摘要：本文分析了膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿液的作用機(jī)理及其影響。結(jié)果表明，膨潤(rùn)土較好的改善了水泥漿的粘度、析水率、分散性、保水性等工作性能，從而有利于提高灌漿效果。但同時(shí)隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，也會(huì)在一定程度上降低漿液的強(qiáng)度，因此在配制漿液時(shí)要綜合考慮膨潤(rùn)土對(duì)漿液的影響，根據(jù)實(shí)際工程選取合理的配比。
關(guān)鍵詞：膨潤(rùn)土；穩(wěn)定劑；粘度；析水率；漿液強(qiáng)度；保水劑；分層度
1. 引言
大壩基礎(chǔ)防滲帷幕灌漿和巖溶灌漿一般都采用多種水灰比的水泥灌漿，這種方法對(duì)漿體的稠度都是由稀變濃的加以控制，直到達(dá)到灌漿結(jié)束為止。常規(guī)灌漿最大的弊端是費(fèi)工費(fèi)時(shí)，浪費(fèi)漿材。因此，世界許多發(fā)達(dá)國(guó)家正積極發(fā)展水泥灌漿新技術(shù)和水泥穩(wěn)定漿材的研究，形成了用水泥灌漿新技術(shù)和水泥穩(wěn)定漿材解決復(fù)雜基礎(chǔ)處理的趨勢(shì)。
八十年代初日本首次研制出超細(xì)水泥漿材的濕式工法(WMC 工法)，此后許多國(guó)家相繼以超細(xì)水泥作為灌漿材料的研究[1，2]：在此基礎(chǔ)上我國(guó)于八七年研制成功了濕磨細(xì)水泥漿的灌漿新技術(shù)[3]；但是，因超細(xì)水泥成本高，每噸成本價(jià)都在2000 元以上，因此，限制了超細(xì)水泥在工程中的應(yīng)用。九十年代初，新的灌漿技術(shù)法開(kāi)始在工程中應(yīng)用，該法主要是通過(guò)添加膨潤(rùn)土來(lái)生產(chǎn)穩(wěn)定漿液，目前國(guó)內(nèi)外配制穩(wěn)定灌漿液普遍采用膨潤(rùn)土作穩(wěn)定劑，用膨潤(rùn)土配制的漿液穩(wěn)定性、可灌性、保水性、分散性一般都比較好，但是也有不少工程在灌漿過(guò)程中，由于漿液穩(wěn)定性和保水性不好出現(xiàn)了問(wèn)題，非但沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果，反而浪費(fèi)了很多漿材，造成了巨大損失。因此，本文著重介紹膨潤(rùn)土對(duì)砂漿溶液的影響，以便為今后配制穩(wěn)定漿液提供參考。
2. 膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿液的作用機(jī)理及其影響
膨潤(rùn)土[4](Bentonite)按譯音、成因及用途又稱(chēng)斑脫巖、膨土巖等。是以蒙脫石(也稱(chēng)微晶高嶺石、膠嶺石)為主要成分的粘土巖-蒙脫石粘土巖,常含少量伊利石、高嶺石及沸石、長(zhǎng)石、方解石等。蒙脫石為少量堿及堿土金屬的含水鋁硅酸鹽礦物。其化學(xué)式為Nax(H2O)4{(Al2～xMg0.33)[Si4O10](OH)2}。
2.1 膨潤(rùn)土的作用機(jī)理
膨潤(rùn)土是一種以蒙脫石為主要成分的粘土，因此，蒙脫石的品種和含量對(duì)膨潤(rùn)土的性能有很大的影響。蒙脫石是由2層Si—O四面體中間夾一層Al—(O ,OH)八面體為構(gòu)造單元組成的層狀硅酸鹽礦物。其結(jié)構(gòu)有2個(gè)特點(diǎn)：層間范德華力連接，這種作用較弱；四面體中部分Si4 +可被Al3 +取代，八面體中的Al3 +可被Fe2 +、Mg2 + 、Zn2 +等離子取代，使晶層平面上帶負(fù)電。前者使水分子易于進(jìn)入晶胞層間發(fā)生膨脹；后者使粘土顆粒表面能自發(fā)地吸附反電荷離子(陽(yáng)離子)形成絡(luò)合物或有機(jī)、無(wú)機(jī)復(fù)合物。
當(dāng)膨潤(rùn)土分散于水中時(shí)，由于表面吸附的陽(yáng)離子在溶液主體中的濃度較低，它們有自晶層表面向外擴(kuò)散的趨勢(shì)；另一方面，它們又受帶電晶層的靜電吸引。這2個(gè)相反趨向的結(jié)果，使粘土顆粒晶層外表面形成擴(kuò)散雙電層，并呈大氣狀分布。堆疊晶層間的陽(yáng)離子則限制在面對(duì)面的晶層表面中間的狹窄間隔內(nèi)。膨潤(rùn)土分散在水中，蒙脫石的顆?？赡艹蕟我痪О?，也可以是許多晶胞的附聚體。由于蒙脫石晶體表面電荷的多樣性和顆粒的不規(guī)則性，它們?cè)谒袝?huì)產(chǎn)生許多不同的附聚型式。
膨潤(rùn)土在水中高度分散搭接成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并使大量的自由水轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的束縛水，而形成非牛頓液體類(lèi)型的觸變性凝膠。它的粘度對(duì)于懸浮液體系的穩(wěn)定性具有重要影響，并與剪切速度變化有關(guān)。攪動(dòng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞，凝膠轉(zhuǎn)化為低粘滯性的懸浮液；靜止時(shí),恢復(fù)到初始凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的均相塑性體狀態(tài),粘度逐漸增大。在外力作用下懸浮液與膠體可以無(wú)限轉(zhuǎn)化。這就是摻加膨潤(rùn)土后漿液觸變性變好的原因。由于上述原因，導(dǎo)致加入膨潤(rùn)土的漿液粘度上升，保水性能提高，觸變性能變好。
2.2 試驗(yàn)材料
本文所用的膨潤(rùn)土是南京湯山膨潤(rùn)土有限公司生產(chǎn)的土木工程泥漿用膨潤(rùn)土，其物理性能見(jiàn)下表1。
2.3 膨潤(rùn)土對(duì)漿液穩(wěn)定性的影響
穩(wěn)定水泥漿液是指析水率小于5%的水泥漿液，主要技術(shù)指標(biāo)包括粘度、凝聚力（屈服點(diǎn)）、析水率、密度、凝結(jié)時(shí)間和結(jié)石強(qiáng)度等五個(gè)方面，粘度和凝聚力控制著漿液流動(dòng)速率與最大擴(kuò)散半徑，優(yōu)質(zhì)的穩(wěn)定漿液不但要有足夠的穩(wěn)定性，而且要有良好的流動(dòng)性。
?。?）粘度
粘度也稱(chēng)流動(dòng)度是量度流體粘滯性大小的物理量，粘滯流體在層流中，其相鄰流體層間的內(nèi)摩擦力τ 與沿接觸面法向n 的速度梯度dv/dn 成正比，與接觸面積成正比，與流體本身的性質(zhì)有關(guān)，而與接觸面上的壓力無(wú)關(guān)，即τ =η Adv / dn。式中：τ 一流層的內(nèi)摩擦力；η 一粘度系數(shù)；A 一接觸面積；dv/dn 一流體的流速梯度。漿液粘度是指漿液所有組分混合后的初始粘度，水泥漿粘度測(cè)試有多種方法，主要采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)[5]和漏斗粘度計(jì)[6]采用旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)測(cè)得水泥漿表觀粘度，從中可知水泥漿液的粘度與水灰比成反比，但當(dāng)水灰比達(dá)到某一值后，其粘度幾乎不再變化。漏斗粘度計(jì)使用最方便直觀，最適合施工現(xiàn)場(chǎng)使用。漏斗粘度計(jì)是測(cè)量一定體積的漿液從漏斗流出的時(shí)間，以此來(lái)表示漿液的流變特性，漿液愈稠，粘度越大，一定體積的漿液從漏斗流出所需的時(shí)間越長(zhǎng)。目前國(guó)際上用得較多的漏斗有三種：馬什(Marsh)型漏斗、梅開(kāi)索爾(Mecasol)型漏斗及普里帕克(Prepakt)型漏斗，實(shí)際以馬什漏斗使用最多；常用漏斗類(lèi)型見(jiàn)圖1。
參照GB1346 粘度測(cè)試方法，采用馬什(Msrsh)漏斗粘度計(jì)測(cè)試，以一定漿量從漏斗流出的時(shí)間長(zhǎng)短，即相對(duì)粘度，評(píng)價(jià)漿液的流動(dòng)性能，結(jié)果見(jiàn)表2。
研究表明：膨潤(rùn)土水泥漿液的性能主要取決于水泥、膨潤(rùn)土、水的用量。在水泥漿液中加入膨潤(rùn)土，一般具有如下變化規(guī)律：漿液粘度隨水灰比的增大而降低，相同水灰比的漿液，膨潤(rùn)土用量越多粘度越大（見(jiàn)圖2），凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，結(jié)石率越高，但強(qiáng)度降低；漿液中干料越多，或者在不改變水與干料配比的情況下，增加膨潤(rùn)土用量可提高漿液的穩(wěn)定性，使用時(shí)可根據(jù)巖土物理力學(xué)性質(zhì)、含水量以及工程處理的具體要求由試驗(yàn)確定。
?。?）析水率
采用1000mL 量筒，將拌好的漿體約800mL 注入量筒內(nèi)，并將量筒上口加蓋封好。隨后每隔60min 將上口蓋打開(kāi)，使量筒傾斜，用吸管吸出析水，并分別記下漿液的體積數(shù)，最后計(jì)算出析水率，以析水率的大小評(píng)價(jià)漿液穩(wěn)定性好壞，結(jié)果見(jiàn)表3。
由表3 試驗(yàn)結(jié)果可知，未添加膨潤(rùn)土的水泥漿易沉淀析水、穩(wěn)定性差，且對(duì)用水量十分敏感，因此若在地下水流較大的條件下注漿，漿液易受水的沖刷和稀釋?zhuān)罱K效果將不十分理想，摻入膨潤(rùn)土后析水率明顯得到改善。另外通過(guò)在漿液中摻入占漿材質(zhì)量分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%的膨潤(rùn)土進(jìn)行漿液穩(wěn)定性試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：隨著膨潤(rùn)土含量的增加，漿液最終達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間縮短，析水率降低，穩(wěn)定性逐漸增加。
2.4 膨潤(rùn)土對(duì)漿液分散性影響
當(dāng)膨潤(rùn)土加入水泥漿漿液后，由于水泥顆粒相對(duì)較大，且表面帶有正電荷，蒙脫石顆粒在靜電吸引力以及其本身粘結(jié)力作用下，細(xì)小的蒙脫石顆粒會(huì)被附著在相對(duì)較大的水泥顆粒表面，而且由于膨潤(rùn)土漿液具有良好的保水潤(rùn)滑性和流動(dòng)性，它可將水泥顆粒懸浮并攜帶到更遠(yuǎn)、更細(xì)小的巖土裂隙中去，從而防止了純水泥漿漿液在巖土裂隙流動(dòng)過(guò)程中由于過(guò)早失水而凝固，減緩了水泥的凝結(jié)時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到更為理想的加固效果。同樣通過(guò)在漿液中摻入占漿材質(zhì)量1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%的膨潤(rùn)土進(jìn)行漿液分散性試驗(yàn)(水灰比為W/C=0.8)后發(fā)現(xiàn)：隨著膨潤(rùn)土含量的增加，漿液的分散性增加，凝結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)，從而有利于提高漿液的工作性能。但是當(dāng)膨潤(rùn)土摻量超過(guò)3%時(shí)，分散性開(kāi)始降低，因此在本次試驗(yàn)中膨潤(rùn)土摻量為3%時(shí)分散效果最佳(見(jiàn)圖3)。同時(shí)蒙脫石粒間和層間的富水性也為水泥顆粒的充分水化固結(jié)提供了可靠的保證［7］。
2.5 膨潤(rùn)土對(duì)漿液強(qiáng)度的影響
配制出兩組不同水灰比的水泥漿體，其中每組膨潤(rùn)土摻量分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%，并依次編號(hào)為1-6，測(cè)其3d、7d 、28d 齡期硬化后的強(qiáng)度，抗壓試件邊長(zhǎng)為7.07cm 的立方試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)下。強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、表5。
根據(jù)表4、表5 作水泥漿結(jié)石強(qiáng)度對(duì)比圖，見(jiàn)圖4、圖5。從圖中可發(fā)現(xiàn)在不同的養(yǎng)護(hù)條件下，膨潤(rùn)土摻量-水灰比-強(qiáng)度變化規(guī)律基本相同。無(wú)論是哪種養(yǎng)護(hù)，以膨潤(rùn)土配制的穩(wěn)定水泥漿液，在相同的水灰比下，隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都在迅速減小；同樣，在相同的膨潤(rùn)土摻量下，強(qiáng)度隨著水灰比的增大而減小。因此，水灰比和膨潤(rùn)土摻量都較大成度的影響著水泥漿液的強(qiáng)度，所以，在配制水泥漿液時(shí)一定要注意膨潤(rùn)土摻量和水灰比的關(guān)系。根據(jù)本文分析水泥漿液中膨潤(rùn)土摻量宜控制在4%以?xún)?nèi)。
2.6 膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿液的保水性影響
圖6 顯示出了漿液保水率隨膨潤(rùn)土摻量變化的結(jié)果。隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，漿液的保水率也在逐漸增加，當(dāng)膨潤(rùn)土含量超過(guò)3%后，保水率增長(zhǎng)緩慢，趨于定值。從圖中看出膨潤(rùn)土的摻入對(duì)于漿液保水率有一定影響但影響不大。但是由于膨潤(rùn)土摻入提高了水泥漿的用水量,同樣質(zhì)量的水泥漿中保持的水分更多了,這有利于漿液保持工作性。
2.7 膨潤(rùn)土對(duì)水泥漿溶液的分層度影響
圖7 顯示了漿液分層度隨膨潤(rùn)土摻量的變化。隨膨潤(rùn)土摻量增加,漿液的分層度逐漸減小；當(dāng)膨潤(rùn)土的摻量達(dá)到2%時(shí)，漿液的分層度不在變化,穩(wěn)定在9mm ,這對(duì)于提高砂漿的工作性能有很大的好處。
3. 結(jié)束語(yǔ)
1.膨潤(rùn)土具有很好的穩(wěn)定性，在水灰比一定的情況下隨著膨潤(rùn)土摻量的增加，漿液的粘度增大、析水率降低，從而使?jié){液有一種較好的穩(wěn)定性，所以膨潤(rùn)土是一種較好的穩(wěn)定劑。
2.膨潤(rùn)土的摻入對(duì)水泥漿液的強(qiáng)度有一定影響，摻量在4％以?xún)?nèi)時(shí)，對(duì)漿液強(qiáng)度影響是允許的，大于4％時(shí)膨潤(rùn)土?xí)^大程度的降低漿液的強(qiáng)度，不利于工程施工，所以膨潤(rùn)土摻量宜控制在4％以?xún)?nèi)。
3.含有膨潤(rùn)土的水泥漿溶液，其保水性、分層度都有較大改善，含水量增大，使得水泥漿溶液的工作性能得到更好的保持。
4.對(duì)巖溶發(fā)育中等以上規(guī)模溶洞、溶溝、溶槽等進(jìn)行灌漿處理時(shí)，摻入適量的膨潤(rùn)土，將能更好的達(dá)到灌漿效果。
5.生產(chǎn)施工過(guò)程中水灰比和膨潤(rùn)土摻量都應(yīng)該滿足配合比的要求，且配合比應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程確定。
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