改性木素高效注漿泵送劑GCL1—3 U的性能研究

【摘要】通過對高效減水劑GCL1—3A進行改性優(yōu)化。研制了盾構(gòu)注漿材料用高效泵送劑GCL1—3U。試驗結(jié)果表明：當(dāng)GCL1—3U摻量為0．4%時。漿料流動度由未摻泵送劑時的140mm提高至169mm；其3h的相對流動度損失率僅為21．2%。而同一時問內(nèi)摻加麥斯特減水劑的漿料流動度損失率為32．0%。摻加0．5%GCL1—3U的漿料2h內(nèi)的泌水牢為4．9%。遠低于未摻加減水劑漿料的8．6%。GCL1—3U具有適宜的緩凝性和明顯的增強作用。摻量為0．4%時注漿材料凝結(jié)時問為9．4h?？墒?jié){料的28d抗壓強度提高52%。漿材膠凝體系流變性能的研究顯示，此體系屬于假塑性流體，具有剪切稀化的性質(zhì)。GCL1—3U的加入進一步降低了膠凝體系的表觀粘度．因此提高了漿材的流動性?！娟P(guān)鍵詞】泵送劑；木素磺酸鈣；注漿材料；性能0 引言　　隨著地鐵建設(shè)的發(fā)展，注漿材料在地鐵隧道工程中的應(yīng)用越來越廣。這類注漿材料除了要滿足設(shè)計強度和使用要求外，還要求漿材流動性好、不泌水離析、在較長時間內(nèi)保持良好的可泵性、能順利泵送施工。為滿足這些要求，摻加多功能泵送劑是對漿材必不可少的改進措施。目前常用的泵送劑多為萘系高效減水劑，存在著漿料流動度損失大，不適合泵送，原料成本較高，產(chǎn)品價格昂貴等問題，限制了其推廣利用。從造紙制漿廢液中回收的木素磺酸鹽，一般只能作為普通減水劑使用，由于它價格低廉，來源廣泛，可再生，無疑是開發(fā)高效減水劑的理想原料。因此以木素磺酸鹽為基本原料開發(fā)低成本高效泵送劑將具有重大的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益?！　CL1—3A是華南理工大學(xué)研制的改性木素磺酸鈣混凝土高效減水劑，減水率達到16%～20%，與萘系高效減水劑相比，具有降低早期水泥水化熱，坍落度損失小，混凝土的保水性好等特點，廣泛應(yīng)用于水利工程中，取得了顯著的效益。本研究在GCL1— 3A的基礎(chǔ)上，針對注漿材料的性能要求進行進一步改性和優(yōu)化，研制了高效注漿泵送劑GCL1—3U，并研究了它對注漿材料流動性、穩(wěn)定性、凝結(jié)時間、流變性等性能的影響。1 試驗1．1 主要試驗試劑　　高效泵送劑GCL1—3U：改性木素磺酸鹽高效泵送劑，本文自制?！　←溗固販p水劑：萘系高效減水劑，由廣州麥斯特建材有限公司生產(chǎn)。　　木素磺酸鈣：由廣州造紙有限公司生產(chǎn)，其中純木素磺酸鈣約占70%?！　∷啵航鹧蚺芌32．5普通硅酸鹽水泥。廣州水泥廠生產(chǎn)?！　∽{材料配比：水泥110g；粉煤灰390g；砂子：815g；膨潤土：30g。1．2 試驗技術(shù)1．2．1 注漿材料泌水率的測定　　將注漿材料拌合物一次裝入一個帶蓋容器中，在振動臺上振動30次，然后用抹刀輕輕抹平，加蓋以防水分蒸發(fā)。自抹面開始計算時間，測定2h內(nèi)漿料的泌水率。前1h每20min吸水一次．后1h每30min吸水一次。將每次吸出的水都注入帶塞的量簡，最后計算出漿料的泌水率。1．2．2 注漿材料流動度損失的測定　　將拌好的注漿材料裝入一千凈的容器中，放在恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱里養(yǎng)護，以后每隔1／2h測一次流動度。將容器內(nèi)的漿料裝入膠砂攪拌鍋內(nèi)，手動快攪lmin，然后測其流動度。按照下式計算相對流動度損失率?！　∠鄬α鲃佣葥p失率=／起始流動度×100%1．2．3 注漿材料膠凝體系流變性能的測定　　將265g膠凝物質(zhì)置于凈漿攪拌機中，并且加入150mL水和一定量泵送劑，攪拌4min。然后將拌合物裝入NXS一11A型旋轉(zhuǎn)粘度計中，采用B系統(tǒng)進行測量，研究膠凝體系剪切應(yīng)力和剪切速率的關(guān)系，并繪出流變曲線。試驗溫度℃。1．2．4 注漿材料性能測定　　注漿材料的流動度、凝結(jié)時間、抗壓強度的測定按有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)GB8077—87、JGJ70—90進行。2 高效泵送劑GCL1—3U 的改性思路和工藝　　地鐵盾構(gòu)隧道對注漿材料性能的要求主要有三點：具有良好的流動性；穩(wěn)定性好，不離析；適當(dāng)緩凝，并且早期強度較高。為此。對木鈣高效減水劑GCL1—3A進行適當(dāng)?shù)母男?，具體的改性工藝見圖1?！　　　? GCL1—3U對注漿材料性能的影響3．1 GCL1—3U對注漿材料流動性的影響　　流動性是注漿材料最重要的性能之一。漿料流動性越大，可注性越強。試驗分別測定了摻GCL1—3U、廣州地鐵3號線工地使用的萘系高效減水劑麥斯特的漿料流動度，用水量為270mL，結(jié)果如圖2所示。　　　　　　由圖2的結(jié)果可見。隨著減水劑摻量的增加，注漿材料的流動度也隨之提高。當(dāng)減水劑摻量小于0．4%時，摻加GCL1—3U的漿料流動度比摻加麥斯特的要大；當(dāng)摻量為0．4%時，摻加GCL1—3U漿料的流動度由140mm提高至169mm，而摻加麥斯特的漿料流動度僅為162mm。說明此摻量下GCL1—3U對漿料的分散作用比麥斯特減水劑要好。但當(dāng)減水劑摻量大于0．4%時，摻加GCL1—3U的漿料流動度有所下降，而摻加麥斯特的漿料流動度繼續(xù)提高。3．2 GCL1—3U對注漿材料流動度損失的影響　　流動度損失是指剛攪拌好的新鮮拌合物隨著時間延長而失去其流動度的現(xiàn)象。注漿材料要求流動度損失較小，在一定時間內(nèi)仍然具有良好的可泵性。試驗測定了摻0．4%的減水劑后注漿材料流動度隨時間的變化情況，結(jié)果如圖3所示?！　膱D3可知，經(jīng)過3h。摻加GCL1—3U的漿料流動度由179mm降為141mm，3h相對流動度損失率僅為21．2%；而同一時間內(nèi)摻加麥斯特的漿料流動度降為121mm，相對流動度損失率達32．0%。這表明GCL1—3U具有良好的保持漿料流動性的作用。這是由于GCLI一3U中的木素磺酸鹽絡(luò)合了漿料中的Ca2+[3]，使Ca2+ 濃度大幅度下降，阻礙了Ca2的生成，從而延緩了漿料的水化，降低了漿料的流動度損失；同時木素磺酸鹽具有一定的引氣性。氣泡的“滾珠”效應(yīng)減少了漿料的凝聚，有效地保持了漿料的流動性?！　　　?．3 GCL1—3U對注漿材料穩(wěn)定性的影響　　漿料的穩(wěn)定性是注漿材料的重要性能指標(biāo)之一。漿料的穩(wěn)定與否直接影響到能否順利注漿以及注漿的效果。試驗測定了摻加GCL1—3U的漿料在2h內(nèi)的泌水率。用水量為350mL，結(jié)果如表1所示?！　　　　　∮杀?結(jié)果可知，未摻加減水劑的漿料2h內(nèi)的泌水率為8．6%；摻加GCL1—3U后，漿料的泌水率顯著降低，當(dāng)減水劑摻量為0．2%時，漿料的泌水率降為7．4%，當(dāng)減水劑摻量為0．5%時，泌水率僅為4．9%。這說明GCL1—3U具有良好的保水性。這歸于木素磺酸鹽組分在水溶液中呈稠密球狀的有支鏈的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體。它吸附在水泥顆粒的表面，阻斷了水分的通道，阻止了水分的自由流失；同時GCL1—3U中引入了一些水溶性高分子聚合物，它增加了漿料內(nèi)部的粘聚性，提高了漿料的穩(wěn)定性。3．4 GCL1—3U對注漿材料凝結(jié)時間的影響　　注漿材料對凝結(jié)時間有較為特殊的要求。如果漿料迅速凝結(jié)，則不具有可泵性，不適合用于注漿；反之，漿料過分緩凝，則不具備支撐地層的作用，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)生事故。因此漿料要求減水劑應(yīng)具有適當(dāng)?shù)木從?。試驗測定了分別摻加MG、GCI 1—3U、麥斯特減水劑的注漿材料的初凝時間，用水量均為300mI ，結(jié)果如表2所示。　　結(jié)果表明，摻加麥斯特減水劑的漿料基本在4h左右即開始凝結(jié)，此減水劑不具有緩凝性。其漿料在攪拌后1h～2h內(nèi)即失去流動性，可泵性差。木素磺酸鈣屬緩凝型減水劑，摻量過大可導(dǎo)致漿料產(chǎn)生不凝現(xiàn)象。經(jīng)過優(yōu)化改性后，GCL1—3U克服了木鈣過度緩凝的缺點，具有適當(dāng)?shù)木從浴．?dāng)GCL1—3U摻量為0．4%時，漿料的初凝時間為9．4h。此時漿料在攪拌后5h～6h內(nèi)都具有一定的流動性，可泵性良好。當(dāng)GCL1—3U摻量大于0．5%時，漿料的凝結(jié)時間也較長，但都比摻加相同摻量MG的漿料凝結(jié)時間短。　　　　3．5 GCL1—3U對注漿材料抗壓強度的影響　　注漿材料的早期抗壓強度是漿料的重要性能之一。漿料的早期強度較高，則可以充分發(fā)揮支撐地層的作用。試驗分別測定了摻加GCL1—3U、麥斯特減水劑的漿料的7d、28d齡期的抗壓強度比，結(jié)果如表3所示?！　　　　　∮稍囼灲Y(jié)果可知，GCL1—3U對注漿材料有明顯增強作用。隨著GCL1—3U摻量的提高，注漿材料的抗壓強度也呈上升的趨勢。當(dāng)減水劑摻量為0．5%時，摻GCL1—3U的漿料7d抗壓強度比空白漿料提高了42%，相同摻量下?lián)禁溗固氐臐{料抗壓強度僅提高了35%。而0．4%摻量的GCL1—3U則使?jié){材28d抗壓強度提高了52%。這說明GCL1—3U不僅具有減水作用，還具有早強作用，可有效提高漿料的抗壓強度。3．6 GCL1—3U對注漿材料膠凝體系流變性能的影響　　試驗分別研究了不摻泵送劑、摻0．2%GCL1—3U和0．4%GCL1—3U膠凝體系的流變曲線，結(jié)果如圖4所示?！　∮山Y(jié)果可知，在剪切初始階段，膠凝體系剪切應(yīng)力隨剪切速率迅速增加，到達一定階段后，剪切應(yīng)力的增加較為平穩(wěn)。此體系屬帶屈服值的假塑性流體。GCL1一3U的加入并不能改變流體類型，但是可降低體系的剪切應(yīng)力，提高分散性。將剪切應(yīng)力除以剪切速率，可得表觀粘度。因此可繪出摻膠凝體系的表觀粘度隨剪切速率的變化曲線，如圖5所示。從圖5可知，膠凝體系的表觀粘度隨剪切應(yīng)力的提高迅速下降，并且趨向于某一穩(wěn)定值，此類體系具有剪切稀化性。摻加GCL1—3U后，在每個剪切速率下體系的表觀粘度都低于空白漿料的表觀粘度。而在0．4%摻量范圍內(nèi)，隨著GCL1—3U摻量的增加，漿料的表觀粘度會進一步下降。這是由于膠凝漿體在水化初期會形成大量絮凝結(jié)構(gòu)，這些絮凝結(jié)構(gòu)會包裹大量的自由水。在剪切初始階段，這些結(jié)構(gòu)會被大量破壞，釋放出其中的自由水，因此漿體的表觀粘度迅速下降。隨著剪切速率的提高，可以破壞的絮凝結(jié)構(gòu)減少，表觀粘度逐漸趨于某一穩(wěn)定值。摻入GCL1—3U后，由于泵送劑的分散作用，漿體中的絮凝結(jié)構(gòu)受到破壞。膠凝材料顆粒之間的作用力減弱，因此表觀粘度比空白漿體要低。摻加0．4%GCL1—3U的膠凝體系比摻加0．2%的體系分散更加完全，對絮凝結(jié)構(gòu)的破壞程度也比摻加0．2%的大。因此GCL1—3U摻量為0．4%時更能降低漿料的粘度?！　　　? 結(jié)論　　針對地鐵建設(shè)中注漿材料的特點，對改性木鈣高效減水劑GCL1—3A進行進一步優(yōu)化，研制了高效泵送劑GCL1—3U。該產(chǎn)品保留了GCL1—3A減水率高和價格低廉的優(yōu)點；同時對漿料具有較好的保水作用，降低漿料泌水和流動度損失等特點；還減弱了木素系減水劑的緩凝作用，提高了漿料的早期強度?！　⊙芯苛藫郊覩CL1—3U的注漿材料性能。摻量小于0．4%時，GCL1—3U對注漿材料的分散性能要高于麥斯特減水劑。當(dāng)減水劑摻量為0．4%時，摻加GCL1—3U 的漿料流動度由空白時的140mm提高至169mm；其3h的相對流動度損失率僅為21．2%，而摻加麥斯特減水劑的漿料流動度損失率為32．0%。摻加0．5%GCL1—3U的漿料2h內(nèi)的泌水率為4．9%。遠低于未摻加減水劑漿料的8．6%?！　CL1—3U具有適當(dāng)?shù)木從?，摻?．4%GCL1—3U的注漿材料凝結(jié)時間為9．4h，比摻麥斯特減水劑的漿料凝結(jié)時間長，但比摻MG的短。此外，GCL1—3U可使?jié){料的28d抗壓強度提高52%?！　{材膠凝體系流變性能的研究顯示，此體系屬帶屈服值的假塑性流體，具有剪切稀化的性質(zhì)。GCL1—3U的加入破壞了膠凝體系中的絮凝結(jié)構(gòu)，使膠凝材料進一步分散，降低了膠凝體系的表觀粘度，因此提高了漿材的流動性?！　CL1—3U是一種綜合性能良好、價格低廉的高效注漿材料泵送劑，有較高的推廣價值和經(jīng)濟前景。

原作者：鄭大鋒邱學(xué)青樓宏銘楊東杰