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(xué)土木與交通工程學(xué)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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)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(fā)生[1]。注漿技術(shù)因具有對施工影響小、節(jié)約資源、環(huán)境友好等優(yōu)點,在工程施工過程中得到廣泛的應(yīng)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(wěn)定性差、流動性差、凝結(jié)時間不可調(diào)等缺點,因此在工程中一般使用復(fù)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(jié)果表明合適的流變性能可以提高注漿的質(zhì)量。Li等[6]將超細循環(huán)流化床粉煤灰摻入水泥漿體中來研究其流變性能,當(dāng)摻量少于30%(文中均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))時,粉煤灰-水泥漿料的流變性能優(yōu)于純水泥漿料,且當(dāng)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(zhuǎn)變?yōu)橛坞x水,從而改善流動性。硅灰會在水化早期開始反應(yīng),且其較大的比表面積增加了需水量,使得屈服應(yīng)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(dāng)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(yīng)力和塑性黏度,但屈服應(yīng)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(yīng)力和塑性黏度,但是會降低材料的抗壓強度,因此設(shè)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(fù)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(diào)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(jié)時間、流動度、塑性黏度和屈服應(yīng)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(jù)。

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(xué)科技發(fā)展有限公司,水泥和改性劑的主要化學(xué)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(xué)組成

對兩種改性劑的微觀形貌進行了表征,結(jié)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(guī)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(zhǔn)組,水膠比(W/B)分別為0.20、0.25、0.30、0.35、0.40。參考《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)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(jié)時間

按照《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)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(zhì)性試驗方法》(GB/T 8077—2012)規(guī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)果取平均值,根據(jù)Campos等[11]研究,下行段數(shù)據(jù)較上行段數(shù)據(jù)有更好的擬合結(jié)果,因此采用下行段數(shù)據(jù)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(jié)果與討論

2.1 凝結(jié)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(jié)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(dāng)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(dāng)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(zhǔn)組的分別縮短了36.8%和34.3%,但W/B=0.35和0.40時,與基準(zhǔn)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(zhǔn)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(jié)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(dāng)取代量在20%以下時,隨硫鋁酸鹽水泥摻量的提高,凝結(jié)時間縮短,但取代量在20%以上時,凝結(jié)時間變化不明顯,符合本文試驗現(xiàn)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(guī)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(jié)時間,而添加SX-ZJ-Z會縮短注漿材料的凝結(jié)時間,在實際工程中可以根據(jù)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(dāng)摻量為10%時,其流動度和基準(zhǔn)組的相同;當(dāng)摻量為20%時,其流動度在W/B=0.40的條件下較基準(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)組提高了233.3%、283.3%、315.4%和205.2%;當(dāng)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(dāng)W/B=0.40時,其流動度超出測試范圍),與基準(zhǔn)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(tài)(見圖2(a))能夠發(fā)揮“滾珠效應(yīng)”[14]。

圖6 不同水膠比注漿材料的流動度

2.3 剪切應(yīng)力

圖7為不同水膠比注漿材料的剪切應(yīng)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(yīng)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(yīng)力。同時,隨著改性劑的摻入,注漿材料也由牛頓流體轉(zhuǎn)變?yōu)榍?yīng)力流體,出現(xiàn)剪切稠化(即表觀黏度隨剪切速率的增長而增加)現(xiàn)象[15]。

圖7 不同水膠比注漿材料的剪切應(yīng)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(shù)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(yīng)力,Pa;τ0屈服應(yīng)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(shù)情況下表現(xiàn)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(xiàn)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(yīng)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(shù)。

采用Bingham和Modified Bingham模型分別對注漿材料的剪切應(yīng)力曲線進行擬合,結(jié)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(xiàn)屈服應(yīng)力為零的現(xiàn)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(jié)果。

圖8 Bingham模型與Modified Bingham模型的擬合結(jié)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dāng)W/B=0.25時,推測沒有多余的自由水形成水膜,并且根據(jù)2.1節(jié)的結(jié)論,SZ-ZJ-Z的摻入顯著降低了注漿材料的凝結(jié)時間,加速了水泥的水化并形成絮凝結(jié)構(gòu),使得注漿材料的塑性黏度增大[23]。當(dāng)W/B≥0.30時,摻入20%SX-ZJ-Z注漿材料的塑性黏度和基準(zhǔn)組相近,而摻10%SX-ZJ-Z注漿材料的塑性黏度略低于基準(zhǔn)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(dāng)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(zhǔn)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(dǎo)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(nèi)摩擦,減少絮凝結(jié)構(gòu)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(yīng)力

屈服應(yīng)力(動態(tài)屈服應(yīng)力)是維持材料流動所需的剪切力,當(dāng)材料受到的剪切力低于該值時,流動狀態(tài)逐漸停止,它是材料在重力作用下填充模具能力的最相關(guān)參數(shù)[24]。一般來說屈服應(yīng)力越大,流動度越小。圖10為不同水膠比注漿材料的屈服應(yīng)力。隨著水膠比的增加,各組注漿材料的屈服應(yīng)力均逐漸下降。摻入SZ-ZJ-Z注漿材料的屈服應(yīng)力與基準(zhǔn)組相近。當(dāng)流動度相似時,屈服應(yīng)力值相差不大,和本試驗結(jié)果相符[8]。摻入10%和20%SX-ZJ-G注漿材料的屈服應(yīng)力幾乎相同,當(dāng)W/B=0.25、0.30、0.35、0.40時,較基準(zhǔn)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(yīng)力閾值,當(dāng)體系的屈服應(yīng)力小于此閾值時,會出現(xiàn)剪切稠化現(xiàn)象。SX-ZJ-G的摻入顯著降低了體系的屈服應(yīng)力,使得屈服應(yīng)力小于臨界剪切增稠應(yīng)力的閾值,結(jié)合圖7可知流變曲線表現(xiàn)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(xiàn)象。

3 結(jié) 論

1)添加SX-ZJ-G顯著延長了注漿材料的凝結(jié)時間,而添加SX-ZJ-Z會縮短注漿材料的凝結(jié)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(zhǔn)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(tài)能發(fā)揮“滾珠”效應(yīng),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(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力屈服流體,可以觀察到剪切稠化現(xiàn)象。注漿材料呈現(xiàn)出非線性的剪切應(yīng)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(yīng)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(yīng)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。