兩種改性劑對注漿材料流變性能的影響

胡 陽,劉亞煒,吳穎輝,魯劉磊,黃文昊,牛偉鋒,李生生,汪峻峰

(1.深圳大學土木與交通工程學院,深圳 518060;2.山西焦煤霍州煤電三交河煤礦,臨汾 031600;3.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013)

0 引 言

隨著我國地下工程、礦井以及大型基礎設施建設的快速發展,需要填充加固、防滲堵漏的工程越來越多,沉降和塌方等事故時有發生[1]。注漿技術因具有對施工影響小、節約資源、環境友好等優點,在工程施工過程中得到廣泛的應用[2]。水泥基注漿材料的原材料豐富、成本低、無毒害性、施工工藝簡單,成為使用最為廣泛的注漿材料[3-4]。但單液水泥基材料存在穩定性差、流動性差、凝結時間不可調等缺點,因此在工程中一般使用復合型水泥基注漿材料。

Warner等[5]研究了各種摻合料和外加劑對注漿材料流變性能的影響,結果表明合適的流變性能可以提高注漿的質量。Li等[6]將超細循環流化床粉煤灰摻入水泥漿體中來研究其流變性能,當摻量少于30%(文中均為質量分數)時,粉煤灰-水泥漿料的流變性能優于純水泥漿料,且當摻量為10%時,粉煤灰-水泥漿料的流變性能最好。Li等[6]推測是超細粉煤灰顆粒的填充作用使得水泥顆粒的孔隙水轉變為游離水,從而改善流動性。硅灰會在水化早期開始反應,且其較大的比表面積增加了需水量,使得屈服應力和塑性黏度較純水泥漿體有明顯的增加[7]。但Ke等[8]的研究表明當水灰比為0.30時,硅灰可以顯著降低硫鋁酸鹽水泥漿體的最大剪切應力和塑性黏度,但屈服應力會增加。水膠比是影響水泥材料流變性能和硬化性能的重要因素之一,高水膠比可以顯著改善水泥材料的屈服應力和塑性黏度,但是會降低材料的抗壓強度,因此設置合理的水灰比非常重要[9,10]。

本文旨在檢驗早強型注漿改性劑SX-ZJ-Z(主要成分為硫鋁酸鹽水泥復合粉煤灰微珠)和高強型注漿改性劑SX-ZJ-G(主要成分為粉煤灰微珠)對水泥基漿液流變性能的影響。通過調整水泥改性劑摻量和水膠比,研究水泥改性劑對水泥材料凝結時間、流動度、塑性黏度和屈服應力的影響,分析水泥改性劑對水泥材料流變性能的影響機理,為合理配制水泥基注漿材料提供理論參考依據。

1 實 驗

1.1 原材料

試驗采用的水泥為華潤金羊牌P·Ⅱ 52.5硅酸鹽水泥,比表面積為370 m2/kg;早強型注漿改性劑SX-ZJ-Z和高強型注漿改性劑SX-ZJ-G購于博康特(北京)材料化學科技發展有限公司,水泥和改性劑的主要化學組成如表1所示,粒徑分布如圖1所示。水泥的中值粒徑D50為16.8 μm,SX-ZJ-G的D50為14.1 μm,且其在1 μm處有明顯的分布峰,SX-ZJ-Z的D50為19.9 μm。

圖1 水泥、SX-ZJ-G和SZ-ZJ-Z的粒徑分布曲線和累積分布曲線

表1 水泥和改性劑的主要化學組成

對兩種改性劑的微觀形貌進行了表征,結果如圖2所示。圖2(a)表明SX-ZJ-G大部分呈球形,圖2(b)表明SX-ZJ-Z由表面粗糙且形狀不規則顆粒和球形顆粒組成。

圖2 兩種注漿改性劑的微觀形貌

1.2 配合比

分別用兩種注漿改性劑取代水泥用量的10%和20%,純水泥為基準組,水膠比(W/B)分別為0.20、0.25、0.30、0.35、0.40。參考《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2011),使用NJ-160A水泥凈漿攪拌機(慢速120 s,停15 s,快速120 s)混合制備漿體。

1.3 測試方法

1.3.1 凝結時間

按照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》(GB/T 1346—2011)的方法測試漿料的初終凝時間。

1.3.2 凈漿流動度

按照《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB/T 8077—2012)規定的方法測試漿料的流動度。

1.3.3 流變性能

采用法國LAMY公司的RM 100 plus流變儀測試漿料的流變性能,轉速范圍為0.3～1 500 r/min,扭矩范圍為0.05～30 mN·m。測試時將漿料倒入300 mL燒杯中,使其完全沒過圓筒形轉子(直徑為30 mm,長度為45 mm),測試儀器如圖3所示。流變性能的測試程序如圖4所示,每步時長15 s,對每步測試結果取平均值,根據Campos等[11]研究,下行段數據較上行段數據有更好的擬合結果,因此采用下行段數據進行擬合。

圖3 RM 100 plus流變儀

圖4 流變性能的測試程序

1.3.4 微觀形貌

采用Zeiss公司的Gemini 500型號掃描電子顯微鏡測試SX-ZJ-Z和SX-ZJ-G的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 凝結時間

不同水膠比注漿材料的初凝和終凝時間如圖5所示(PC為純硅酸鹽水泥漿體)。由圖5可知,隨著水膠比(W/B)增大,各組注漿材料的凝結時間均延長。添加SX-ZJ-G明顯延長了注漿材料的初凝時間,當摻量為10%時,初凝時間最短為300 min(W/B=0.25),最長超過了10 h(W/B=0.35)。相反,添加SX-ZJ-Z會縮短注漿材料的初凝時間。當W/B=0.25和0.30時,摻入10% SX-ZJ-Z的注漿材料初凝時間較基準組的分別縮短了36.8%和34.3%,但W/B=0.35和0.40時,與基準組的相近。摻入20% SX-ZJ-Z的注漿材料在W/B=0.25、0.30、0.35、0.40條件下的初凝時間較基準組的分別縮短了57.9%、71.8%、51.4%和48.9%。這主要是因為SX-ZJ-Z中硫鋁酸鹽水泥,與單一的硅酸鹽體系相比,其在初始階段具有更高的放熱峰,能加快水化,縮短凝結時間[12]。Li等[13]研究表明,使用硫鋁酸鹽水泥取代硅酸鹽水泥,當取代量在20%以下時,隨硫鋁酸鹽水泥摻量的提高,凝結時間縮短,但取代量在20%以上時,凝結時間變化不明顯,符合本文試驗現象。

兩種水泥改性劑對注漿材料初凝時間和終凝時間的影響規律基本一致。簡而言之,添加SX-ZJ-G顯著延長了注漿材料的凝結時間,而添加SX-ZJ-Z會縮短注漿材料的凝結時間,在實際工程中可以根據具體的要求選擇合適的改性劑。

2.2 流動度

圖6為不同水膠比注漿材料的流動度。由圖6可知,添加SZ-ZJ-Z對注漿材料流動度幾乎沒有影響,當摻量為10%時,其流動度和基準組的相同;當摻量為20%時,其流動度在W/B=0.40的條件下較基準組提高了10.5%。SX-ZJ-G的摻入顯著提高了注漿材料的流動度,當W/B=0.25、0.30、0.35、0.40時,摻入10% SX-ZJ-G的注漿材料流動度分別為200、230、270和290 mm,相較于基準組提高了233.3%、283.3%、315.4%和205.2%;當摻量為20%時,SX-ZJ-G注漿材料的流動度分別為230、260和300 mm(當W/B=0.40時,其流動度超出測試范圍),與基準組相比提高了283.3%、333.3%和361.5%。因此,摻入SX-ZJ-G顯著提高了注漿材料的可泵性,這主要源于其球狀形態(見圖2(a))能夠發揮“滾珠效應”[14]。

圖6 不同水膠比注漿材料的流動度

2.3 剪切應力

圖7為不同水膠比注漿材料的剪切應力曲線。由圖7可以看出,在任意水膠比條件下,SX-ZJ-G的摻入均能極大降低注漿材料的剪切應力,而SX-ZJ-Z的摻入僅在W/B=0.25條件下會小幅度提高注漿材料的剪切應力。同時,隨著改性劑的摻入,注漿材料也由牛頓流體轉變為屈服應力流體,出現剪切稠化(即表觀黏度隨剪切速率的增長而增加)現象[15]。

圖7 不同水膠比注漿材料的剪切應力曲線

Bingham模型為線性擬合模型,因其表達式(見式(1))簡潔,且能滿足實際工程對注漿材料流變參數的確定,因此成為使用最為廣泛的擬合模型[16-20]。

τ=τ0+μγ

(1)

式中:τ為剪切應力,Pa;τ0屈服應力,Pa;μ為塑性黏度,Pa·s;γ為剪切速率,s-1。

雖然新拌水泥基材料在大多數情況下表現出線性的流變模型,但是隨著外加劑和礦物摻合料的加入,可能會逐漸呈現非線性的流變性能[11,21]。對于水泥基材料非線性流變曲線擬合,Modified Bingham模型更適用。Modified Bingham模型是非線性擬合模型,被廣泛應用于水泥基材料的流變性能研究[22],表達式如式(2)所示。

τ=τ0+μγ+cγ2

(2)

式中:c為擬合常數。

采用Bingham和Modified Bingham模型分別對注漿材料的剪切應力曲線進行擬合,結果如圖8所示。對于純水泥注漿材料,Bingham和Modified Bingham模型都具有很高的擬合性(R2>0.990)。然而,隨著改性劑的加入,如圖8(b)所示,注漿材料呈非線性的流變曲線,Bingham模型的擬合性下降,并且在注漿材料塑性黏度較小時出現屈服應力為零的現象,而Modified Bingham模型仍具有良好的擬合效果(R2>0.990)。除有特別說明外,之后的分析皆采用Modified Bingham的擬合結果。

圖8 Bingham模型與Modified Bingham模型的擬合結果

2.4 塑性黏度

塑性黏度反映在剪切力作用下材料變形速度的快慢,在相同剪切力作用下,材料的流動速度越快,流動度越大[23]。不同水膠比注漿材料的塑性黏度如圖9所示。注漿材料的塑性黏度均隨著水膠比的提高逐漸降低。在W/B=0.25時,摻20% SX-ZJ-Z注漿材料的塑性黏度為3.79 Pa·s,比基準組高68.6%;摻10% SX-ZJ-Z注漿材料的塑性黏度為2.83 Pa·s,比基準組高25.9%。顆粒表面吸附水的量為固定值,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]。當W/B=0.25時,推測沒有多余的自由水形成水膜,并且根據2.1節的結論,SZ-ZJ-Z的摻入顯著降低了注漿材料的凝結時間,加速了水泥的水化并形成絮凝結構,使得注漿材料的塑性黏度增大[23]。當W/B≥0.30時,摻入20%SX-ZJ-Z注漿材料的塑性黏度和基準組相近,而摻10%SX-ZJ-Z注漿材料的塑性黏度略低于基準組。推測為水灰比的提高使得體系中有足夠的自由水形成水膜,此時水灰比為控制塑性黏度的主要因素,因此塑性黏度相似。

添加SX-ZJ-G能大幅降低注漿材料的塑性黏度,但20%摻量相對于10%摻量影響變化很小。當W/B=0.25、0.30、0.35和0.40時,添加SX-ZJ-G的注漿材料塑性黏度比基準組分別降低了91.6%、90.7%、89.8%和96.5%。一方面,可能是由于SX-ZJ-G中的粉煤灰并沒有參與水化,從而增大了有效水灰比,改善了流變性,使得塑性黏度下降[12]。另一方面,SX-ZJ-G的粒徑比水泥顆粒更小,可以填充水泥顆粒之間的空隙,釋放出孔隙水,增加體系中的自由水,使得水膜厚度增加,改善材料的流變性,導致塑性黏度下降[6]。此外,SX-ZJ-G的顆粒大多呈球形,可以在注漿材料中起到“滾珠”作用,克服SX-ZJ-G和水泥顆粒之間的內摩擦,減少絮凝結構的團聚并釋放水分,從而降低材料的塑性黏度[14]。

2.5 屈服應力

屈服應力(動態屈服應力)是維持材料流動所需的剪切力,當材料受到的剪切力低于該值時,流動狀態逐漸停止,它是材料在重力作用下填充模具能力的最相關參數[24]。一般來說屈服應力越大,流動度越小。圖10為不同水膠比注漿材料的屈服應力。隨著水膠比的增加,各組注漿材料的屈服應力均逐漸下降。摻入SZ-ZJ-Z注漿材料的屈服應力與基準組相近。當流動度相似時,屈服應力值相差不大,和本試驗結果相符[8]。摻入10%和20%SX-ZJ-G注漿材料的屈服應力幾乎相同,當W/B=0.25、0.30、0.35、0.40時,較基準組的分別降低了95.4%、95.5%、92.8%、94.7%。Brown等[25]研究表明固體顆粒懸浮液存在一個臨界剪切增稠應力閾值,當體系的屈服應力小于此閾值時,會出現剪切稠化現象。SX-ZJ-G的摻入顯著降低了體系的屈服應力,使得屈服應力小于臨界剪切增稠應力的閾值,結合圖7可知流變曲線表現出了剪切稠化(表觀黏度,即流動曲線上點到原點的斜率,隨剪切速率的提高而增加)的現象。

3 結 論

1)添加SX-ZJ-G顯著延長了注漿材料的凝結時間,而添加SX-ZJ-Z會縮短注漿材料的凝結時間。摻入20% SX-ZJ-Z注漿材料在W/B=0.25、0.30、0.35、0.40條件下的初凝時間較基準組分別縮短了57.9%、71.8%、51.4%和48.9%。

2)摻入SX-ZJ-G能夠大幅提高注漿材料的流動性,主要源于SX-ZJ-G的球狀形態能發揮“滾珠”效應,但添加SZ-ZJ-Z對注漿材料流動性幾乎沒有影響。

3)隨著兩種注漿改性劑的加入,注漿材料由牛頓流體轉變為應力屈服流體,可以觀察到剪切稠化現象。注漿材料呈現出非線性的剪切應力曲線,Bingham模型的擬合效果較差,而Modified Bingham模型具有良好的擬合效果。

4)摻入20%的SX-ZJ-Z提高了注漿材料的塑性黏度,最大增幅可達68.6%(W/B=0.25),但屈服應力基本不變;摻入10%SX-ZJ-Z時,塑性黏度增幅則可達25.9%。然而,添加SX-ZJ-G明顯降低了注漿材料的塑性強度和屈服應力,最大降幅分別可達96.5%和95.5%。

5)煤礦巷道的注漿防水和煤層巖體加固等工程建議使用10%摻量的SX-ZJ-G;巷道頂部等需要快速加固的部位建議使用20%摻量的SX-ZJ-Z。

6)兩種改性劑SX-ZJ-G和SX-ZJ-Z對注漿材料硬化性能和水化機理的影響有待進一步研究。