一种绿色复合浆液的配合比优化试验研究

江祖龙

(锦曦控股集团有限公司，福建 福州 350001)

注浆技术在水利工程建设中具有十分广泛的应用，是提高地基承载力和防渗布置的重要技术手段[1]。水泥作为传统的注浆手段，具有悠久的应用历史。但是，水泥单浆液的缺点也是十分突出的，主要表现为渗透性差、易沉淀析水和结石率低等，并成为限制其广泛应用的重要因素[2]。此外，水泥属于高污染、高耗能产品，限制水泥的生产和使用并寻求替代材料已经成为当前环保领域的重要研究课题[3]。在注浆施工领域，主要是寻求性能相近的绿色注浆材料，最大限度减少水泥用量。在这方面，利用矿渣粉替代一部分水泥，可以降低注浆成本、减少环境影响[4]。黏土具有吸水膨胀的特性，有利于改善浆液的稳定性和析水性，提高结石率[5]。基于此，利用矿渣粉和黏土替代部分水泥料，通过试验研究的方法，确定浆液的最佳配合比，为相关的工程应用提供依据。

1 试验设计

1.1 试验材料和仪器

此次试验使用的水泥为南方水泥厂生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其比表面积为342 m2/kg；初凝时间为175 min，终凝时间为235 min；28 d抗折强度为7.5 MPa，抗压强度为44.5 MPa，可以用于本次试验研究；使用的黏土为低液限黏土；使用的矿渣粉为本溪万泉细矿粉有限公司出品的S95型矿渣粉；使用的矿渣粉活性剂为氢氧化钠；试验用水为普通自来水。

此次试验所使用的仪器主要包括SKM-2型水泥砂浆搅拌机、电子天平、量筒、秒表、SYE-2000型抗压强度试验机、40 mm×40 mm×160 mm 三联试模、SHBY-40B型数控水泥混凝土标准养护箱。

1.2 试验方案设计

充分研究和分析了该领域的研究成果和实际工程经验，设计0.75∶1和1.00∶1两种不同的水胶比；10%、20%、30%三种不同的矿渣粉掺量以及5%、10%、15%三种不同的黏土掺量，同时结合不同的养护时间，对每个不同的水胶比设计了13组不同的配合比，获得如表1所示的试验方案。通过试验的方法分析复合浆液的黏度、流动性、结石率以及抗压强度，通过试验结果的比较和分析，最终获取浆液的最佳配合比。

1.3 试验方法

试验中测试的是浆液的表观黏度，测试仪器为漏斗黏度计，其计算依据为黏度计中流出500 mL 浆液所需要的时间[6]。在测试开始之前首先利用清水将其冲洗干净，对每组浆液连续进行两次测试，将其均值作为最终测试结果。

流动性是判别注浆浆液属性的重要指标，如果流动性过差，则不能满足施工需要；如果流动性过强，浆液扩散半径过大，则不利于经济性的提升[7]。流动性的测试仪器为玻璃板、截锥圆模以及刮刀。试验步骤为：将截锥圆模置于玻璃板的中央，将浆液快速倒入截锥圆模，用刮刀刮掉多余浆液，在提起截锥圆模的同时利用秒表计时，在30 s之后测量浆液在两个方向上的最大直径，其均值即为浆液的流动度。

表1 试验方案设计

结石率按照结石体积和浆液的体积之比计算[8]。测定方法为将拌制好的浆液倒入标准试模中，终凝后养护24 h拆模，然后测量试块在各个不同位置的高度，将其均值除以试模高度，结果即为浆液的结实率。

将制作的浆液倒入标准试模中，在24 h之后拆模，然后将其按照标准条件养护3 d、7 d和28 d，对达到设定龄期的数块进行立方体抗压强度测试，将三块试块的均值作为最终试验成果。

2 计算结果与分析

2.1 黏度试验结果与分析

利用上节的试验方法对不同试验方案下的黏度进行计算，结果如表2所示。从表中的计算结果可知，浆液的水胶比为0.75∶1时，黏度值会随着浆液的配合比的变化而产生较大的变化，而水胶比为1∶1时，变化相对比较稳定。由此可见，浆液的水胶比和配合比均会影响到浆液的黏度，而水胶比的影响更为显著。从具体的配合比来看，矿渣粉掺量为10%和20%时，黏土掺量小于10%时的浆液黏度增长比较缓慢，黏土掺量大于10%时增长比较迅速。当矿渣粉掺量为30%时，浆液的黏度随着黏土掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势。总之，当水胶比为0.75∶1，矿渣粉掺量为10%，黏土掺量不超过10%时，复合浆液的黏度值与纯浆液的黏度值比较接近。

表2 黏度试验结果 s

2.2 流动性试验结果与分析

利用上节的试验方法对不同试验方案下的流动度进行计算，结果如表3所示。从表中的计算结果可知，水胶比为1.00∶1时的浆液流动度均大于水胶比为0.75∶1时的浆液流动度；黏土掺量较小时流动度的波动较小，但是随着掺量的增加浆液流动度的增加幅度也较大；与纯水泥浆液相比，矿渣粉掺量10%，黏土的掺量在5%以内时，浆液的流动度较好。

表3 流动度试验结果 mm

2.3 结石率试验结果分析

利用上节的试验方法对不同试验方案下的结石率进行计算，结果如表4所示。从表中的计算结果可知，浆液的水胶比对结石率存在十分显著的影响，总体而言，浆液的水胶比越大，结石率就越低。当水胶比为0.75∶1时，除了纯浆液之外，复合浆液的结石率均在95%以上；当水胶比为1.00∶1时，复合浆液的结石率在82%和96%之间。

表4 结石率试验结果 %

2.4 抗压强度试验结果

立体抗压值是衡量注浆浆液效果的重要指标，抗压强度值越高，浆液的注浆效果越好。利用上节的试验方法对不同试验方案下的浆液结石体立体抗压强度进行统计计算，结果如表5所示。从表中的计算结果可知，在水胶比为0.75∶1，黏土和矿渣粉的掺量均为10%的条件下，浆液结石体的抗压强度值较大，与单浆液相比有显著的提升；当水胶比1.00∶1的情况下，各配合比的浆液结石体抗压强度值普遍较小。例如，28 d强度值有矿粉掺量为10%的条件下达到了12.077 MPa，随着矿渣粉掺量的不断增多，浆液结石体的抗压强度值明显降低；在黏土的掺量大于10%的情况下，各个龄期的强度值均呈现出明显下降的趋势。总之，过大的水胶比不利于浆液结石体抗压强度的提升。

表5 立体抗压强度值试验结果 MPa

续表5 MPa

3 结 论

(1)浆液的水胶比和配合比均会影响到浆液的黏度，而水胶比的影响更为显著。

(2)浆液的流动度会随着水胶比的增大而增大，与纯水泥浆液相比，矿渣粉掺量10%，黏土的掺量在5%以内时，浆液的流动度较好。

(3)当水胶比为0.75∶1时，除了纯浆液之外，复合浆液的结石率均在95%以上；当水胶比为1.00∶1 时，复合浆液的结石率在82%和96%之间。

(4)在水胶比为0.75∶1，黏土和矿渣粉的掺量均为10%的条件下，浆液结石体的抗压强度值较大，与单浆液相比有显著的提升；当水胶比1.00∶1 的情况下，各配合比的浆液结石体抗压强度值普遍较小。

(5)综合上述研究成果，推荐水胶比为0.75∶1、矿渣粉掺量10%、黏土5%为最佳配合比方案。