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改性木素高效注漿泵送劑GCL1—3 U的性能研究

2006-08-21 00:00
【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。
 
【關(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(zhǎng)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)
11 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。
  麥斯特(Master)減水劑: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(MG):由廣州造紙有限公司生產(chǎn),其中純木素磺酸鈣約占70%。
  水泥:金羊牌R32.5普通硅酸鹽水泥。廣州水泥廠生產(chǎn)。
  注漿材料配比:水泥110g;粉煤灰390g;砂子:815g;膨潤(rùn)土:30g。
 
12 試驗(yàn)技術(shù)
121 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(jiǎn),最后計(jì)算出漿料的泌水率。
 
122 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-某一時(shí)刻流動(dòng)度)/起始流動(dòng)度×100%
 
123 注漿材料膠凝體系流變性能的測(cè)定
 
  將265g膠凝物質(zhì)(含55g水泥、195g粉煤灰和15g膨潤(rùn)土)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(25±1)℃。
 
124 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):(1)具有良好的流動(dòng)性;(2)穩(wěn)定性好,不離析;(3)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。
 
    
 
3 GCL1—3U對(duì)注漿材料性能的影響
31 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。
 
    
 
  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(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。
 
32 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(zhǎng)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Ca(OH)2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。
 
    
 
33 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。
 
    
 
  由表1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。
 
34 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浴T囼?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。
 
  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(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(zhǎng),但都比摻加相同摻量MG的漿料凝結(jié)時(shí)間短。
 
    
 
35 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。
 
    
 
  由試驗(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。
 
36 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。
 
  由結(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。
 
    
 
4 結(jié)論
 
  (1)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。
 
  (2)研究了摻加GCL1—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%。
 
 ?。?)GCL1—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(zhǎng),但比摻MG的短。此外,GCL1—3U可使?jié){料的28d抗壓強(qiáng)度提高52%。
 
  (4)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。
 
 ?。?)GCL1—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 

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2024-11-27 14:17:12