吳 熙，任夢(mèng)博，劉映晶，魏新江，丁玉琴

（1.浙大城市學(xué)院 土木工程系，浙江 杭州 310015；2.城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化浙江省工程研究中心，浙江 杭州 310015；3.中天建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310009）

0 引 言

眾多學(xué)者開(kāi)展注漿材料性能研究，并提供了相關(guān)理論基礎(chǔ)。周麟等[3]通過(guò)正交設(shè)計(jì)基礎(chǔ)材料配比，探討分析了水泥、粉煤灰等對(duì)漿液流動(dòng)性、稠度、強(qiáng)度等的影響規(guī)律，提供了同步漿液優(yōu)化的方向。MAO等[4]利用正交試驗(yàn)進(jìn)行了粉灰比等對(duì)漿液性能的影響研究，為水下隧道注漿提供了水泥砂漿配合比。SHA等[5]研究了高效減水劑與粉煤灰等材料的協(xié)同機(jī)理，討論了漿液中減水劑的合適摻加量。AZADI等[6]研究了三乙醇胺、膨潤(rùn)土等外加劑對(duì)漿液泌水率、凝結(jié)時(shí)間等性能的影響規(guī)律，確定了每種成分的最佳用量。趙青等[7]研究了羥丙基甲基纖維素對(duì)漿液流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間等的影響規(guī)律，提高了水泥基漿液的抗水分散性能。仇佳琳等[8]研究了減水劑復(fù)配方案對(duì)水泥漿液流動(dòng)度、凝結(jié)時(shí)間等性能的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)配方案均能延長(zhǎng)漿液的凝結(jié)時(shí)間，增大其流動(dòng)度。唐超等[9]研究發(fā)現(xiàn)減水劑的減水和分散作用會(huì)使?jié){液的凝結(jié)時(shí)間小幅增加，黏度和結(jié)石率下降，減水劑能夠改善漿液的流動(dòng)特性。

上述試驗(yàn)僅研究了漿液基準(zhǔn)配比參數(shù)和外加劑對(duì)漿液即時(shí)性能的影響，沒(méi)有考慮特定地層以及延遲注漿對(duì)注漿漿液的影響。故本文將調(diào)配適用于軟土地區(qū)的漿液配比，研究減水劑和緩凝劑對(duì)漿液即時(shí)性能和延時(shí)性能的影響規(guī)律，提出注漿延遲一定時(shí)間后漿液恢復(fù)性能的方案，并得到適用于軟土地區(qū)的漿液配比，為工程注漿提供即時(shí)和延時(shí)性能的優(yōu)化方案，為軟土地區(qū)注漿工程提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用注漿材料采用水泥、砂、膨潤(rùn)土、粉煤灰和水，其中水泥采用河北產(chǎn)的P.O.42.5的普通硅酸鹽水泥，粉煤灰采用濟(jì)南黃臺(tái)電廠的F級(jí)粉煤灰，細(xì)砂采用了最大粒徑為6 mm的細(xì)砂，其細(xì)度模數(shù)為1.51，膨潤(rùn)土采用浙江湖州安吉益國(guó)廠家生產(chǎn)的納基膨潤(rùn)土。緩凝劑使用羥基乙叉二膦酸（HP），減水劑使用醛酮縮合物（AKC）。

1.2 基準(zhǔn)試驗(yàn)組

郄向光等[10]、鐘小春等[11]、李發(fā)勇[12]采用的軟土地區(qū)漿液水膠比均在1.0左右，符合周麟等的正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果[3]，故本試驗(yàn)組固定水膠比1.0，采用的配合比如表1所示，表中采用的是各材料的相對(duì)質(zhì)量比。

表1 漿液試驗(yàn)組配比Table 1 Slurry ratio

1.3 基準(zhǔn)配合比確定

軟土地區(qū)注漿要求漿液注入土層后要有一定的早期強(qiáng)度，便于及時(shí)支撐周圍土體，控制周圍土體的位移，同時(shí)為保證注漿的流暢性，漿液的流動(dòng)度和稠度也要控制在一定范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)有的注漿工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，軟土地區(qū)要求漿液的流動(dòng)度要在25～40 cm以內(nèi)，稠度在12～13 cm區(qū)間范圍內(nèi)，漿液的早期抗壓強(qiáng)度大于0.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度大于1.0 MPa，初凝時(shí)間控制在4 h，終凝時(shí)間控制在10 h，泌水率也應(yīng)不大于3%[13-15]。

根據(jù)以上軟土地區(qū)注漿漿液要求，對(duì)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示，發(fā)現(xiàn)漿液的初凝時(shí)間基本維持在1～2.5 h左右，不滿足注漿要求，需要加入緩凝劑來(lái)調(diào)節(jié)。根據(jù)漿液流動(dòng)性能要求，綜合考慮漿液泌水率、早期強(qiáng)度等要求，首選第 8組作為基準(zhǔn)配合比，水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶膨潤(rùn)土=1.0∶6.7∶17.4∶7.7∶2.0。

表2 漿液試驗(yàn)組性能值Table 2 Slurry properties of test groups

2 漿液配合比優(yōu)化

2.1 外加劑試驗(yàn)

根據(jù)上節(jié)的基準(zhǔn)配合比研究，發(fā)現(xiàn)在無(wú)外加劑的情況下，基準(zhǔn)配合比在滿足流動(dòng)性、強(qiáng)度等條件下，無(wú)法滿足漿液的初凝時(shí)間要求，需要加入外加劑來(lái)調(diào)配。本節(jié)將以緩凝劑和減水劑對(duì)漿液性能的影響研究為基礎(chǔ)，以漿液的流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間作為首要協(xié)調(diào)對(duì)象，試驗(yàn)分析外加劑對(duì)兩者的影響規(guī)律，優(yōu)化漿液性能。試驗(yàn)配比如表3所示。

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市內(nèi)部對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)與配送的需求也在不斷增加。慕思捷表示，隨著大城市的購(gòu)買力愈發(fā)旺盛，物流業(yè)對(duì)設(shè)備的需求也隨之水漲船高?！斑@給整個(gè)物流業(yè)都帶來(lái)了挑戰(zhàn)，使從業(yè)人員面臨著前所未有的嚴(yán)峻形勢(shì)：在電商還沒(méi)有崛起的時(shí)候，他們不會(huì)遇到用智能手機(jī)下單，然后要求24小時(shí)內(nèi)送達(dá)的消費(fèi)者，而隨著移動(dòng)互聯(lián)和電商的發(fā)展，這種購(gòu)買方式已經(jīng)逐漸成為常態(tài)。因此，解決在龐大需求的背景下產(chǎn)生的供應(yīng)鏈新需求，是我們現(xiàn)在最為關(guān)注的事情。”

表3 外加劑試驗(yàn)組Table 3 Admixture amount %

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本文整理了兩種外加劑對(duì)漿液性能的影響。圖1為緩凝劑對(duì)漿液3 h內(nèi)流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響關(guān)系曲線，對(duì)比 A-0與 A-1等曲線圖，加入緩凝劑的漿液3 h內(nèi)任意時(shí)刻的流動(dòng)度均大于未摻加緩凝劑的漿液流動(dòng)度，且A-1、A-2、A-3、A-4、A-5組在3 h的流動(dòng)度比A0組分別提高了16.7%、22.2%、27.8%、27.8%、27.8%，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，緩凝劑摻量越高，漿液的流動(dòng)度損失曲線越平緩，表明隨緩凝劑摻量的增大，漿液的流動(dòng)度損失越慢，但所有曲線的起點(diǎn)基本一致，說(shuō)明緩凝劑只能一定程度上延緩漿液對(duì)流動(dòng)度損失，不能提高漿液的初始流動(dòng)度。

圖1 緩凝劑對(duì)漿液流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的影響Fig.1 Effect of retarder on the loss of slurry fluidity with time

在不同摻量緩凝劑的作用下，漿液在不同時(shí)刻測(cè)得的凝結(jié)阻力和凝結(jié)時(shí)間分別如圖2和圖3所示。圖2顯示，緩凝劑的摻加能夠顯著減小曲線的斜率，且隨著其摻量的增大，曲線上升的斜率越小，即緩凝劑能夠延緩漿液凝結(jié)的速度，其摻量越大，要達(dá)到同樣硬度需要更多的時(shí)間。A-4和A-5組測(cè)量力達(dá)到15 N時(shí)需要的時(shí)間已超過(guò)15 h。

圖2 不同緩凝劑摻量下的漿液測(cè)量力Fig.2 Measured slurry force with different retarder contents

從圖3可以看出：緩凝劑摻量小于0.08%時(shí)，漿液的終凝時(shí)間、初終凝時(shí)間差增長(zhǎng)小于 0.5 h，此時(shí)漿液的凝結(jié)過(guò)程并沒(méi)有明顯的延緩。為了保證漿液的初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別保持在3～4 h和10 h左右，建議緩凝劑摻量控制在0.08%～0.10%區(qū)間內(nèi)。緩凝劑延緩漿液凝結(jié)速度的機(jī)理為：緩凝劑與水泥凈漿中的Ca2+結(jié)合形成微溶性的Ca3.5（C3H7O13NP3）螯合物，并包裹在未水化的水泥顆粒表面，阻止水泥與水的接觸，從而延緩水泥進(jìn)一步水化，所以當(dāng)緩凝劑摻量過(guò)小，后續(xù)生成物不能較好包裹水泥顆粒，故此時(shí)緩凝劑延緩作用不明顯[16]。

圖3 不同緩凝劑摻量下的漿液凝結(jié)時(shí)間Fig.3 Slurry setting time under different retarder dosages

圖4為漿液的流動(dòng)度與減水劑摻量的變化關(guān)系。圖中顯示，減水劑摻量增大可明顯增大漿液的流動(dòng)度，當(dāng)減水劑摻量超過(guò)水泥質(zhì)量的4.2%時(shí)，漿液的流動(dòng)度增大速度明顯提升，此時(shí)減水劑摻量每增加0.1%，流動(dòng)度約增加1 cm。為控制漿液的流動(dòng)度，建議漿液的減水劑摻量盡量在水泥摻量的4.2%以下。根據(jù)靜電斥力理論，由于減水劑表面活性作用，吸附于膠凝材料顆粒表面的憎水基端，可以使顆粒表面帶相同的電荷，加大了彼此間的靜電斥力，導(dǎo)致顆粒相互分散，釋放出更多的游離水，繼而增大漿液的流動(dòng)性[17]。

圖4 減水劑摻量與漿液流動(dòng)度關(guān)系Fig.4 Relationship between the dosage of superplasticizer and the fluidity of slurry

圖5為漿液3 h內(nèi)的流動(dòng)度變化與減水劑摻量的變化關(guān)系。圖中顯示，減水劑的摻加能夠增大漿液 3 h內(nèi)的流動(dòng)度，但是漿液的減水劑摻量在2.4%～4.2%區(qū)間內(nèi)時(shí)，1.75 h內(nèi)的流動(dòng)度相差不大，3 h的流動(dòng)度與無(wú)摻加減水劑相差在3 cm以內(nèi)，故當(dāng)減水劑摻量小于4.2%時(shí)，對(duì)漿液3 h后的流動(dòng)度提高作用區(qū)別不明顯。

圖5 不同減水劑摻量下的漿液流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失Fig.5 Loss of slurry fluidity with time under different dosages of superplasticizer

漿液凝結(jié)時(shí)間測(cè)量裝置測(cè)得的凝結(jié)阻力如圖6所示，圖中顯示，減水劑的摻加能夠明顯延緩漿液的爬升速率，延緩效果隨著減水劑摻量的增大而增強(qiáng)，說(shuō)明減水劑能夠降低漿液的硬化速度，當(dāng)減水劑摻量超于4.2%時(shí)，對(duì)漿液的終凝延緩顯著，超過(guò)13 h。

圖6 不同減水劑摻量下的漿液凝結(jié)速度測(cè)量值Fig.6 Measured values of slurry coagulation speed under different dosages of superplasticizer

漿液的初凝、終凝時(shí)間與減水劑摻量關(guān)系如圖7所示，圖中顯示，隨著減水劑摻量的增加，漿液的初凝和終凝時(shí)間均逐漸增大，當(dāng)減水劑摻量超過(guò)水泥質(zhì)量的4.2%時(shí)，漿液的初凝時(shí)間增大幅度接近75%，終凝時(shí)間約增大了38%。說(shuō)明減水劑能夠延緩漿液的水化反應(yīng)速度和凝結(jié)過(guò)程，但為保證漿液的終凝時(shí)間，建議漿液的減水劑摻量不宜超過(guò)水泥質(zhì)量的4.2%。

圖7 不同減水劑摻量下的漿液凝結(jié)速度測(cè)量值Fig.7 Measured values of slurry coagulation speed under different dosages of superplasticizer

2.3 外加劑優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)證明兩種外加劑均能延緩漿液的凝結(jié)速度，但是相對(duì)而言，摻加水泥質(zhì)量0.12%的緩凝劑能對(duì)漿液的初凝時(shí)間有較好的增大作用，也可減小漿液的流動(dòng)度損失速度，但其3 h內(nèi)的流動(dòng)度小于減水劑作用下的漿液流動(dòng)度。建議使用緩凝劑調(diào)配漿液的初凝時(shí)間，再用減水劑提高漿液的流動(dòng)性能。

綜合上述基準(zhǔn)配比和漿液外加劑對(duì)其性能影響規(guī)律，調(diào)配減水劑和緩凝劑共同提高漿液的性能，發(fā)現(xiàn)加入水泥質(zhì)量0.12%的緩凝劑和3.6%的減水劑能夠達(dá)到上述要求的性能值，其初凝時(shí)間接近4 h，終凝時(shí)間約為14 h，3 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.56 MPa，3 h內(nèi)的漿液流動(dòng)度和稠度如圖8所示，漿液歷經(jīng)3 h后的流動(dòng)度為20 cm，稠度8.3 cm，仍具有流動(dòng)性。

圖8 漿液3 h內(nèi)的稠度和流動(dòng)度測(cè)量值Fig.8 Consistency and fluidity measurements within 3 h of the slurry

3 配比優(yōu)化

現(xiàn)實(shí)注漿工程中，注漿漿液將在預(yù)制后進(jìn)行注漿，但在此過(guò)程中，常存在注漿設(shè)備發(fā)生故障等不可控因素，導(dǎo)致注漿延遲，進(jìn)而使?jié){液流動(dòng)性大大降低，不再符合注漿要求，堵塞注漿管道。本文為試驗(yàn)?zāi)M、研究工程中注漿延遲對(duì)漿液性能的影響，并在此技術(shù)上提出恢復(fù)漿液性能的方法。

在以上優(yōu)化配合比的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)室模擬注漿延遲0、2、3、4、5 h，在延遲注漿的過(guò)程中，模仿漿液在罐車或者攪拌箱中持續(xù)攪拌，研究持續(xù)攪拌時(shí)間對(duì)漿液性能的影響。

圖9表示漿液的3 h內(nèi)流動(dòng)度與攪拌時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系，如圖所示，當(dāng)持續(xù)攪拌時(shí)間超過(guò)4 h時(shí)，漿液的流動(dòng)度下降11 cm，下降了34.8%，攪拌時(shí)長(zhǎng)超過(guò)4 h后漿液的3 h流動(dòng)度低于15 cm，基本不具有流動(dòng)性能，故建議漿液的持續(xù)攪拌時(shí)間不宜超過(guò)4 h。

圖9 不同攪拌時(shí)長(zhǎng)下的漿液3 h內(nèi)的流動(dòng)度Fig.9 Fluidity of the slurry within 3 h under different mixing times

漿液的初凝時(shí)間、終凝時(shí)間與攪拌時(shí)間的關(guān)系，如圖10所示。從圖中可以看出，漿液的攪拌時(shí)間增長(zhǎng)時(shí)，漿液的初凝時(shí)間略微下降，但漿液的終凝時(shí)間增長(zhǎng)，持續(xù)攪拌4 h后漿液的終凝時(shí)間接近20 h，初凝時(shí)間為3 h。這是因?yàn)閿嚢钑r(shí)間的增長(zhǎng)，水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，使得再次測(cè)量漿液的初凝時(shí)間低于攪拌前原始值，持續(xù)的攪拌破壞了漿液分子間的黏聚力，改變漿液的細(xì)微結(jié)構(gòu)，使得漿液的終凝時(shí)間增大。

圖10 漿液的凝結(jié)時(shí)間與攪拌時(shí)間關(guān)系Fig.10 Relationship between the setting time of the slurry and the mixing time

通過(guò)研究不同攪拌時(shí)長(zhǎng)情況下漿液的流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)隨著持續(xù)攪拌時(shí)間的增長(zhǎng)，漿液的流動(dòng)度和初凝時(shí)間持續(xù)下降，終凝時(shí)間增長(zhǎng)。為了恢復(fù)不同延遲時(shí)間下漿液的性能，主要以增大漿液流動(dòng)性為主，以漿液達(dá)到等量流動(dòng)度為準(zhǔn)，探討減水劑摻量對(duì)漿液延時(shí)性能的影響。如圖11所示，漿液二次摻加減水劑與延遲時(shí)間的關(guān)系。隨著漿液延遲時(shí)間的增長(zhǎng)，為補(bǔ)償漿液的流動(dòng)性，所需摻加的減水劑摻量也不斷增加。

圖11 減水劑二次摻加量與攪拌時(shí)間關(guān)系Fig.11 Relationship between the secondary addition amount of the water reducing agent and the mixing time

圖12為漿液二次摻加減水劑后漿液的流動(dòng)性損失曲線。圖中顯示，二次摻加減水劑雖然能補(bǔ)償漿液的流動(dòng)度，但并不能降低漿液的流動(dòng)性損失速度?，F(xiàn)場(chǎng)注漿出現(xiàn)延遲的情況造成流動(dòng)性嚴(yán)重下降，在不超過(guò)4 h的情況下，可以通過(guò)再次摻加一定減水劑的方法恢復(fù)漿液的流動(dòng)性，避免注漿效果嚴(yán)重下降或者漿液損耗嚴(yán)重的情況。

圖12 漿液的3 h流動(dòng)度與攪拌時(shí)間關(guān)系Fig.12 Relationship between the 3 h fluidity of the slurry and the mixing time

圖13為不同攪拌時(shí)長(zhǎng)的漿液二次摻加減水劑后初凝和終凝時(shí)間。從圖中可以看出，二次摻加減水劑后漿液的初凝與終凝時(shí)間繼續(xù)增長(zhǎng)。在延遲時(shí)間達(dá)到5 h后，加入24%的減水劑，初凝時(shí)間達(dá)到5 h，終凝時(shí)間接近20 h。

圖13 漿液的凝結(jié)時(shí)間與攪拌時(shí)間關(guān)系Fig.13 Relationship between the setting time of the slurry and the mixing time

4 結(jié) 論

以上對(duì)軟弱土地層同步注漿材料配比優(yōu)化進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得到了基準(zhǔn)配合比以及外加劑對(duì)漿液即時(shí)和延時(shí)性能的影響規(guī)律。試驗(yàn)得到結(jié)論如下：

（1）減水劑和緩凝劑摻量均能延緩漿液3 h內(nèi)的流動(dòng)度損失速度，但緩凝劑不能提高漿液的初始流動(dòng)度。為保證漿液的初凝時(shí)間在4 h左右，建議緩凝劑摻量控制在水泥摻量的 0.08%～0.10%區(qū)間內(nèi)。

（2）隨著減水劑摻量的增大，漿液的流動(dòng)度、初、終凝時(shí)間逐漸增大。當(dāng)減水劑摻量超過(guò)水泥質(zhì)量的4.2%時(shí)，漿液的流動(dòng)度增大速度明顯提升，初、終凝時(shí)間增大幅度分別接近75%和38%。為控制漿液的流動(dòng)度和終凝時(shí)間，建議漿液的減水劑摻量盡量在水泥摻量的4.2%以下。

（3）軟土地區(qū)注漿配比為水泥∶粉煤灰∶砂∶水∶膨潤(rùn)土=1.0∶6.7∶17.4∶7.7∶2.0，且加入水泥質(zhì)量0.12%的緩凝劑和3.6%的減水劑能夠滿足軟弱土地層的注漿要求。

（4）隨著延遲注漿時(shí)間的增長(zhǎng)，漿液的流動(dòng)度和初凝時(shí)間持續(xù)下降，終凝時(shí)間增長(zhǎng)。在延遲注漿不超過(guò)4 h的情況下，可以通過(guò)再次摻加一定減水劑的方法恢復(fù)漿液的流動(dòng)性，但并不能降低漿液的流動(dòng)性損失速度。