水泥基注漿材料優化配比性能試驗與分析

張 發 馬芹永

(1.安徽理工大學 土木建筑學院,安徽 淮南 232001;2.安徽理工大學 礦山地下工程教育部工程研究中心,安徽 淮南 232001)

0 引言

隨著地下工程的發展,由于地下資源開采深度的增加,在工程擾動作用下,地層裂隙水、微裂隙滲流效應也急劇增大[1-2]。為填充空隙,需采用注漿技術及時充填處理,減小對土體的撓動,防止土體坍塌。

注漿材料之所以能起到堵水和加固的作用,主要是由于注漿材料在注漿過程中發生由液相到固相再轉變為結石體的結果[3-5],因此,注漿材料的選擇至關重要。普通的水泥注漿材料由于其粒徑大、黏度大,對于深部微裂隙巖體的治理效果不明顯。

相關學者在注漿材料性能方面展開了大量的研究。夏小亮等[6]研究了硅粉改性超細水泥漿液性能及耐久性試驗分析,試驗結果表明:隨著硅灰摻量的增加,水泥漿液的黏度不斷增大,結石率大幅度增大,結石體強度不斷增大。李云峰等[7]研究了偏高嶺土對水泥膠砂力學性能的影響,發現偏高嶺土的加入提高了結石體的強度,同時也降低了漿液的流動性。Nasr M S等[8]研究了硅灰水泥高置換對水泥砂漿性能的影響,結果表明,由于硅灰的摻入,養護7 d試件的抗壓強度提高了近83%。Lun Yunxia等[9]研究了硅灰對水泥砂漿力學性能和耐久性的影響,發現硅灰的摻入顯著提高了水泥砂漿的抗壓強度和抗硫酸鹽侵蝕性。Abdel Gawwad H A 等[10]研究了偏高嶺土和二氧化硅對水泥砂漿性能的影響,發現在水泥砂漿中雙摻偏高嶺土和二氧化硅可以增強砂漿在低齡期養護時的力學性能,并增強其微觀結構,提高了結石體的穩定性。

本文通過正交試驗和極差分析法獲得試驗的優化成果,對漿液物理性能和力學性能進行研究[11]。試驗表明:抗壓強度與硅灰摻量的增加成正比,與水灰比成反比;隨著偏高嶺土摻量增加,抗壓強度呈現先增加后減小的趨勢。因此,選取水灰比為0.75,偏高嶺土為10%,硅灰為10%,聚羧酸減水劑為0.15%的漿液優化配比進行一系列的性能試驗與分析。

1 試 驗

1.1 試驗原料

水泥采用產自淮南市八公山水泥廠的P·O42.5普通硅酸鹽水泥,密度為3 100 kg/m3;硅灰為鞏義市恒諾濾料有限公司生產,其基本參數和化學成分見表1;偏高嶺土為鞏義市萬盈環保材料有限公司生產,其基本參數和化學成分見表2;減水劑采用上海鍇源化工科技有限公司生產的聚羧酸高效粉狀減水劑。

表1 硅灰基本參數和化學成分

表2 偏高嶺土基本參數和化學成分

1.2 試驗設計

為探究水灰比、硅灰、偏高嶺土對漿液結石率和漿液黏度等物理性能[12]以及對結石體三點抗折強度和抗壓強度力學性能的影響,開展如表3所示的4因素4水平的正交試驗來進行測試。將表3中的水灰比、硅灰、偏高嶺土、聚羧酸高效減水劑分別記為因素A、B、C、D。水灰比中,灰配方包含了硅酸鹽水泥、硅灰和偏高嶺土因素,水配方包含聚羧酸高效減水劑和普通的自來水因素。

表3 正交試驗因素水平表

1.3 試驗方法

按照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》的要求和《注漿技術規程》(YS/T5211—2018)中的規定,確定試樣的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。在實驗之前將所需的注漿材料稱重,依次加入水泥凈漿攪拌鍋內進行充分攪拌,將配制出的注漿材料漿液進行漿液物理性能試驗,經過標準養護后對漿液結石體進行力學性能試驗。

1.3.1 結石率試驗

把制備好的注漿材料漿液注入量筒中,至100 m L,并用保鮮膜進行密封,待24 h后達到穩定狀態時,記錄量筒內結石體的體積,其與水泥漿液體積100 m L 的比值,即為注漿材料漿液的結石率。

1.3.2 黏度試驗

漿液黏度用標準漏斗法測試。采用孔徑5 mm,長100 mm 的1006型泥漿粘度計。用一只手將漏斗保持直立狀態,用食指按住漏斗下部的流出口。然后用另一只手拿起量筒量取500 m L+200 m L=700 m L 的漿液經篩網(篩孔為每吋16孔)注入干凈并直立的漏斗中,并將手中的量筒500 m L端向上放置于漏斗流出口的下方。啟動秒表,同時把食指移開出口管口,使漿液流入量筒。當漏斗下方量筒內的漿液500 m L 時,停止計時并記錄此時時間(用時間長短來衡量漿液的黏度,此時單位為s),即為漿液黏度[13]。

1.3.3 三點抗折強度試驗

把配制的水泥漿液倒入40 mm×40 mm×160 mm 的標準模具中,放在標準養護室養護24 h后,將水泥凈漿試塊從模具中取出,放在標準養護室內繼續養護6 d,然后把試件放在40 mm×40 mm×160 mm 的抗折夾具中,在抗壓壓力機以0.5 mm/min加載速率下測得養護時間為7 d的三點抗折強度[14],如圖1所示。

圖1 三點抗折強度測試

1.3.4 抗壓強度試驗

把通過三點抗折強度試驗折斷的試塊放在40 mm×40 mm×40 mm 抗壓夾具內(承壓面S=0.4 m×0.4 m=0.16 m2),用WAW-1000型萬能試驗機在1 mm/min加載速率下進行抗壓試驗,得到不同水泥漿液配比下的抗壓強度[15],如圖2所示。

圖2 抗壓強度測試

2 試驗結果與分析

研究漿液結石率和黏度是為提高漿液在裂隙中填充的密實性和可灌入性。根據不同漿液配方下性能指標測試的結果,取各組三個試件算術平均值,如表4 所示。通過極差分析法,得出水灰比、硅灰、偏高嶺土和聚羧酸減水劑對注漿材料物理性能和力學性能的影響。

表4 性能指標測試結果

2.1 結石率和黏度結果分析

水泥基注漿材料的結石率可以代表漿液的穩定性,結石率高表明漿液在裂隙中填充得是否密實,表5為漿液結石率極差分析。由表5可以看出,對漿液結石率,影響強度的高低依次為硅灰、偏高嶺土、水灰比和聚羧酸減水劑,僅從漿液結石率較優配比為B4C4A1D1,即硅灰為10%、偏高嶺土為20%、水灰質量比為0.60、聚羧酸減水劑為0.05%。

表5 漿液結石率的極差分析 %

由試驗結果可知,大部分漿液黏度范圍在23.32～90.0 s之間,變化的幅度較大。陳晨等[16]研究油頁巖原位開采區注漿封閉漿液優化及其防滲效果,實驗表明,漿液黏度較大,灌入巖體裂隙需要消耗的能量也較大,漿液的擴散距離較短;但是,當漿液黏度較小時,對土層和巖石的黏聚力較小,不易形成結石體。由《注漿技術規程》(YS/T5211—2018)可知,可灌漿液通過1006 型泥漿粘度計的時間宜選在25～40 s之間,且在25～35 s之間最好。從試驗結果來看,只有C-1、C-2、D-1、D-2、D-3、D-4組符合要求。

表6對漿液黏度進行了極差分析。極差分析結果表明,對漿液黏度因素,影響強度的高低依次為水灰比、硅灰、偏高嶺土、聚羧酸減水劑,僅從漿液黏度考慮,較優配比是A4B1C4D4,即水灰比為0.75、硅灰為4%,偏高嶺土為20%、聚羧酸減水劑為0.20%。

表6 漿液黏度的極差分析 %

不同材料摻量對結石率和黏度的影響如圖3所示。由圖3可知,隨著水灰比的增加,結石率呈現出逐漸下降的趨勢,當水灰比在0.65%～0.70%之間,結石率急速下降,這可能是由于自由水的增加,水泥顆粒下沉,自由水與水泥顆粒分離,漿液不易結成塊體,導致結石率下降,黏度也不斷減小。當硅灰的摻量增加時,結石率和黏度都隨之增大,呈正相關性,這是因為硅灰具有干燥性,減少漿液中自由水的含量,使漿液變稠,黏度增大,結石率提高。由于偏高嶺土更易分散到漿液,使漿液結構更加緊密,從而結石率逐漸增大。當偏高嶺土為15%～20%時,漿液黏度急劇下降。張培森等[17]進行的高強度低黏度注漿配比試驗研究表明,這可能是由于偏高嶺土增加,其保水潤滑作用顯著,使漿液黏度降低。但是,隨著聚羧酸減水劑的增加,結石率減小,這是因為減水劑具有電解質的性質,釋放漿液中部分自由水,當減水劑不斷增加時,漿液的穩定性變差,結石率隨之減小。而黏度出現先減小后增大,這主要是由于聚羧酸減水劑中的R—COO—與Ca2+離子作用形成絡合物,降低溶液中的Ca2+離子濃度,延緩Ca(OH)2形成結晶,減少C—S—H 凝膠的形成,—COOH、—OH 和—NH2等與水親和力強的極性分子通過吸附、分散、潤滑等表面活性作用,提高了水泥顆粒的分散性和流動性,大大降低了漿液的黏度。

圖3 不同材料摻量對結石率和黏度的影響

2.2 三點抗折強度和抗壓強度結果分析

由試驗結果可知,在不同試驗條件下,結石體7 d三點抗折強度介于2.41 MPa和3.33 MPa之間。7 d三點抗折強度的極差分析結果見表7。由極差分析結果表明,僅從7 d結石體三點抗折強度考慮,較優配比為B4D3A1C4,即硅灰為10%、聚羧酸減水劑為0.15%、水灰比為0.60、偏高嶺土為20%。

表7 7 d三點抗折強度的極差分析 MPa

由試驗結果可知,在不同試驗條件下,7 d結石體的抗壓強度介于12.83 MPa和20.30 MPa之間。張培森等[17]進行的高強度低黏度注漿配比試驗研究表明,7 d最小強度12.83 MPa已經滿足規范和實際工程要求,因此,對7 d結石體抗壓強度數據進行極差分析如表8所示,僅從7 d抗壓強度考慮其較優配比為A1C2D3B4,即水灰比為0.60、偏高嶺土為10%、聚羧酸減水劑為0.15%、硅灰為10%。

表8 7 d抗壓強度的極差分析 %

圖4為不同材料摻量對7 d三點抗折強度和抗壓強度的影響。由圖4可知,隨著水灰比的增加,漿液結石體三點抗折強度和抗壓強度逐漸減小。當硅灰從4%增加到10%時,三點抗折強度和抗壓強度均勻性增加,這是因為水泥發生水化反應生成的Ca(OH)2和硅灰中的SiO2迅速接觸,生成水泥水化膠合體,從而使注漿材料結石體抗折和抗壓強度增大[18]。隨著偏高嶺土的增加,三點抗折強度逐漸增大;而抗壓強度呈現出先增大后減小的趨勢,并且為摻量10%～15%時降低幅度很明顯。喬春雨等[19]對較大偏高嶺土摻量下水泥基材料的水化和性能研究表明,這主要是因為偏高嶺土摻量增加,導致影響強度主要因素——水泥含量減少,最終導致抗壓強度降低。隨著聚羧酸減水劑的增加,結石體壓折強度呈現先增加后降低的趨勢,這可能是由于當聚羧酸減水劑較低時,電解作用釋放結石體內自由水,進而增加漿液的流動性,促進水泥水化反應;但當減水劑摻量增加至0.15%時,自由水過多,反而使結石體的壓折強度降低。

圖4 不同材料摻量對7 d三點抗折強度和抗壓強度的影響

2.3 注漿材料漿液優化配方綜合分析

根據上述不同性能指標的分析結果和主次因素,優化注漿材料漿液的各個摻合料的配比,得到最終較優配比。在綜合分析中以黏度為主要指標;抗壓強度作為次要指標,因為7 d的注漿結石體抗壓強度已經達到了工程要求;以結石率和抗折強度為較次要指標。

因素A(水灰比):極差分析結果表明,A 作為主要考慮指標,黏度是決定漿液能否灌入微細裂縫的主要因素。經分析可知,當漿液通過1006型泥漿粘度計測量的時間為25～35 s時,水灰比A4符合要求,故選取水灰比為A4,即0.75。因素B(硅灰):硅灰的加入明顯提高了漿液結石體的結石率。硅灰摻量B4的結石率達到了99.5%,故選取硅灰為B4,即10%。極差分析結果表明,B作為較次要考慮指標。因素C(偏高嶺土):偏高嶺土的加入使漿液結石體的抗壓強度呈現先增后減的趨勢。而注漿工程中要求28 d的漿液結石體強度大于17 MPa[20],偏高嶺土摻量C2符合要求,故選取偏高嶺土為C2,即10%。極差分析結果表明,C作為次要考慮指標。因素D(減水劑):極差分析結果表明,D 作為較次要考慮指標,抗壓抗折強度隨著減水劑摻量的增加呈現出先增后減的趨勢。故減水劑摻量D3符合要求,故選取減水劑為D3,即0.15%。

通過不同指標綜合分析,選取漿液優化配比為A4C2B4D3,即水灰比為0.75,偏高嶺土為10%,硅灰為10%,聚羧酸減水劑為0.15%。優化漿液的性能測試結果如表9所示。

表9 優化漿液性能測試結果

3 結論

(1)在雙摻硅灰和偏高嶺土時,隨著摻量的增加,7 d的三點抗折強度出現增長。在偏高嶺土為10%時,7 d的抗壓強度達到17.17 MPa,但是繼續增大偏高嶺土的摻量時會使抗壓強度降低。

(2)隨著聚羧酸減水劑摻量的增加,注漿材料結石體的7 d抗壓折強度均呈現先增后減的趨勢,在摻量為0.15%時達到了試驗中最優的漿液配比。

(3)基于正交試驗和極差分析法,以漿液的黏度、結石率、抗壓折強度為優化指標,獲得了注漿材料的優化配比,其中水灰比為0.75,偏高嶺土為10%,硅灰為10%,聚羧酸減水劑為0.15%。

(4)優化配比的注漿材料漿液性能:結石率為99%,黏度為34.72 s,28 d的抗壓強度為25.9 MPa、抗折強度為4.67 MPa,滿足實際工程上可灌入性好、抗壓強度高、結石率高的要求。