改性木素高效注漿泵送劑GCL1—3 U的性能研究

【摘要】通過對(duì)高效減水劑GCL1—3A進(jìn)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(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)GCL1—3U摻量為0．4%時(shí)。漿料流動(dòng)度由未摻泵送劑時(shí)的140mm提高至169mm；其3h的相對(duì)流動(dòng)度損失率僅為21．2%。而同一時(shí)問內(nèi)摻加麥斯特減水劑的漿料流動(dòng)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(yuǎn)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(qiáng)作用。摻量為0．4%時(shí)注漿材料凝結(jié)時(shí)問為9．4h?？墒?jié){料的28d抗壓強(qiáng)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(jìn)一步降低了膠凝體系的表觀粘度．因此提高了漿材的流動(dòng)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(jì)強(qiáng)度和使用要求外，還要求漿材流動(dòng)性好、不泌水離析、在較長時(shí)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(duì)漿材必不可少的改進(jìn)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(dòng)度損失大，不適合泵送，原料成本較高，產(chǎn)品價(jià)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(jià)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(jì)效益和環(huán)境效益。　　GCL1—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(dá)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(diǎn)，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(duì)注漿材料的性能要求進(jìn)行進(jìn)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(duì)注漿材料流動(dòng)性、穩(wěn)定性、凝結(jié)時(shí)間、流變性等性能的影響。1 試驗(yàn)1．1 主要試驗(yàn)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)?！　∧舅鼗撬徕}：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(yàn)技術(shù)1．2．1 注漿材料泌水率的測(cè)定　　將注漿材料拌合物一次裝入一個(gè)帶蓋容器中，在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)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(jì)算時(shí)間，測(cè)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(jì)算出漿料的泌水率。1．2．2 注漿材料流動(dòng)度損失的測(cè)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(hù)箱里養(yǎng)護(hù)，以后每隔1／2h測(cè)一次流動(dòng)度。將容器內(nèi)的漿料裝入膠砂攪拌鍋內(nèi)，手動(dòng)快攪lmin，然后測(cè)其流動(dòng)度。按照下式計(jì)算相對(duì)流動(dòng)度損失率。　　相對(duì)流動(dòng)度損失率=／起始流動(dòng)度×100%1．2．3 注漿材料膠凝體系流變性能的測(cè)定　　將265g膠凝物質(zhì)置于凈漿攪拌機(jī)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(jì)中，采用B系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)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(yàn)溫度℃。1．2．4 注漿材料性能測(cè)定　　注漿材料的流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間、抗壓強(qiáng)度的測(cè)定按有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)GB8077—87、JGJ70—90進(jìn)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(duì)注漿材料性能的要求主要有三點(diǎn)：具有良好的流動(dòng)性；穩(wěn)定性好，不離析；適當(dāng)緩凝，并且早期強(qiáng)度較高。為此。對(duì)木鈣高效減水劑GCL1—3A進(jìn)行適當(dāng)?shù)母男裕唧w的改性工藝見圖1?！　　　? GCL1—3U對(duì)注漿材料性能的影響3．1 GCL1—3U對(duì)注漿材料流動(dòng)性的影響　　流動(dòng)性是注漿材料最重要的性能之一。漿料流動(dòng)性越大，可注性越強(qiáng)。試驗(yàn)分別測(cè)定了摻GCL1—3U、廣州地鐵3號(hào)線工地使用的萘系高效減水劑麥斯特的漿料流動(dòng)度，用水量為270mL，結(jié)果如圖2所示?！　　　　　∮蓤D2的結(jié)果可見。隨著減水劑摻量的增加，注漿材料的流動(dòng)度也隨之提高。當(dāng)減水劑摻量小于0．4%時(shí)，摻加GCL1—3U的漿料流動(dòng)度比摻加麥斯特的要大；當(dāng)摻量為0．4%時(shí)，摻加GCL1—3U漿料的流動(dòng)度由140mm提高至169mm，而摻加麥斯特的漿料流動(dòng)度僅為162mm。說明此摻量下GCL1—3U對(duì)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(shí)，摻加GCL1—3U的漿料流動(dòng)度有所下降，而摻加麥斯特的漿料流動(dòng)度繼續(xù)提高。3．2 GCL1—3U對(duì)注漿材料流動(dòng)度損失的影響　　流動(dòng)度損失是指剛攪拌好的新鮮拌合物隨著時(shí)間延長而失去其流動(dòng)度的現(xiàn)象。注漿材料要求流動(dòng)度損失較小，在一定時(shí)間內(nèi)仍然具有良好的可泵性。試驗(yàn)測(cè)定了摻0．4%的減水劑后注漿材料流動(dòng)度隨時(shí)間的變化情況，結(jié)果如圖3所示。　　從圖3可知，經(jīng)過3h。摻加GCL1—3U的漿料流動(dòng)度由179mm降為141mm，3h相對(duì)流動(dòng)度損失率僅為21．2%；而同一時(shí)間內(nèi)摻加麥斯特的漿料流動(dòng)度降為121mm，相對(duì)流動(dòng)度損失率達(dá)32．0%。這表明GCL1—3U具有良好的保持漿料流動(dòng)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(dòng)度損失；同時(shí)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(dòng)性?！　　　?．3 GCL1—3U對(duì)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(yàn)測(cè)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(shí)，漿料的泌水率降為7．4%，當(dāng)減水劑摻量為0．5%時(shí)，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(shí)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(duì)注漿材料凝結(jié)時(shí)間的影響　　注漿材料對(duì)凝結(jié)時(shí)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?yàn)測(cè)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(shí)間，用水量均為300mI ，結(jié)果如表2所示?！　〗Y(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(dòng)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(diǎn)，具有適當(dāng)?shù)木從?。?dāng)GCL1—3U摻量為0．4%時(shí)，漿料的初凝時(shí)間為9．4h。此時(shí)漿料在攪拌后5h～6h內(nèi)都具有一定的流動(dòng)性，可泵性良好。當(dāng)GCL1—3U摻量大于0．5%時(shí)，漿料的凝結(jié)時(shí)間也較長，但都比摻加相同摻量MG的漿料凝結(jié)時(shí)間短。　　　　3．5 GCL1—3U對(duì)注漿材料抗壓強(qiáng)度的影響　　注漿材料的早期抗壓強(qiáng)度是漿料的重要性能之一。漿料的早期強(qiáng)度較高，則可以充分發(fā)揮支撐地層的作用。試驗(yàn)分別測(cè)定了摻加GCL1—3U、麥斯特減水劑的漿料的7d、28d齡期的抗壓強(qiáng)度比，結(jié)果如表3所示?！　　　　　∮稍囼?yàn)結(jié)果可知，GCL1—3U對(duì)注漿材料有明顯增強(qiáng)作用。隨著GCL1—3U摻量的提高，注漿材料的抗壓強(qiáng)度也呈上升的趨勢(shì)。當(dāng)減水劑摻量為0．5%時(shí)，摻GCL1—3U的漿料7d抗壓強(qiáng)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(qiáng)度僅提高了35%。而0．4%摻量的GCL1—3U則使?jié){材28d抗壓強(qiáng)度提高了52%。這說明GCL1—3U不僅具有減水作用，還具有早強(qiáng)作用，可有效提高漿料的抗壓強(qiáng)度。3．6 GCL1—3U對(duì)注漿材料膠凝體系流變性能的影響　　試驗(yàn)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(dá)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(gè)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(huì)進(jìn)一步下降。這是由于膠凝漿體在水化初期會(huì)形成大量絮凝結(jié)構(gòu)，這些絮凝結(jié)構(gòu)會(huì)包裹大量的自由水。在剪切初始階段，這些結(jié)構(gòu)會(huì)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(duì)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(shí)更能降低漿料的粘度?！　　　? 結(jié)論　　針對(duì)地鐵建設(shè)中注漿材料的特點(diǎn)，對(duì)改性木鈣高效減水劑GCL1—3A進(jìn)行進(jìn)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(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)對(duì)漿料具有較好的保水作用，降低漿料泌水和流動(dòng)度損失等特點(diǎn)；還減弱了木素系減水劑的緩凝作用，提高了漿料的早期強(qiáng)度?！　⊙芯苛藫郊覩CL1—3U的注漿材料性能。摻量小于0．4%時(shí)，GCL1—3U對(duì)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(shí)，摻加GCL1—3U 的漿料流動(dòng)度由空白時(shí)的140mm提高至169mm；其3h的相對(duì)流動(dòng)度損失率僅為21．2%，而摻加麥斯特減水劑的漿料流動(dòng)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(yuǎn)低于未摻加減水劑漿料的8．6%?！　CL1—3U具有適當(dāng)?shù)木從裕瑩郊?．4%GCL1—3U的注漿材料凝結(jié)時(shí)間為9．4h，比摻麥斯特減水劑的漿料凝結(jié)時(shí)間長，但比摻MG的短。此外，GCL1—3U可使?jié){料的28d抗壓強(qiáng)度提高52%。　　漿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(jìn)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(dòng)性?！　CL1—3U是一種綜合性能良好、價(jià)格低廉的高效注漿材料泵送劑，有較高的推廣價(jià)值和經(jīng)濟(jì)前景。

原作者：鄭大鋒邱學(xué)青樓宏銘楊東杰