两种改性剂对注浆材料流变性能的影响

胡 阳,刘亚炜,吴颖辉,鲁刘磊,黄文昊,牛伟锋,李生生,汪峻峰

(1.深圳大学土木与交通工程学院,深圳 518060;2.山西焦煤霍州煤电三交河煤矿,临汾 031600;3.北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013)

0 引 言

随着我国地下工程、矿井以及大型基础设施建设的快速发展,需要填充加固、防渗堵漏的工程越来越多,沉降和塌方等事故时有发生[1]。注浆技术因具有对施工影响小、节约资源、环境友好等优点,在工程施工过程中得到广泛的应用[2]。水泥基注浆材料的原材料丰富、成本低、无毒害性、施工工艺简单,成为使用最为广泛的注浆材料[3-4]。但单液水泥基材料存在稳定性差、流动性差、凝结时间不可调等缺点,因此在工程中一般使用复合型水泥基注浆材料。

Warner等[5]研究了各种掺合料和外加剂对注浆材料流变性能的影响,结果表明合适的流变性能可以提高注浆的质量。Li等[6]将超细循环流化床粉煤灰掺入水泥浆体中来研究其流变性能,当掺量少于30%(文中均为质量分数)时,粉煤灰-水泥浆料的流变性能优于纯水泥浆料,且当掺量为10%时,粉煤灰-水泥浆料的流变性能最好。Li等[6]推测是超细粉煤灰颗粒的填充作用使得水泥颗粒的孔隙水转变为游离水,从而改善流动性。硅灰会在水化早期开始反应,且其较大的比表面积增加了需水量,使得屈服应力和塑性黏度较纯水泥浆体有明显的增加[7]。但Ke等[8]的研究表明当水灰比为0.30时,硅灰可以显著降低硫铝酸盐水泥浆体的最大剪切应力和塑性黏度,但屈服应力会增加。水胶比是影响水泥材料流变性能和硬化性能的重要因素之一,高水胶比可以显著改善水泥材料的屈服应力和塑性黏度,但是会降低材料的抗压强度,因此设置合理的水灰比非常重要[9,10]。

本文旨在检验早强型注浆改性剂SX-ZJ-Z(主要成分为硫铝酸盐水泥复合粉煤灰微珠)和高强型注浆改性剂SX-ZJ-G(主要成分为粉煤灰微珠)对水泥基浆液流变性能的影响。通过调整水泥改性剂掺量和水胶比,研究水泥改性剂对水泥材料凝结时间、流动度、塑性黏度和屈服应力的影响,分析水泥改性剂对水泥材料流变性能的影响机理,为合理配制水泥基注浆材料提供理论参考依据。

1 实 验

1.1 原材料

试验采用的水泥为华润金羊牌P·Ⅱ 52.5硅酸盐水泥,比表面积为370 m2/kg;早强型注浆改性剂SX-ZJ-Z和高强型注浆改性剂SX-ZJ-G购于博康特(北京)材料化学科技发展有限公司,水泥和改性剂的主要化学组成如表1所示,粒径分布如图1所示。水泥的中值粒径D50为16.8 μm,SX-ZJ-G的D50为14.1 μm,且其在1 μm处有明显的分布峰,SX-ZJ-Z的D50为19.9 μm。

图1 水泥、SX-ZJ-G和SZ-ZJ-Z的粒径分布曲线和累积分布曲线

表1 水泥和改性剂的主要化学组成

对两种改性剂的微观形貌进行了表征,结果如图2所示。图2(a)表明SX-ZJ-G大部分呈球形,图2(b)表明SX-ZJ-Z由表面粗糙且形状不规则颗粒和球形颗粒组成。

图2 两种注浆改性剂的微观形貌

1.2 配合比

分别用两种注浆改性剂取代水泥用量的10%和20%,纯水泥为基准组,水胶比(W/B)分别为0.20、0.25、0.30、0.35、0.40。参考《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346—2011),使用NJ-160A水泥净浆搅拌机(慢速120 s,停15 s,快速120 s)混合制备浆体。

1.3 测试方法

1.3.1 凝结时间

按照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB/T 1346—2011)的方法测试浆料的初终凝时间。

1.3.2 净浆流动度

按照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077—2012)规定的方法测试浆料的流动度。

1.3.3 流变性能

采用法国LAMY公司的RM 100 plus流变仪测试浆料的流变性能,转速范围为0.3～1 500 r/min,扭矩范围为0.05～30 mN·m。测试时将浆料倒入300 mL烧杯中,使其完全没过圆筒形转子(直径为30 mm,长度为45 mm),测试仪器如图3所示。流变性能的测试程序如图4所示,每步时长15 s,对每步测试结果取平均值,根据Campos等[11]研究,下行段数据较上行段数据有更好的拟合结果,因此采用下行段数据进行拟合。

图3 RM 100 plus流变仪

图4 流变性能的测试程序

1.3.4 微观形貌

采用Zeiss公司的Gemini 500型号扫描电子显微镜测试SX-ZJ-Z和SX-ZJ-G的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 凝结时间

不同水胶比注浆材料的初凝和终凝时间如图5所示(PC为纯硅酸盐水泥浆体)。由图5可知,随着水胶比(W/B)增大,各组注浆材料的凝结时间均延长。添加SX-ZJ-G明显延长了注浆材料的初凝时间,当掺量为10%时,初凝时间最短为300 min(W/B=0.25),最长超过了10 h(W/B=0.35)。相反,添加SX-ZJ-Z会缩短注浆材料的初凝时间。当W/B=0.25和0.30时,掺入10% SX-ZJ-Z的注浆材料初凝时间较基准组的分别缩短了36.8%和34.3%,但W/B=0.35和0.40时,与基准组的相近。掺入20% SX-ZJ-Z的注浆材料在W/B=0.25、0.30、0.35、0.40条件下的初凝时间较基准组的分别缩短了57.9%、71.8%、51.4%和48.9%。这主要是因为SX-ZJ-Z中硫铝酸盐水泥,与单一的硅酸盐体系相比,其在初始阶段具有更高的放热峰,能加快水化,缩短凝结时间[12]。Li等[13]研究表明,使用硫铝酸盐水泥取代硅酸盐水泥,当取代量在20%以下时,随硫铝酸盐水泥掺量的提高,凝结时间缩短,但取代量在20%以上时,凝结时间变化不明显,符合本文试验现象。

两种水泥改性剂对注浆材料初凝时间和终凝时间的影响规律基本一致。简而言之,添加SX-ZJ-G显著延长了注浆材料的凝结时间,而添加SX-ZJ-Z会缩短注浆材料的凝结时间,在实际工程中可以根据具体的要求选择合适的改性剂。

2.2 流动度

图6为不同水胶比注浆材料的流动度。由图6可知,添加SZ-ZJ-Z对注浆材料流动度几乎没有影响,当掺量为10%时,其流动度和基准组的相同;当掺量为20%时,其流动度在W/B=0.40的条件下较基准组提高了10.5%。SX-ZJ-G的掺入显著提高了注浆材料的流动度,当W/B=0.25、0.30、0.35、0.40时,掺入10% SX-ZJ-G的注浆材料流动度分别为200、230、270和290 mm,相较于基准组提高了233.3%、283.3%、315.4%和205.2%;当掺量为20%时,SX-ZJ-G注浆材料的流动度分别为230、260和300 mm(当W/B=0.40时,其流动度超出测试范围),与基准组相比提高了283.3%、333.3%和361.5%。因此,掺入SX-ZJ-G显著提高了注浆材料的可泵性,这主要源于其球状形态(见图2(a))能够发挥“滚珠效应”[14]。

图6 不同水胶比注浆材料的流动度

2.3 剪切应力

图7为不同水胶比注浆材料的剪切应力曲线。由图7可以看出,在任意水胶比条件下,SX-ZJ-G的掺入均能极大降低注浆材料的剪切应力,而SX-ZJ-Z的掺入仅在W/B=0.25条件下会小幅度提高注浆材料的剪切应力。同时,随着改性剂的掺入,注浆材料也由牛顿流体转变为屈服应力流体,出现剪切稠化(即表观黏度随剪切速率的增长而增加)现象[15]。

图7 不同水胶比注浆材料的剪切应力曲线

Bingham模型为线性拟合模型,因其表达式(见式(1))简洁,且能满足实际工程对注浆材料流变参数的确定,因此成为使用最为广泛的拟合模型[16-20]。

τ=τ0+μγ

(1)

式中:τ为剪切应力,Pa;τ0屈服应力,Pa;μ为塑性黏度,Pa·s;γ为剪切速率,s-1。

虽然新拌水泥基材料在大多数情况下表现出线性的流变模型,但是随着外加剂和矿物掺合料的加入,可能会逐渐呈现非线性的流变性能[11,21]。对于水泥基材料非线性流变曲线拟合,Modified Bingham模型更适用。Modified Bingham模型是非线性拟合模型,被广泛应用于水泥基材料的流变性能研究[22],表达式如式(2)所示。

τ=τ0+μγ+cγ2

(2)

式中:c为拟合常数。

采用Bingham和Modified Bingham模型分别对注浆材料的剪切应力曲线进行拟合,结果如图8所示。对于纯水泥注浆材料,Bingham和Modified Bingham模型都具有很高的拟合性(R2>0.990)。然而,随着改性剂的加入,如图8(b)所示,注浆材料呈非线性的流变曲线,Bingham模型的拟合性下降,并且在注浆材料塑性黏度较小时出现屈服应力为零的现象,而Modified Bingham模型仍具有良好的拟合效果(R2>0.990)。除有特别说明外,之后的分析皆采用Modified Bingham的拟合结果。

图8 Bingham模型与Modified Bingham模型的拟合结果

2.4 塑性黏度

塑性黏度反映在剪切力作用下材料变形速度的快慢,在相同剪切力作用下,材料的流动速度越快,流动度越大[23]。不同水胶比注浆材料的塑性黏度如图9所示。注浆材料的塑性黏度均随着水胶比的提高逐渐降低。在W/B=0.25时,掺20% SX-ZJ-Z注浆材料的塑性黏度为3.79 Pa·s,比基准组高68.6%;掺10% SX-ZJ-Z注浆材料的塑性黏度为2.83 Pa·s,比基准组高25.9%。颗粒表面吸附水的量为固定值,其余水以水膜的形式存在,水膜越薄,碰撞的概率越大,塑性黏度越大[8]。当W/B=0.25时,推测没有多余的自由水形成水膜,并且根据2.1节的结论,SZ-ZJ-Z的掺入显著降低了注浆材料的凝结时间,加速了水泥的水化并形成絮凝结构,使得注浆材料的塑性黏度增大[23]。当W/B≥0.30时,掺入20%SX-ZJ-Z注浆材料的塑性黏度和基准组相近,而掺10%SX-ZJ-Z注浆材料的塑性黏度略低于基准组。推测为水灰比的提高使得体系中有足够的自由水形成水膜,此时水灰比为控制塑性黏度的主要因素,因此塑性黏度相似。

添加SX-ZJ-G能大幅降低注浆材料的塑性黏度,但20%掺量相对于10%掺量影响变化很小。当W/B=0.25、0.30、0.35和0.40时,添加SX-ZJ-G的注浆材料塑性黏度比基准组分别降低了91.6%、90.7%、89.8%和96.5%。一方面,可能是由于SX-ZJ-G中的粉煤灰并没有参与水化,从而增大了有效水灰比,改善了流变性,使得塑性黏度下降[12]。另一方面,SX-ZJ-G的粒径比水泥颗粒更小,可以填充水泥颗粒之间的空隙,释放出孔隙水,增加体系中的自由水,使得水膜厚度增加,改善材料的流变性,导致塑性黏度下降[6]。此外,SX-ZJ-G的颗粒大多呈球形,可以在注浆材料中起到“滚珠”作用,克服SX-ZJ-G和水泥颗粒之间的内摩擦,减少絮凝结构的团聚并释放水分,从而降低材料的塑性黏度[14]。

2.5 屈服应力

屈服应力(动态屈服应力)是维持材料流动所需的剪切力,当材料受到的剪切力低于该值时,流动状态逐渐停止,它是材料在重力作用下填充模具能力的最相关参数[24]。一般来说屈服应力越大,流动度越小。图10为不同水胶比注浆材料的屈服应力。随着水胶比的增加,各组注浆材料的屈服应力均逐渐下降。掺入SZ-ZJ-Z注浆材料的屈服应力与基准组相近。当流动度相似时,屈服应力值相差不大,和本试验结果相符[8]。掺入10%和20%SX-ZJ-G注浆材料的屈服应力几乎相同,当W/B=0.25、0.30、0.35、0.40时,较基准组的分别降低了95.4%、95.5%、92.8%、94.7%。Brown等[25]研究表明固体颗粒悬浮液存在一个临界剪切增稠应力阈值,当体系的屈服应力小于此阈值时,会出现剪切稠化现象。SX-ZJ-G的掺入显著降低了体系的屈服应力,使得屈服应力小于临界剪切增稠应力的阈值,结合图7可知流变曲线表现出了剪切稠化(表观黏度,即流动曲线上点到原点的斜率,随剪切速率的提高而增加)的现象。

3 结 论

1)添加SX-ZJ-G显著延长了注浆材料的凝结时间,而添加SX-ZJ-Z会缩短注浆材料的凝结时间。掺入20% SX-ZJ-Z注浆材料在W/B=0.25、0.30、0.35、0.40条件下的初凝时间较基准组分别缩短了57.9%、71.8%、51.4%和48.9%。

2)掺入SX-ZJ-G能够大幅提高注浆材料的流动性,主要源于SX-ZJ-G的球状形态能发挥“滚珠”效应,但添加SZ-ZJ-Z对注浆材料流动性几乎没有影响。

3)随着两种注浆改性剂的加入,注浆材料由牛顿流体转变为应力屈服流体,可以观察到剪切稠化现象。注浆材料呈现出非线性的剪切应力曲线,Bingham模型的拟合效果较差,而Modified Bingham模型具有良好的拟合效果。

4)掺入20%的SX-ZJ-Z提高了注浆材料的塑性黏度,最大增幅可达68.6%(W/B=0.25),但屈服应力基本不变;掺入10%SX-ZJ-Z时,塑性黏度增幅则可达25.9%。然而,添加SX-ZJ-G明显降低了注浆材料的塑性强度和屈服应力,最大降幅分别可达96.5%和95.5%。

5)煤矿巷道的注浆防水和煤层岩体加固等工程建议使用10%掺量的SX-ZJ-G;巷道顶部等需要快速加固的部位建议使用20%掺量的SX-ZJ-Z。

6)两种改性剂SX-ZJ-G和SX-ZJ-Z对注浆材料硬化性能和水化机理的影响有待进一步研究。