超细水泥灌浆材料的发展现状及应用

日期:2020-09-03 03:42

  】摘要:水泥作为灌浆材料具有强度高,耐久性好,无毒,无味,材料来源方便,价格低廉等优点,一般灌浆多采用普通水泥。但普通水泥粒径较大,粗颗粒多,最大粒径可达90~100μm。水灰比较大时,浆液的稳定性差,易析水回浓,不能有效灌入细微裂隙;且硬化时伴有析水,固相体积收缩,使硬化结石与被灌基体的粘结强度降低,形成新的渗水通道。特别是针对基体细微裂隙的灌浆,普通水泥已难以满足工程要求,于是一种新型的灌浆材料——超细水泥便应运而生了。自从80年代初日本研制成功MC—500型超细水泥以来,由于其浆液稳定性好,流动性比普通水泥有显著改善,并在固结时很少析水或不析水,具有良好的防渗固结效果,达到和化学浆液相似的可灌性,其结石强度大大高于化学浆材,无污染,不老化,价格低廉,因而一出现便在许多国家得到了广泛的应用〔1~4〕。本文即介绍了超细水泥作为灌浆材料在国内外的一些发展现状,并对其使用过程作了一些分析。

  一般认为,作为超细水泥其最大粒径应小于20μm,分割粒径应小于5μm,比表面积则应该大于5〕。有必要指出的是最大粒径并非绝对意义上的最大粒径,若最大粒径小于20μm,通常指,即允许有5%的粒子大于20μm3〕。

  超细水泥的生产是以普通水泥或水泥熟料为原料,采用一定的粉磨设备制得,常用的粉磨设备有球磨机、振动磨、雷蒙磨、搅拌磨、气流磨等。然而直接应用这些设备制取超细水泥是不经济的,因为粉磨一段时间后,水泥粒径变小,比表面积增大,表面能增加,细颗粒团聚能力加大,因而必须采用超细分级机及时将合格的细水泥分离出来。

  超细水泥与普通水泥在组成上的主要不同点是在制备过程中加入了一些性能调节剂〔6〕。性能调节剂的选择和掺量是根据灌浆工程的需要来决定的,这是因为随着水泥颗粒的细化也带来以下一些问题,影响水泥的灌浆效果。

  (1)流动性降低,如不采取措施,要达到同普通水泥相同的流动性必须增加用水量,增大水灰比又使浆液稳定性降低;

  (2)由于保水性好,硬化结石的水灰比大,毛细管孔尺寸大且多,影响水泥结石的密实性,进而影响抗渗和耐蚀等性能;

  (3)水泥越细收缩值越大,引起结石与基体粘结失效。因此,在制备过程中要加入一些性能调节剂(如膨胀剂、减水剂、调凝剂等),为防止水化升温过高,有时也加一些粉煤灰、粒状高炉矿渣和硅粉等掺合料。

  超细水泥的密度一般为2.8~3.2g/cm3,同普通水泥并无多大差别,但容重很低,一般为0.6~1.0 g/cm 3。由于其细度较高,普通水泥的筛分法已难以满足其粒径测试的要求,通常采用的是光透沉降粒度仪或激光粒度仪等7〕。在使用过程中,由于其比表面积大,活性高,同普通水泥也有很大差异。

  流动性在水化过程中,由于超细水泥颗粒的高活性,其需水量明显高于普通水泥,为提高浆液的流动性,需要加入一些减水剂,使浆液粘度降低,便于灌入细微裂隙中。一般减水剂的掺量为0.5%左右。

  稳定性水泥浆液的稳定性是在250ml的量筒中注满浆液,随着时间的延长,用上部析水高度占整个浆液高度的百分数来表示的。作为灌浆材料,其析水率愈低,析水历时愈长,浆液的稳定性越高,对灌浆越有利。普通水泥由于颗粒大,沉降快,稳定性较差。对水灰比W/C=1∶1的浆液,普通水泥析水率25%,析水历时为1.5h,而超细水泥析水率则5%,析水历时为2h以上,稳定性大大提高。

  浆液温度超细水泥由于其活性高,水化初期水化热很大,浆液升温很快,当温度超过40℃时,对结石强度增长十分不利。为降低其水化热,常常在制备过程中要加入一些活性掺合料,如粉煤灰,高炉矿渣,硅粉等。

  凝结时间凝结时间既要考虑灌浆操作所需要的时间,又要考虑在灌浆结束后,裂隙中灌入的水泥浆液能很快地凝结硬化,在不同的使用场合对凝结时间有不同的要求。超细水泥由于在制备过程中已经掺加了适量的调凝剂,可以满足工程的需要,一般调凝剂的掺量为0.5%~2.5%。

  膨胀性超细水泥中加入适量膨胀剂,其28d水泥净浆自由线%之间,使水泥结石后期不收缩,这对防渗补强是十分有利的,特别是细微裂隙的灌浆,可以取得很好的灌浆效果。

  抗压及抗渗性能超细水泥具有较高的强度,特别是早期强度。这主要是因为其颗粒较细,水化活性较高,水化充分,水化物比普通水泥多,且结构均匀、致密所致。一般其28d抗压强度净浆可达25MPa以上,砂浆不低于55MPa。并且由于其结构内部孔隙多以非连通孔形式存在〔8〕,抗渗性能也十分优异。

  可灌性作为灌浆材料,可灌性是最重要的性能指标之一,通常采用室内模拟浆液灌入一定细度的砂体的能力来表示。普通水泥一般只能灌入粒径大于0.5mm的粗砂体中,而超细水泥能灌入粒径为0.1~0.2mm的细砂体中。这对灌注细微裂隙十分有利,在一定程度上可代替化学灌浆。4国内外发展情况及应用

  自从80年代初日本开始研制超细水泥以来,短短二十年内,超细水泥的生产和应用得到了飞速的发展。日本、美国、德国、瑞士、中国〔1~6,9~10〕都有报道。特别是近几年来,国内一些企业在高校和研究院的技术支持下,陆续生产出一批质量很高的超细水泥灌浆材料,并成功应用于水电、地铁、隧道、油井、矿山等处的防渗补强施工,取得了良好的社会和经济效益。国内外超细水泥的生产及应用情况见表。

  国内外超细水泥的生产及应用情况从表中可以看出,超细水泥由于采用了超细分级机,粒径都较小,再加上包装、运输等因素,成本都较高,一般在2000元/t以上,但由于在制备过程中一次性掺入了性能调节剂,使用起来较方便。5存在的问题及发展趋势

  目前,虽然有一些厂家生产超细水泥,但普遍存在规模小,成本高,缺乏统一的质量标准,从而限制了其大量使用。在实际施工过程中,也需要解决一些问题:

  ①超细水泥由于其粒径小,活性高,制浆时必须有一台转速至少为1500r/min的高速搅拌机,才能使其颗粒充分分散,保证浆液静置时颗粒的沉降速度减慢,析水率明显降低,浆液稳定性提高。

  ②普通水泥灌浆时,为提高浆液的稳定性,通常要加入少量的膨润土,但是对超细水泥灌浆而言,必需放弃使用膨润土因为膨润土在悬浮液中有团聚作用,对灌浆不利。

  ③一般认为灌浆时采用大水灰比浆液,流动性好,可增大对细微裂隙的可灌性。对普通水泥而言,其开灌水灰比一般为8∶1或10∶1,但是从另一方面考虑,水灰比大,水泥颗粒沉降快,浆液不稳定,容易析水回浓,可灌性并不一定好。由于超细水泥本身粒径小,且是在普通水泥灌浆无法满足要求的情况下使用,其灌浆水灰比一般应控制在2∶1以下。

  ④虽然超细水泥中掺入了一些粉煤灰、矿渣等,但由于其高活性,水化初期浆温仍很高,特别是采用高压灌浆时。在具体施工时,应采取措施控制浆温。

  尽管如此,超细水泥由于具有良好的可灌性,价格相对低廉,经久耐用,结石强度高,对环境无污染等优点,日益成为新一代的“绿色灌浆材料”。现在,修补混凝土中的裂隙一直是化学灌浆的范畴,但随着超细水泥生产成本的降低和人类环保意识的增强,这一领域将逐渐为超细水泥所代替。超细水泥灌浆材料也将在水电、地铁、隧道等工程中得到更广泛的应用。

  1TA Melbye,利用超细水泥进行岩石灌浆.见:水利部情报所.岩石与混凝土灌浆译文集(内部资料),1993

  2  RJ Krizer水泥浆的泌水性与流变性.见:水利部情报所.岩石与混凝土灌浆译文集(内部资料),1993

  3  p noske超细水泥灌浆在岩土工程中的应用.见:水利部情报所.岩石与混凝土灌浆译文集(内部资料),1993

  4  B Schuize关于超细水泥浆液可灌性的新研究.见:水利部情报所.岩石与混凝土灌浆译文集(内部资料),1993

  8陈义斌.湿磨细水泥浆材水化特性研究.硅酸盐通报(增刊),1997:358~361

  9谢尧生等.三峡工程主体建筑物基础灌浆试验.见:中国建筑材料科学研究院.改性灌浆水泥灌浆试验总结报告(内部资料),1997

  10王赓尧等.超细水泥在运营隧道衬砌内部注浆中的应用.见:防排水专业委员会第八次学术会议论文集(内部资料),

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