胡良浩 汪 濱 臧德記

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2.水文水資源和水利工程國家重點試驗室，江蘇 南京 210029)

?

高水速凝材料滲透特性試驗研究

胡良浩1,2汪 濱1,2臧德記1,2

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2.水文水資源和水利工程國家重點試驗室，江蘇 南京 210029)

采用自主改進(jìn)的TST-55型變水頭滲透儀，試驗研究了不同水灰比、齡期及使用淡水、海水時高水速凝材料的滲透性，并分析了其水化反應(yīng)機理，指出高水速凝材料滲透系數(shù)隨著齡期的增長不斷減小；隨著水灰比的降低而減小；海水可使該材料的滲透系數(shù)變高。

高水速凝材料，滲透系數(shù)，海水，水灰比

0 引言

高水速凝材料是一種高含水、快速固化的膠凝材料，有甲、乙兩種粉料。其中高鋁型甲料的主要化學(xué)成分為：CaO，Al2O3，SiO2，F(xiàn)e2O3及少量MgO,TiO2等；硫鋁型甲料則為：3CaO·3Al2O3·CaSO4，2CaO·SiO2等；乙料主要有石灰，石膏和外加劑等。這種材料，與其自身體積9倍的水混合而成的漿液能在30 min內(nèi)凝結(jié)成具有相當(dāng)強度的固化人工石——“含水90%的混凝土”[1]。高水速凝材料流動性好，甲乙兩料漿在混合之前不凝固、易泵送；甲乙兩料漿混合后凝固速度快，且凝固時間快慢可以調(diào)整；凝固后早期強度高。因此，廣泛使用于采礦工程中巷道支護(hù)、采空區(qū)充填；也可作為地下工程、地下空洞充填、注漿堵漏、地基加固等的使用材料[1]。目前大部分水利海工工程中，都面臨著取土石料難的問題，而就地取材、“水代土石”是最理想的解決手段。高水速凝材料具有速凝早強、高結(jié)晶水、耐水性等特性[2]以及混合漿液凝結(jié)時基本不析水，結(jié)石強度高，抗?jié)B性好，微膨脹，不龜裂及凝結(jié)后受擾動甚至破壞后具有再結(jié)膠性能[3]，所以高水速凝材料在圍墾圍堤工程、港口工程[4]、快速堵漏以及地下防滲等水利工程中有很廣的應(yīng)用前景。研究高水速凝材料滲透系數(shù)變化規(guī)律，可為工程設(shè)計人員提供參考，并為礦井充填、圍墾圍堤等實際工程的可靠性提供理論依據(jù)和支持，具有重要的經(jīng)濟(jì)社會效益。

1 試驗裝置的設(shè)計

高水速凝材料的抗壓強度以及抗?jié)B等級遠(yuǎn)小于混凝土和水泥砂漿，從實際試驗操作流程考慮無法使用目前常見的混凝土及砂漿抗?jié)B儀。參照土的滲透系數(shù)測試方法，選用變水頭法測試其滲透系數(shù)。使用TST-55變水頭滲透儀需要用環(huán)刀在垂直或平行土樣層面切取原狀試樣或擾動土制備成給定密度的試樣。而高水速凝材料硬化體抗壓強度遠(yuǎn)大于土體，無法使用環(huán)刀切取硬化體試樣。若將高水速凝材料直接澆筑在環(huán)刀內(nèi)待其硬化，在剛剛

凝結(jié)的硬化體中，會連續(xù)生成鈣礬石，則要引起膨脹，這樣間接的對試塊施加了側(cè)向圍壓。而圍壓對有高水速凝材料硬化體的變形以及充填體的剛度影響較大，從微觀結(jié)構(gòu)可以看出,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有較多的孔隙，在圍壓的作用下，孔隙閉合使充填體密實。隨著圍壓的加大,充填體壓實程度變大[5，6]。這樣將極大的降低對該材料滲透系數(shù)測定的準(zhǔn)確性。基于上述分析，本文對TST-55變水頭滲透儀進(jìn)行改進(jìn)以消除水化膨脹的影響。設(shè)計出拼裝式滲透容器替代原來一體式滲透容器，如圖1所示。

改進(jìn)后試件可以在澆筑后脫模，等達(dá)到規(guī)定養(yǎng)護(hù)齡期后再將試塊裝入拼裝式滲透容器內(nèi)進(jìn)行試驗。這樣就能很好的避免試塊水化膨脹后，環(huán)刀對試塊產(chǎn)生的附加圍壓。

2 高水速凝材料滲透系數(shù)測定結(jié)果

2.1 試驗原理

根據(jù)土工試驗規(guī)程，按式(1)計算滲透系數(shù)：

(1)

其中，a為變水頭管截面面積，cm2；L為滲徑，等于試樣高度，cm；h1為開始時水頭，cm；h2為終止時水頭，cm；A為試樣的斷面面積，cm2；t為時間，s；2.3為ln和lg的換算系數(shù)。

按式(2)計算標(biāo)準(zhǔn)溫度下的滲透系數(shù)：

(2)

其中，kT為水溫T℃時試樣的滲透系數(shù)，cm/s;k20為標(biāo)準(zhǔn)溫度(20 ℃)時試樣的滲透系數(shù)，cm/s；ηT為T℃時水的動力粘滯系數(shù)；η20為20 ℃時水的動力粘滯系數(shù)。

2.2 試驗方法及結(jié)果

1)試驗方法。本次試驗采用改進(jìn)后的TST-55變水頭滲透儀。為了分析了解不同水灰比、不同齡期以及使用淡水、海水時高水速凝材料硬化體的滲透系數(shù)變化規(guī)律，本著經(jīng)濟(jì)、高效的原則，試驗方案如表1所示。

表1 滲透系數(shù)試驗方案

試驗材料：高水速凝材料(高鋁型)；自來水；海水(含氯化鈉3.5%)。

2)試驗結(jié)果。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 滲透系數(shù)測試結(jié)果 ×10-7 cm/s

通過對表2中試驗結(jié)果分析得出，在試驗水灰比范圍內(nèi)高水速凝材料硬化體最終滲透系數(shù)都能達(dá)到10-8級。從A組試驗結(jié)果可知，使用淡水與高水速凝材料發(fā)生水化反應(yīng)，滲透系數(shù)隨齡期的增加不斷減小。在試樣達(dá)到最終養(yǎng)護(hù)齡期時，滲透系數(shù)隨著水灰比的增加而變大。使用海水與高水速凝材料進(jìn)行水化反應(yīng)時，在水灰比相同的條件下，明顯出現(xiàn)了早期滲透系數(shù)小的現(xiàn)象。對比A1B1，A5B5，A9B9可以發(fā)現(xiàn)，3 d齡期的滲透系數(shù)，后者只有前者的20%，10%，12%。隨著齡期的不斷增加，相同水灰比試樣的滲透系數(shù)不斷接近。對比A4B4，A8B8，A12B12可見，在水灰比相同的條件下，使用海水試樣的最終滲透系數(shù)略大于使用淡水的試樣。

3 水化反應(yīng)機理分析

在單料水化階段，乙料主要由石灰和石膏組成，水化比較簡單，主要是溶解過程。甲料水化過程則相對復(fù)雜，鋁酸一鈣是高鋁型甲料的主要礦物，其水化反應(yīng)因溫度的不同有如下幾種方式：

CaO·Al2O3+10H2O=CaO·Al2O3·10H2O

(3)

2(CaO·Al2O3)+11H2O=

2CaO·Al2O3·8H2O+Al2O3·3H2O

(4)

3(CaO·Al2O3)+12H2O=

3CaO·Al2O3·6H2O+2(Al2O3·3H2O)

(5)

在一般條件下CaO·Al2O3·10H2O(CAH10)和2CaO·Al2O3·8H2O(C2AH8)同時共存，高溫下水化產(chǎn)物主要是3CaO·Al2O3·6H2O(C3AH6)。其中CAH10和C2AH8都是六方晶系，其晶體呈片狀或針狀，相互交錯結(jié)合，形成堅硬的結(jié)晶體。Al(OH)3凝膠又填充于晶體骨架的空隙，從而形成比較致密的結(jié)構(gòu)。用X射線衍射鑒定可知α-Al(OH)3和β-Al(OH)3常共存，屬單斜晶系，常用于防水織物[7]，Al(OH)3凝膠更是極難溶于水。表現(xiàn)在高水速凝材料硬化體特性中即是滲透系數(shù)較小。

甲乙料混合后，原來的凝膠團(tuán)粒子開始重新組合成較大膠團(tuán)，隨著齡期的增長，硬化體里針狀鈣礬石骨架逐漸交錯形成，凝膠團(tuán)不斷密實骨架孔隙，最終形成帶有大量結(jié)晶水的高水速凝材料硬化體。

氯化鈉添加到陽離子化溶膠體系中，能使溶膠表面離子頭之間的排斥作用減弱，Zeta電位降低；又能促使溶膠顆粒脫離水相的趨勢增大，促進(jìn)了顆粒之間的聚集和交聯(lián)作用，使得體系粘度增大，凝膠化時間縮短，從而加速體系的凝膠化[8]，因此出現(xiàn)使用海水澆筑的試樣早期滲透系數(shù)相對較小的特點。實際上高水速凝材料漿液的pH值是通過各原料種類及配比、外加劑的種類及摻量來控制的。試驗表明高水材料水灰比為2.5∶1時漿液在pH>11時能凝結(jié)，pH值約為12時凝結(jié)時間約20 min，此時主要水化產(chǎn)物為鈣礬石[9]。氯化鈉的加入會影響體系中H+的含量，使體系的pH值降低[8]，最終會降低體系中凝膠體和鈣礬石含量，則使在相同水灰比下，試樣B最終的滲透系數(shù)大于試樣A。

4 結(jié)語

本文深入討論了當(dāng)前對高水速凝材料滲透性能研究現(xiàn)狀，沒有專門針對高水速凝材料滲透性能試驗的相關(guān)規(guī)范和儀器設(shè)備。通過分析高水速凝材料的物理化學(xué)特性選用并改進(jìn)了現(xiàn)有儀器進(jìn)行試驗。主要得出以下結(jié)論：

1)改進(jìn)后的TST-55變水頭滲透儀基本消除了高水速凝材料水化膨脹帶來的試驗誤差，能夠準(zhǔn)確測出高水速凝材料滲透系數(shù)，為本次試驗和后續(xù)工作提供可靠試驗手段。

2)高水速凝材料滲透系數(shù)隨著齡期的增長不斷減小、隨水灰比的降低而減小，最終滲透系數(shù)達(dá)到10-8級。不僅為后續(xù)工作提供了有效數(shù)據(jù)，也為實際工程領(lǐng)域提供了參考依據(jù)。

3)使用海水與高水速凝材料進(jìn)行水化反應(yīng)時，由于氯化鈉能夠加速Al(OH)3凝膠的形成，較早的密實了鈣礬石針狀縫隙，而Al(OH)3凝膠難溶于水的特性使得高水速凝材料更快形成抗?jié)B性。氯化鈉同時能增加溶液氫離子含量，降低體系的pH值，導(dǎo)致鈣礬石最終含量減少，以至于高水速凝材料滲透系數(shù)變高。

[1] 孫恒虎，宋存義.高水速凝材料及其應(yīng)用[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[2] 胡 華,崔明義.高水材料硬化體特性及其充填體力學(xué)作用機理分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),2001,21(5):23-25,46.

[3] 陳國鋒,楊永生.ZKD高水速凝材料若干性能的實驗研究[J].礦業(yè)快報,2000(20):4-7.

[4] 侯林濤,唐軍務(wù),蔣凱輝，等.高水材料的基本特性及其在港口工程中的應(yīng)用[J].水運工程,2007(5):54-56.

[5] 王新民,過 江,張欽禮,等.高水速凝材料硬化體微觀特征分析[J].礦業(yè)研究與開發(fā),1998(1)：2.

[6] 張改玲,王雅敬.高圍壓下砂土的滲透特性試驗研究[J].巖土力學(xué),2014(10):2748-2754,2787.

[7] 李 波,邵玲玲.氧化鋁、氫氧化鋁的XRD鑒定[J].無機鹽工業(yè),2008,40(2):54-57.

[8] 張文娟,王潮霞.氯化鈉對陽離子雜化硅溶膠凝膠化的影響[J].功能材料,2009,40(2):274-277.

[9] 鄭娟榮,孫恒虎.pH值對高水固結(jié)充填材料凝結(jié)性能的影響機理[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2000,29(3):314-317.

Research on seepage properties of high water quick-setting material and its mechanism analysis

Hu Lianghao1,2Wang Bin1,2Zang Deji1,2

(1.NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 2.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,Nanjing210029,China)

This paper used the self improved TST-55 type falling head permeameter, tested and researched the permeability coefficient of rich water accelerated material decreased with the increase age of different water cement ratio, age and use of fresh water, sea water, decreased with the decrease of water cement ratio, the water permeability coefficient of the material was high of sea water.

rich water accelerated material, permeability coefficient, sea water, water cement ratio

1009-6825(2016)28-0115-03

2016-07-21

胡良浩(1990- )，男，在讀碩士； 汪 濱(1964- )，男，教授級高級工程師； 臧德記(1981- )，男，碩士，高級工程師

TU502

A