膨润土膨化前后对水泥基净浆浆液稳定性影响分析

舒计城, 马晓斌, 孙旭涛, 林志宇, 王士民

(1. 中铁十四局集团大盾构工程有限公司,江苏南京 211800;2. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室,四川成都 610031)

0 引言

盾构法由于具有对周围环境影响小、对复杂地质条件的适应性强、施工安全快速等特点,已成为大量城市地铁、越江或跨海水下隧道修建的首选施工方法。同步注浆作为填充盾尾间隙、稳固地层的重要工艺,注浆过程中所需的浆液需有较好的稳定性以及较好的流动性等。

然而,在近年来盾构隧道穿越地层日趋复杂,常常会遇到诸如高渗透性地层、富水岩溶环境、以及裂隙发育的富水岩质地层等富水环境。在这种特殊的地层环境下,盾尾间隙被地下水充填,极易造成同步注浆作业时因浆液被地下水稀释而引起注浆圈长时间不胶凝的问题,更有甚者会出现注浆体随地下水流散、胶凝材料被地下水稀释流失等严重风险,这将给盾构隧道整体结构带来很大的安全隐患。因此,针对同步注浆浆液在富水地层条件下离析、胶凝材料流失、胶凝体不密实等抗水分散性能问题,需对现有的同步注浆浆液性能进行提升,在保证原有浆液流动性、稳定性、胶凝时间、后期强度等性能前提下,提高其抗水分散性,以期获得一种工作性能优良、成本低廉的水抗水分散同步注浆浆液。

膨润土作为一种国内外配制砂浆液普遍采用的添加材料,通过吸水膨胀可形成絮凝物,提高浆液粘度,从而起到稳定浆液的作用,但目前针对膨润土对水泥浆液稳定性方面的研究较少。水泥浆液稳定性可通过析水性直观描述,相关试验表明膨润土能降低水泥浆液析水性,提高其稳定性[1]。朱艳等[2-4]采用室内试验的方法研究膨润土对水泥砂浆的作用机理,试验结果表明:加入膨润土的砂浆粘滞性更大,稳定性更好。费子豪等[5-7]改变膨润土的掺量分析膨水比对水泥浆液析水率与流动度的影响,结果表明:随着膨润土掺量的增大,浆液流动度及析水率都有显著降低。

相比于膨化后膨润土,未膨化的膨润土由于与水接触的时间短,其溶水膨胀性未能得到充分发挥,使得膨化前后膨润土分别与胶凝材料作用机理存在一定差异,对水泥浆液稳定性影响也不同。有鉴于此,采用室内试验的方法,系统分析膨化前后膨润土对浆液稳定性的影响规律,为今后注浆工程制备稳定浆液提供参考。

1 膨润土作用机理

膨润土在改善浆液稳定性、保水性、抗分散性等方面具有良好的效果。膨润土的主要成分是蒙脱石和少量碱及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物(Nax(H2O)4{(Al2-xMg0.33)[ Si4O10](OH)2})[3]。蒙脱石颗粒溶于水后,由于颗粒的不规则性和颗粒晶体表面存在多种电荷,使得颗粒在水中产生较大的吸附力[2-3]。同时,膨润土溶于水后能够吸水膨胀形成大量絮状物,并相互搭接形成网状结构,使得大量自由水装换为网状结构束缚水,增加溶液体系的粘性[9]。在吸附力及膨润土颗粒自身粘结性作用下,胶凝材料颗粒能够被吸附形成膨润土颗粒表面包裹层。在膨润土的溶水膨胀性、离子交换性、粘结性、吸附性一系列作用下,浆液体具有很强粘滞性,其稳定性也得到整体提升[3]。

其中,膨润土的吸水膨胀性与膨润土的吸水率以及蒙脱石颗粒含量、比表面积有关。膨润土吸水率随着膨润土吸水时间而降低,在到达平衡含水量以后,其吸水率几乎为零[9]。膨润土中蒙脱石颗粒含量决定可交换的离子浓度,蒙脱石含量越高,晶层中离子浓度越高,其离子交换速率越快,膨润土的水合平衡也就越快;同时,蒙脱石的比表面积越大,离子交换量越多,膨润土吸水膨胀速率也越快[10-12]。因此,膨润土含量一定情况下,吸水膨胀时间是膨润土膨化程度的决定性因素,对膨润土的性能会产生很大影响。

2 试验方案设计

2.1 试验材料

本试验及后续试验中所使用基本材料:

(1)水泥。本试验采用标号为P.O 42.5的普通硅酸盐水泥,厂方为燕新控股集团。

(2)膨润土。膨润土细度200目,水分10%,膨胀倍数10 ml/g。

2.2 试验分组设计

试验过程中,固定浆液水灰比为3∶1,改变膨化前后膨润土的膨水比,设计8组实验组。具体试验方案如表1所示。

表1 膨化前后膨润土试验配比

膨润土膨化方法:将膨润土加入蒸馏水中制成悬浮液,采用浆液搅拌机以2 000 r/min搅拌悬浮液5 min,静置24 h后使膨润土完全膨化。

2.3 评价指标及测试方法

在试验过程中发现,膨润土对浆液稳定性的影响主要通过泌水率和粘度2个指标来表明。

2.3.1 泌水率

浆液泌水率反映的是浆液中水与胶凝材料之间分离特性,宏观上反映为浆液的保水性能,泌水率越大,越容易出现砂粒下沉、砂与浆体分离等情况,进而引发堵管问题。因此泌水率是同步注浆浆液稳定性的重要指标。本试验中泌水率试验参照TB/T 3192-2008 《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》进行,测定方法:

将拌和均匀的水泥浆液缓慢注入1 000 ml的量筒内,当浆液液面位于900 ml±10 ml时停止注入,并用塑料薄膜覆盖量筒口,以免浆液中的水分蒸发。然后将装有浆液的量筒置于水平、无振动的桌面上静置,并记录开始静置的时间。待静置起30 min后,每隔5 min观测一次离析水高度h1,以及浆液浆体膨胀面高度h2,直至h2高度不再变化,然后按照式(1)计算泌水率:

泌水率(%)=(h1-h2)/h1×100%

(1)

泌水率取3个试样测值的平均值,泌水率的测试如图1所示。

图1 泌水率的测定

2.3.2 粘度

粘度也可以称为黏度,是指流体对流动所表现的阻力。本次泥浆粘度测试使用1006型泥浆粘度计对膨润土浆液进行泥浆粘度测试(应用于工程中的浆液粘度应小于100 s),如图2所示,对每个浓度泥浆进行3次测试,具体测定方法:

图2 粘度的测定

(1)测定粘度之前,泥浆粘度计用水冲洗干净,泥浆搅拌1 min,量杯将500 ml及200 ml(共计700 ml)的泥浆通过筛网注入粘度计,其流出口用手指堵住不使流出。

(2)测量时将500 ml的量杯置于流出口下方,当放开堵住出口的手指时,同时开动秒表,泥浆流满500 ml量杯所需的时间即为泥浆的粘度。

3 试验结果分析

3.1 浆液泌水率

膨化前后膨润土-水泥浆液拌合均匀1 h后,泌水率试验结果如图3所示。

图3 膨化前后膨润土对浆液泌水率影响试验结果

由图3可知,膨化前后膨润土对浆液泌水率影响趋势相同,膨化后膨润土对降低浆液泌水率效果略好。随着膨水比的增大,浆液泌水率都逐渐减小;膨水比由2%提升至4%时,浆液泌水率减小较为显著,在膨水比达到4%以后,浆液泌水率减小幅度逐渐降低。

为了进一步探究膨化前后膨润土对浆液泌水率的影响规律,依照式(1)计算浆液泌水率,计算结果曲线如图4所示。

图4 膨化前后膨润土对浆液泌水率影响曲线

相比于未膨化膨润土,膨化后的膨润土吸水膨胀倍数更大,使得更多的自由水转化换为网状结构束缚水,溶液体系的粘性更强,因此相同膨水比条件下经24 h膨化后的膨润土水泥浆液泌水率更小,如图4所示。当膨水比为4%时,相比未膨化膨润土,膨化后膨润土水泥浆液30 min、1 h泌水率分别减少4%和4%。但膨水比介于6%～8%时,未经膨化和膨化后膨润土水泥浆液的泌水率相差不大,尤其是当膨水比为8%时,2种状态下膨润土水泥浆液泌水率均未超过1%。

3.2 浆液粘度

根据试验结果,不同膨水比条件下,膨化前后膨润土-水泥浆液粘度试验结果曲线如图5所示。

图5 膨化前后膨润土对浆液粘度影响曲线

分析图5可知,膨化后膨润土悬浮液相比未膨化膨润土悬浮液的粘度增大,最大增大幅度为6.2%。随着膨水比增大,2种状态膨润土悬浮液粘度都呈逐渐增大的趋势,但增大幅度都较小。当膨水比为8%时,2种状态下膨润土悬浮液粘度分别相对膨水比为2%时提升4.2%和5.3%。

当加入水泥以后,膨润土中的蒙脱石颗粒能对水泥颗粒产生较大的吸附力,同时又由于膨润土悬浮液具有较大的粘性,膨润土颗粒吸附在水泥颗粒表面形成包裹层,使浆液具有很强的粘滞性。随着膨水比的增大,浆液体的粘滞性提升效果较显著,当膨水比为8%时,未膨化膨润土水泥浆液相比未膨化膨润土悬浮液粘度提升28.6%。同时,膨化后膨润土水泥浆液相对未膨化膨润土水泥浆液粘度提升也较大,当膨水比为6%时,浆液粘度提升12.2%。

4 结论

本文通过室内试验研究不同膨水比下膨化前后膨润土对浆液稳定性影响,得出几点结论:

(1)膨化后膨润土水泥浆液泌水率性能优于未膨化膨润土,但效果有限,当膨水比为8%时,2种状态下膨润土水泥浆液泌水率均未超过1%。

(2)膨化后膨润土水泥浆液粘度相比未膨化膨润土提升较大,随着膨水比的增大,膨化后膨润土水泥浆液粘度提升更显著。

(3)在不膨化条件下通过增加膨润土掺量液可达到膨化后相同的效果,又考虑到膨化后浆液流动性更小,且需要占用大量膨化场地,建议实际工程中膨润土不膨化使用。