粉煤灰采用济南黄台电厂的F级粉煤灰，细砂采用了最大粒径为6 mm的细砂，其细度模数为1.51，膨润土采用浙江湖州安吉益国厂家生产的纳基膨润土。缓凝剂使用羟基乙叉二膦酸（HP），减水剂使用醛酮缩合物（AKC）。

1.2 基准试验组

郄向光等[10]、钟小春等[11]、李发勇[12]采用的软土地区浆液水胶比均在1.0左右，符合周麟等的正交实验结果[3]，故本试验组固定水胶比1.0，采用的配合比如表1所示，表中采用的是各材料的相对质量比。

表1 浆液试验组配比Table 1 Slurry ratio

1.3 基准配合比确定

软土地区注浆要求浆液注入土层后要有一定的早期强度，便于及时支撑周围土体，控制周围土体的位移，同时为保证注浆的流畅性，浆液的流动度和稠度也要控制在一定范围内。根据现有的注浆工程实践经验，软土地区要求浆液的流动度要在25～40 cm以内，稠度在12～13 cm区间范围内，浆液的早期抗压强度大于0.5 MPa，28 d抗压强度大于1.0 MPa，初凝时间控制在4 h，终凝时间控制在10 h，泌水率也应不大于3%[13-15]。

根据以上软土地区注浆浆液要求，对上述实验结果进行对比，如表2所示，发现浆液的初凝时间基本维持在1～2.5 h左右，不满足注浆要求，需要加入缓凝剂来调节。根据浆液流动性能要求，综合考虑浆液泌水率、早期强度等要求，首选第 8组作为基准配合比，水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶膨润土=1.0∶6.7∶17.4∶7.7∶2.0。

表2 浆液试验组性能值Table 2 Slurry properties of test groups

2 浆液配合比优化

2.1 外加剂试验

根据上节的基准配合比研究，发现在无外加剂的情况下，基准配合比在满足流动性、强度等条件下，无法满足浆液的初凝时间要求，需要加入外加剂来调配。本节将以缓凝剂和减水剂对浆液性能的影响研究为基础，以浆液的流动性和凝结时间作为首要协调对象，试验分析外加剂对两者的影响规律，优化浆液性能。试验配比如表3所示。

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表3 外加剂试验组Table 3 Admixture amount %

2.2 结果分析

根据以上实验结果，本文整理了两种外加剂对浆液性能的影响。图1为缓凝剂对浆液3 h内流动度经时损失的影响关系曲线，对比 A-0与 A-1等曲线图，加入缓凝剂的浆液3 h内任意时刻的流动度均大于未掺加缓凝剂的浆液流动度，且A-1、A-2、A-3、A-4、A-5组在3 h的流动度比A0组分别提高了16.7%、22.2%、27.8%、27.8%、27.8%，对比发现，缓凝剂掺量越高，浆液的流动度损失曲线越平缓，表明随缓凝剂掺量的增大，浆液的流动度损失越慢，但所有曲线的起点基本一致，说明缓凝剂只能一定程度上延缓浆液对流动度损失，不能提高浆液的初始流动度。

图1 缓凝剂对浆液流动度经时损失的影响Fig.1 Effect of retarder on the loss of slurry fluidity with time

在不同掺量缓凝剂的作用下，浆液在不同时刻测得的凝结阻力和凝结时间分别如图2和图3所示。图2显示，缓凝剂的掺加能够显著减小曲线的斜率，且随着其掺量的增大，曲线上升的斜率越小，即缓凝剂能够延缓浆液凝结的速度，其掺量越大，要达到同样硬度需要更多的时间。A-4和A-5组测量力达到15 N时需要的时间已超过15 h。

图2 不同缓凝剂掺量下的浆液测量力Fig.2 Measured slurry force with different retarder contents

从图3可以看出：缓凝剂掺量小于0.08%时，浆液的终凝时间、初终凝时间差增长小于 0.5 h，此时浆液的凝结过程并没有明显的延缓。为了保证浆液的初凝时间和终凝时间分别保持在3～4 h和10 h左右，建议缓凝剂掺量控制在0.08%～0.10%区间内。缓凝剂延缓浆液凝结速度的机理为：缓凝剂与水泥净浆中的Ca2+结合形成微溶性的Ca3.5（C3H7O13NP3）螯合物，并包裹在未水化的水泥颗粒表面，阻止水泥与水的接触，从而延缓水泥进一步水化，所以当缓凝剂掺量过小，后续生成物不能较好包裹水泥颗粒，故此时缓凝剂延缓作用不明显[16]。

图3 不同缓凝剂掺量下的浆液凝结时间Fig.3 Slurry setting time under different retarder dosages

图4为浆液的流动度与减水剂掺量的变化关系。图中显示，减水剂掺量增大可明显增大浆液的流动度，当减水剂掺量超过水泥质量的4.2%时，浆液的流动度增大速度明显提升，此时减水剂掺量每增加0.1%，流动度约增加1 cm。为控制浆液的流动度，建议浆液的减水剂掺量尽量在水泥掺量的4.2%以下。根据静电斥力理论，由于减水剂表面活性作用，吸附于胶凝材料颗粒表面的憎水基端，可以使颗粒表面带相同的电荷，加大了彼此间的静电斥力，导致颗粒相互分散，释放出更多的游离水，继而增大浆液的流动性[17]。

图4 减水剂掺量与浆液流动度关系Fig.4 Relationship between the dosage of superplasticizer and the fluidity of slurry

图5为浆液3 h内的流动度变化与减水剂掺量的变化关系。图中显示，减水剂的掺加能够增大浆液 3 h内的流动度，但是浆液的减水剂掺量在2.4%～4.2%区间内时，1.75 h内的流动度相差不大，3 h的流动度与无掺加减水剂相差在3 cm以内，故当减水剂掺量小于4.2%时，对浆液3 h后的流动度提高作用区别不明显。

图5 不同减水剂掺量下的浆液流动度经时损失Fig.5 Loss of slurry fluidity with time under different dosages of superplasticizer

浆液凝结时间测量装置测得的凝结阻力如图6所示，图中显示，减水剂的掺加能够明显延缓浆液的爬升速率，延缓效果随着减水剂掺量的增大而增强，说明减水剂能够降低浆液的硬化速度，当减水剂掺量超于4.2%时，对浆液的终凝延缓显著，超过13 h。

图6 不同减水剂掺量下的浆液凝结速度测量值Fig.6 Measured values of slurry coagulation speed under different dosages of superplasticizer

浆液的初凝、终凝时间与减水剂掺量关系如图7所示，图中显示，随着减水剂掺量的增加，浆液的初凝和终凝时间均逐渐增大，当减水剂掺量超过水泥质量的4.2%时，浆液的初凝时间增大幅度接近75%，终凝时间约增大了38%。说明减水剂能够延缓浆液的水化反应速度和凝结过程，但为保证浆液的终凝时间，建议浆液的减水剂掺量不宜超过水泥质量的4.2%。

图7 不同减水剂掺量下的浆液凝结速度测量值Fig.7 Measured values of slurry coagulation speed under different dosages of superplasticizer

2.3 外加剂优化

实验证明两种外加剂均能延缓浆液的凝结速度，但是相对而言，掺加水泥质量0.12%的缓凝剂能对浆液的初凝时间有较好的增大作用，也可减小浆液的流动度损失速度，但其3 h内的流动度小于减水剂作用下的浆液流动度。建议使用缓凝剂调配浆液的初凝时间，再用减水剂提高浆液的流动性能。

综合上述基准配比和浆液外加剂对其性能影响规律，调配减水剂和缓凝剂共同提高浆液的性能，发现加入水泥质量0.12%的缓凝剂和3.6%的减水剂能够达到上述要求的性能值，其初凝时间接近4 h，终凝时间约为14 h，3 d抗压强度达到0.56 MPa，3 h内的浆液流动度和稠度如图8所示，浆液历经3 h后的流动度为20 cm，稠度8.3 cm，仍具有流动性。

图8 浆液3 h内的稠度和流动度测量值Fig.8 Consistency and fluidity measurements within 3 h of the slurry

3 配比优化

现实注浆工程中，注浆浆液将在预制后进行注浆，但在此过程中，常存在注浆设备发生故障等不可控因素，导致注浆延迟，进而使浆液流动性大大降低，不再符合注浆要求，堵塞注浆管道。本文为试验模拟、研究工程中注浆延迟对浆液性能的影响，并在此技术上提出恢复浆液性能的方法。

在以上优化配合比的基础上，实验室模拟注浆延迟0、2、3、4、5 h，在延迟注浆的过程中，模仿浆液在罐车或者搅拌箱中持续搅拌，研究持续搅拌时间对浆液性能的影响。

图9表示浆液的3 h内流动度与搅拌时长的关系，如图所示，当持续搅拌时间超过4 h时，浆液的流动度下降11 cm，下降了34.8%，搅拌时长超过4 h后浆液的3 h流动度低于15 cm，基本不具有流动性能，故建议浆液的持续搅拌时间不宜超过4 h。

图9 不同搅拌时长下的浆液3 h内的流动度Fig.9 Fluidity of the slurry within 3 h under different mixing times

浆液的初凝时间、终凝时间与搅拌时间的关系，如图10所示。从图中可以看出，浆液的搅拌时间增长时，浆液的初凝时间略微下降，但浆液的终凝时间增长，持续搅拌4 h后浆液的终凝时间接近20 h，初凝时间为3 h。这是因为搅拌时间的增长，水化反应持续进行，使得再次测量浆液的初凝时间低于搅拌前原始值，持续的搅拌破坏了浆液分子间的黏聚力，改变浆液的细微结构，使得浆液的终凝时间增大。

图10 浆液的凝结时间与搅拌时间关系Fig.10 Relationship between the setting time of the slurry and the mixing time

通过研究不同搅拌时长情况下浆液的流动度和凝结时间，发现随着持续搅拌时间的增长，浆液的流动度和初凝时间持续下降，终凝时间增长。为了恢复不同延迟时间下浆液的性能，主要以增大浆液流动性为主，以浆液达到等量流动度为准，探讨减水剂掺量对浆液延时性能的影响。如图11所示，浆液二次掺加减水剂与延迟时间的关系。随着浆液延迟时间的增长，为补偿浆液的流动性，所需掺加的减水剂掺量也不断增加。

图11 减水剂二次掺加量与搅拌时间关系Fig.11 Relationship between the secondary addition amount of the water reducing agent and the mixing time

图12为浆液二次掺加减水剂后浆液的流动性损失曲线。图中显示，二次掺加减水剂虽然能补偿浆液的流动度，但并不能降低浆液的流动性损失速度。现场注浆出现延迟的情况造成流动性严重下降，在不超过4 h的情况下，可以通过再次掺加一定减水剂的方法恢复浆液的流动性，避免注浆效果严重下降或者浆液损耗严重的情况。

图12 浆液的3 h流动度与搅拌时间关系Fig.12 Relationship between the 3 h fluidity of the slurry and the mixing time

图13为不同搅拌时长的浆液二次掺加减水剂后初凝和终凝时间。从图中可以看出，二次掺加减水剂后浆液的初凝与终凝时间继续增长。在延迟时间达到5 h后，加入24%的减水剂，初凝时间达到5 h，终凝时间接近20 h。

图13 浆液的凝结时间与搅拌时间关系Fig.13 Relationship between the setting time of the slurry and the mixing time

4 结 论

以上对软弱土地层同步注浆材料配比优化进行了试验研究，得到了基准配合比以及外加剂对浆液即时和延时性能的影响规律。试验得到结论如下：

（1）减水剂和缓凝剂掺量均能延缓浆液3 h内的流动度损失速度，但缓凝剂不能提高浆液的初始流动度。为保证浆液的初凝时间在4 h左右，建议缓凝剂掺量控制在水泥掺量的 0.08%～0.10%区间内。

（2）随着减水剂掺量的增大，浆液的流动度、初、终凝时间逐渐增大。当减水剂掺量超过水泥质量的4.2%时，浆液的流动度增大速度明显提升，初、终凝时间增大幅度分别接近75%和38%。为控制浆液的流动度和终凝时间，建议浆液的减水剂掺量尽量在水泥掺量的4.2%以下。

（3）软土地区注浆配比为水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶膨润土=1.0∶6.7∶17.4∶7.7∶2.0，且加入水泥质量0.12%的缓凝剂和3.6%的减水剂能够满足软弱土地层的注浆要求。

（4）随着延迟注浆时间的增长，浆液的流动度和初凝时间持续下降，终凝时间增长。在延迟注浆不超过4 h的情况下，可以通过再次掺加一定减水剂的方法恢复浆液的流动性，但并不能降低浆液的流动性损失速度。