李必良,裴向军

(1.绵阳市水利规划设计研究院,四川省绵阳市 621000；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

文章编号：1006—2610(2015)01—0088—04

可控水泥浆实验研究

李必良1,裴向军2

(1.绵阳市水利规划设计研究院,四川省绵阳市 621000；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

针对结构面发育、裂隙开度大的岩体，使用常规的水泥浆、砂浆等材料灌注加固困难的问题，拟采用水泥基新型灌浆材料拌制可控水泥浆，通过设计“三因素、三水平”的室内正交试验方案，筛选出适宜破碎、裂隙开度较大岩体灌注的配合比，探讨可控水泥浆的可行性。实验数据表明，与常规水泥浆参数对比，可控水泥浆具有初始流动性好，可泵时间、初凝时间、终凝时间可调控，龄期强度比普通水泥浆强度高等特点，可根据不同的地质条件，调整各掺料的配比，达到岩体加固的目标。

岩体结构;控制；水泥浆;正交试验;抗压强度

0 前 言

受地质构造、风化、卸荷等作用，岩体结构遭受破坏，裂隙开度一般大于0.5 mm，在高深峡谷区斜坡岩体结构面开度更大，在此类岩体中进行灌注加固，往往灌注量大，造成漏浆、返浆困难，灌浆加固达不到预期效果。常规水泥浆水化过程、黏度随时间变化较缓慢，可泵时间一般通过调节水灰比、掺砂等方式调节，目前，国内对快速凝结、充填作用的水泥灌注浆的研究，主要有：速凝型水玻璃和水泥配成胶质水泥浆[1]、外加剂泡沫水泥浆[2]、超细水泥浆加外加剂[3]、水泥浆中加入SDJR胶乳[4]或丁苯胶乳[5]等胶乳水泥浆体系、纤维[6]及橡胶粉[7]水泥浆、复合材料的改性水泥浆体系[8]、黏土水泥浆[9]、加入稳定剂的水泥浆[10]；这些不同类型的水泥浆作用机理不同，适宜灌注不同结构的岩体。但对于裂隙(缝)开度>5 mm的岩体，一般的水泥浆的可泵时间、凝结时间都较长，无法在有效时间内充填裂隙，而速凝、早强型水泥浆可以快速充填裂隙，但其凝结速度难以控制，后期强度偏低，直接影响水泥浆的扩散范围[11]。因此，为有效合理、因地制宜、提高工程质量和速度、达到节约材料的目标，以水泥为基材，掺入新型助剂材料，开展可控水泥浆室内实验研究。

1 实验机理及思路

影响常规水泥浆性能的主要因素在于含矿物成分的种类、含量、水泥的细度。拌制时，水泥中的主要矿物硅酸二钙和硅酸三钙与水发生水化反应，产生水化硅酸钙(C-S-H凝胶)；铝酸三钙迅速水化先生成介稳状态的水化铝酸钙，在CaSO4存在的条件下，反应形成三硫型水化硫铝酸钙(钙矾石)[12]；铁相固溶体(铁铝酸盐)的水化速度较缓慢、水化热较低，反应缓慢、不明显。

以常规的水泥水化原理为基础，以λ=0.6水泥浆为基浆，掺加膨润土、合成纤维素类溶剂(助剂1号)、合成钙硅质早强剂(助剂2号)、酰胺类稳定性调节剂(助剂3号)，配制可控水泥浆[13]。首先依次掺入膨润土、助剂1号纤维素类有机材料，起稳定调和作用，为后期材料的掺入形成充分反应条件，迅速加入助剂2号，使水泥颗粒化学组份迅速参与反应，并在水泥颗粒之间反应生成大量致密的胶结物，最后加入助剂3号，根据不同工程地质条件需要可有效调节反应过程，整个拌制过程形成“较快-较慢-快-逐渐释放反应速度”的反应过程。

配制出的这种水泥浆初始流动性好，黏度、凝结时间可根据不同地质条件的岩体结构对配合比进行调节，最终通过测定水泥浆的可泵时间、初凝时间、终凝时间、后期强度等参数，筛选出可泵时间较长，初凝、终凝时间较短的配合比。

2 实验材料

采用PO.42.5普通硅酸盐水泥、水、膨润土、助剂1号、助剂2号、助剂3号。

3 正交试验设计及分析

3.1 实验方案

通过前期对可控水泥浆灌浆材料实验性拌制过程及反应程度的影响分析：助剂1号主要起稳定调和的作用，对浆液性能影响程度不大，设定其掺量为0.33%(与水泥质量比)不变；略去次要因素，主要对膨润土、助剂2号、助剂3号三因素进行考察。对正交试验范围内每个因素分别选取3个水平(如表1所示)，以期获得可泵时间最长、初凝、终凝时间最短的方案。

表1 试验正交表L9 (33)

3.2 正交试验成果及极差分析

水灰比设置为0.6，水泥掺量为3 000 g、按照“三因素、三水平”的正交试验表进行实验，如表1所示。“膨润土”、“助剂2号”、“助剂3号”为3个因素；3个不同等级的掺量为因素的3个水平，将助剂1、2、3号分别配置成10%、25%、10%的溶液，在λ=0.6普通水泥浆基础上，依次加入膨润土、助剂1、2、3号的溶液，拌制可控水泥浆，测试各参数指标，实验成果数据填入表2中，测试结果极差分析见表3。

表2 正交试验成果表

结合表2、3可以看出：

(1) 膨润土对各参数的影响。对可泵时间、初凝时间、终凝时间3个参数而言，因素膨润土的极差都不是最大，即膨润土不是影响的最大因素，膨润土取4.17%最好。

(2) 助剂2号对各参数的影响。对初凝时间和终凝时间而言，极差都是最大的，可以说，助剂2号是最大的影响因素；对初凝时间而言，助剂2号取2.0%最好；而对终凝时间而言，取2.0%亦好。助剂2号的掺量在2%～2.67%之间极差处于上升值；对可泵时间而言，助剂2号取3.33%时，极差最大，不利于拌制理想可泵时间的浆液，当取2.0%时，极差处于适度，调整范围在2%～2.67%。

表3 测试结果极差分析列表

(3) 助剂3号对各参数的影响。对初凝时间和终凝时间而言，极差都不是最大的，助剂3号因素不是最大的影响因素；对可泵时间而言，助剂3号是最大的影响因素；而对初凝、终凝时间而言，助剂3号分别为一般和最小的影响因素，为了和助剂2号的掺量配合达到可泵时间最大的效果，助剂3号取0.67%～0.83%最好。

通过正交试验的范围锁定，A1B1C3为较好的实验方案，其配合比为：

水∶水泥∶膨润土∶助剂1号∶助剂2号∶助剂3号=0.6∶1∶0.033∶0.0033∶0.02∶0.0083。

3.3 影响因子分析

保持水灰比λ=0.6不变，以正交试验成果为基础，调整影响因素的掺量，分析各掺量影响情况如下。

(1) 助剂1号对水泥浆的影响

通过实验前期阶段测试助剂1号对水泥浆的影响分析判断，助剂1号主要起稳定调和的作用，对浆液性能影响程度不大。

(2) 膨润土对水泥浆影响

通过前述正交试验结果，膨润土对水泥浆影响小，不起主导作用。

(3) 助剂2号掺量对水泥浆性质的影响

图1 助剂2号加量对水泥浆参数的影响曲线图

其余掺量不变，增减助剂2号的掺量，测定其对水泥浆的可泵时间、初凝时间、终凝时间主要参数值的影响，其影响曲线如图1所示：当助剂2号掺量逐渐增加，曲线陡降，到掺量约为2%时，曲线均具有最小值，随着掺量继续增加，纵坐标数值缓慢地增加，整个曲线呈现下凹形抛物线。可以得出，助剂2号掺量最小值为1.33%～2.67%，处于这一值时，可泵时间、初凝时间、终凝时间最短。

(4) 助剂3号对水泥浆性质的影响

助剂2号、助剂3号对水泥浆液性质影响很大，保持助剂2号掺量为2%及其余掺量不变，增减助剂3号掺量并测试其对水泥浆的影响，如图2所示。当助剂3号掺量逐渐增加，可泵时间略微增长，当掺量为0.33%时，达到最大，随掺量继续增加，可泵时间缓慢地减小；初凝、终凝时间随助剂3号掺量影响曲线呈似下凹形抛物线，先急剧减小，达到最小值后，逐渐缓慢增长。可以看出，当助剂3号掺量在0.33%～0.56%时，凝结时间有最小值。

图2 助剂3号加量对水泥浆参数的影响曲线图

4 实验对比及分析

为了探讨可控水泥浆是否具有比常规水泥浆具有更大的潜力和优势，室内实验进行了同水灰比的常规水泥浆对比实验。

可控水泥浆和常规水泥浆测试结果，见表4。实验结果表明，可控水泥浆可泵时间1 h14 min，约是常规水泥浆的1/10；初凝时间4 h54 min，约是常规水泥浆的1/4；终凝时间6 h56 min，约是常规水泥浆的1/3；24 h抗压强度1.53 MPa，约是常规水泥浆的3倍；3 d龄期抗压强度8.7 MPa，约是常规水泥浆的2倍；7 d龄期抗压强度13.78 MPa，约是常规水泥浆的1.5倍；28 d龄期抗压强度22.5 MPa，约是常规水泥浆的1.3倍。

表4 对比试验成果表

从可泵—初凝—终凝的变化过程中，相同水灰比为λ=0.6的常规水泥浆达到凝结状态，所需时间长，而可控水泥浆所需时间短，稠化速度最快，在灌浆扩散过程中，沿张开度较大的裂隙流动过程中能快速凝结，且强度增长快，28 d抗压强度增幅近30%。

5 结 语

(1) 从室内正交试验成果可以看出，可控水泥浆具有可调性(通过调整掺入助剂含量的大小达到所需性状的水泥浆目标)，且掺量的微弱增加或减小就可对水泥浆性状影响较大；锁定了可泵时间较长，初凝、终凝时间较短的配合比。

(2) 分析膨润土、助剂2号、助剂3号3个因素分别对可控水泥浆的影响，得出：助剂2号、助剂3号为主要的影响因素，膨润土对水泥浆影响小。

(3) 与同水灰比常规水泥浆相比，可控水泥浆助剂掺量调节变化较小即可达到对水泥浆影响较大的效果，可调性强；实验结果表明，可控水泥浆可泵时间约是常规水泥浆的1/10，初凝时间约是常规水泥浆的1/4，终凝时间约是常规水泥浆的1/3；3 d龄期抗压强度约是常规水泥浆的2倍，7 d龄期抗压强度约是常规水泥浆的1.5倍，28 d龄期抗压强度约是常规水泥浆的1.3倍。

(4) 通过调整助剂2号、助剂3号的掺量，可配制不同可泵时间、初凝时间、终凝时间的水泥浆，对结构面发育、裂隙开度较大的岩体具有扩散半径可控的可行性，从而可以降低水泥浆浪费量，节约工程投资。

(5) 室内实验可控水泥浆表现出明显的优越性，为实际工程应用打下了基础。

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Study on Experiment of Controllable Cement Grout

LI Bi-liang1, PEI Xiang-jun2

(1.Mianyang Planning Design and Research Institute of Water Resources, Mianyang, Sichuan 621000, China;2. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610056, China)

For the rockmass with the developed structure planes and the big-opening fractures, it is difficult to reinforce them with conventional cement grout and cement mortar, etc. The new grouting materials based on cement are proposed to apply to mix the controllable cement grout. Through the scheme of the lab orthogonal tests designed according to Three Factors and Three Standards, the mix ratios suitable for the injection of the broken rockmass with the big-opening fracture are screened to explore the feasibility of the controllable cement application. The experiments prove that, compared with the parameters of the conventional cement grout, the controllable cement features good initial fluidity; controllable pumping period, initial setting period and final setting period; the higher age strength compared with that of the normal cement. Based on the different geological conditions, proportion of mixtures can be adjusted so as to consolidate the rockmass.

rockmass structure; control; cement grout; orthogonal test; pressive strength

2014-07-10

李必良(1983- )，男，四川省内江市人,研究生，主要从事水利水电工程地质工作.

TV41

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.023