特种水泥快速修补材料在远距离调水工程中的应用前景研究

2021-03-31王群

水利技术监督 2021年3期

王群

(山东省调水工程运行维护中心烟台分中心，山东烟台 264000)

随着我国的经济快速发展，地区均衡发展成为我国重点关注的问题，远距离调水工程就是为了支援发展较为落后的地区所建设的重要工程[1- 2]。随着远距离调水工程逐渐发展壮大，也面临着工程需要不断维护和修补的情况，对于水利工程的修补工作，材料的选择和使用是其中重要的步骤，因此也得到了很多学者的研究[3- 5]。

现有的研究表明，常见的水利工程修补材料主要包含3类：第1类主要是以硅酸盐水泥为代表的无机水泥材料，水泥材料具有强度较高、价格合理及施工方便等优势[6- 7]。第2类是以沥青为主要原材料的有机材料，该类材料具有施工快捷简便的优势，但是同时也存在修补位置材料融合性差，长期耐久性不足等缺点[8- 9]。第3类是有机聚合物材料，这类材料最突出的缺陷就是早期强度低和耐久性差[10]。综合上述的分析可以看出，无机材料的优势较为突出，应用也较为广泛，但是随着使用环境的复杂化，原有的普通硅酸盐水泥很难满足部分调水工程需要快速修补的需求，速凝早强的硅酸盐水泥虽然能满足快速凝结的效果，但是浓度控制是目前面临的重要难点[11]。

基于上述分析，许多学者对早强硅酸盐水泥进行了改性研究，通过改性拓展了早强硅酸盐水泥材料的使用范围，同时也扩展了调水工程修补材料的选择范围。本文通过研究改性早强型硅酸盐修补材料的强度和流动性等参数，为特种水泥快速修补材料在远距离调水工程中的应用前景提供理论依据。

1 试验设计

1.1 材料配比

本次试验用的水泥材料主要是早强硅酸盐水泥和一些辅助类材料(含铁、铝和硅的原料)、黏土以及外加剂(矿化剂和耐磨剂)，它们的比例分别为80%、5%、10%和5%。早强硅酸盐水泥和黏土的主要成分见表1。

表1 早强硅酸盐水泥和黏土主要成分

1.2 试验设计

本次试验所用的搅拌机为手持式电动搅拌机，首先将原材料倒入搅拌桶混合4min，随后向桶中倒入25℃左右的水，继续搅拌4min，从而获得了具有流动性质的基材。在此基础上，向桶中缓慢加入黏土，加入时间控制在5min左右，加入完成过后，继续搅拌4min。搅拌中的复合早强硅酸盐水泥如图1所示。

图1 复合早强硅酸盐水泥搅拌图

首先，在搅拌完成后，对复合早强硅酸盐水泥的凝结时间和流动性进行了测试；其次，为了研究水胶比对复合早强硅酸盐水泥强度的影响，将搅拌好的不同水胶比复合早强硅酸盐水泥浇筑到15cm×15cm×15cm模具中，浇筑完成12h后脱模，养护3d和28d后进行3d和28d抗压强度试验。最后，对比研究了复合早强硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥在不同龄期下的抗压强度和凝结强度随时间的变化规律。

2 试验结果分析

2.1 水胶比影响分析

复合早强型硅酸盐水泥水胶比对其流动性和强度等影响较为显著，为了得出最佳的水胶比，研究不同水胶比复合早强型硅酸盐水泥试样在3d和28d的抗压强度，结果如图2所示。从图中可以看出，相同水胶比下，试样在28d时的强度明显高于在3d时的强度；在相同龄期下，试样的强度随着水胶比的增大而降低，且几乎成线性的趋势；随着水胶比的增大，第28d较第3d的强度增长率有所下降。当水胶比为0.18时，第3d和第28d的强度分别为53MPa和76MPa，即第3d时强度约为第28d时强度的70%；当水胶比为0.39时，第3d和第28d的强度分别为31MPa和47MPa，即第3d时强度约为第28d时强度的65%。以上分析说明水灰比对早强硅酸盐水泥的抗压强度影响较为显著。

图2 不同水胶比及龄期的试样抗压强度曲线

2.2 凝结时间与流动性分析

复合早强型硅酸盐水泥凝结时间与流动性对其注浆修补时的影响较大，因此研究了不同水胶比下复合早强型硅酸盐水泥凝结时间与流动特性，结果如图3所示。从图中可以看出，随着水胶比的增大，水泥的流动性和凝结时间均明显增大，且凝结时间能控制在20min以内，根据以往的研究可知[10]，当水胶比大于0.35时，普通硅酸盐水泥的凝结时间在100min以上，流动性也在100mm左右。因此，与普通硅酸盐水泥相比，复合早强型硅酸盐水泥在具备更加良好的流动性条件时，还能具备快速凝结的优势，对于其在水利工程中进行修补使用具有良好的保障。

图3 不同水胶比的复合早强型硅酸盐水泥凝结时间与流动性

2.3 龄期对强度影响分析

水泥材料的抗压强度和凝结强度指标对其在水利工程中的应用具有重要的参考价值，通过对比分析复合型早强硅酸盐和普通硅酸盐水泥的抗压强度和凝结力，试验结果如图4所示。

从图4(a)中可以看出，在28d的龄期内，2种水泥材料的抗压强度均随着龄期的增加逐渐增大，且均表现为前面龄期时强度增加快，后面表现很平稳，几乎不增长。但是复合早强型硅酸盐水泥抗压强度增长主要发生在前7d，而普通硅酸盐水泥抗压强度增长主要发生在前22d，即复合早强型硅酸盐水泥前期强度增长快，但是到达28d过后，两者的强度相差很小，早期复合早强型硅酸盐水泥抗压强度较普通硅酸盐水泥高35MPa左右，而到达28d后，两者的抗压强度只相差了5MPa左右，说明复合早强型硅酸盐水泥较普通硅酸盐水泥具有早强的特性。

图4 2种水泥抗压强度和凝结强度与龄期的关系曲线

从图4(b)中可以看出，在28d的龄期内，2种水泥材料的凝结强度均随着龄期的增加逐渐增大，与抗压强度相似，复合早强型硅酸盐水泥凝结强度增长主要发生在前10d，而普通硅酸盐水泥抗压强度增长主要发生在前24d，即前者水泥材料凝结强度增长较快。在相同龄期下，复合型早强硅酸盐水泥比普通的硅酸盐水泥凝结强度更高，且前期两者的凝结强度差距较大，后期有所降低，说明复合早强型硅酸盐水泥更加适合作为修补材料使用。

综合上述分析可知，水胶比对复合早强型硅酸盐水泥的强度、流动性和凝结时间等均具有较大的影响，现场应用时可根据实际情况进行水胶比的选取；对比分析复合早强型硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥可知，复合早强型硅酸盐水泥具有更优异的流动性和凝结强度，且还具有速凝早强的特点，因此更加适合作为水利工程修补材料使用。