超细水泥基注浆材料性能研究.pdf

2 8 煤芷遮让缝 生筮3 翅 武汉理工大学管学茂胡曙光丁庆军 长江科学院陈明祥 摘要本文着重研究了超细水泥基材料的物理力学性能，与高效减水剂的相容性，水灰 比，搅拌时间等注浆工艺参数对超细水泥基注浆材料性能的影响。为设计和施工单位合理选 择外加剂，确定注浆工艺参数提供了参考依据。 关键词超细水泥注浆材料工艺参数 注浆技术具有施工成本低、工期短、见效快、 施工设备简单、需要的空间小等优点，故在地下工 程、矿井建设、土建、水利水电等领域中有广泛的 应用。水泥注浆材料自1 8 3 8 年英国汤姆逊隧道 开始应用，后来人们在实践中发现普通水泥粒径 较大，对于微细裂隙注浆加固效果较差，因此转向 化学注浆材料的研究，但是它的价格高、配方复 杂，而且有毒，其发展受到限制，尤其1 9 7 4 年日本 上冈县发生注浆污染事故后，日本、美国相继禁止 了有毒浆材的使用。为了在低渗透介质中提高水 泥的可灌性，超细的水泥基注浆材料成了研究的 热点。目前美、日、德、法等国均能生产比表面积 8 0 0 ～1 6 0 0 m z ／k g 的超细水泥，最大粒径小于2 0 胛， 平均粒径小于5 胛，我国也能根据工程需要生产 出相应细度要求的超细水泥。随着水泥细度的减 小，其物理力学性能、流变性能、水化性能等均会 发生很大变化，但目前对超细水泥基注浆材料的 性能缺乏系统研究，防碍了它的应用和发展。本 文旨在对超细水泥基注浆材料与施工工艺直接相 关的性能进行研究。 1 试验原材料及方法 1 ．1 原材料 试验选用了葛洲坝水泥厂生产的普硅5 2 5 4 简称0 P C 和普硅5 2 5 。经超细粉磨的超细水泥 简称M P C ，其化学成分如表1 ，细度分布如表2 ， 高效减水剂如表3 。 表l水泥化学成分 ％ 苎竺 竺 竺竺竺竺竺竺兰至里翌 型 0 咒0 ．昕4 ．昭1 7 ．33 0 ．3 9 5 3 ．3 3 7 0 ．0 9 8 1 ．岛妮．4 l9 7l ∞3 3 3 ．2 ⅧC3 ．2 01 7 ．2 l5 7 ．4 5 7 l8 5 跖．”9 3 ．3 3 9 6 ．4 59 7 ．材1 0 0 1 0 09 3 2 ．8 u 阿一5 s 7 天津天鼎建筑外加剂有限公司四一l 浙江龙游外加剂厂 花王上海花王化学有限公司F D N 武钢浩源外加剂厂 s F北京汉苑外加剂厂F E北京炼焦化工厂 1 ．2 试验方法 1 水泥粒子的粒径分布采用英国M s X 激 光粒度分布仪测试。 2 水泥化学成分分析G B ／T 1 7 6 1 9 9 6 。 3 浆液粘度G B l l 9 3 3 3 9 方法测试。 4 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安全性 按G B l 3 4 6 测定。 5 胶砂强度按G B l 7 7 水泥胶砂强度检验 方法 。 6 水泥安定性G B ／r 1 7 5 0 一9 2 。 万方数据 巡l 生筮呈期煤贮逡让2 窆 2 试验结果与分析 2 ．1 超细水泥的物理力学性能 为了分析水泥细化对其物理力学性能的影 响，对M P c 和O P C 水泥的物理性能进行了试验， 如表4 所示。 表4水泥的物理力学性能 凝结时间 h r n ．m 抗压强度 蛐P a 抗折强度 加 a 水泥品种 匕E 初凝终凝 3 d 7 d2 8 d3 d 7 d2 8 d 眦1 3 52 2 04 6 ．4 ∞．88 5 ．46 ．7 7 ．6 49 ．9合格 0 代2 1 82 5 53 7 ．1 镐．26 4 ．26 ．O 7 ．4 9 ．5合格 从表4 可得出以下结论 1 水泥细化后凝结时间明显缩短，胶砂抗压 强度显著提高，抗压强度增加了3 0 ％以上，但抗 折强度变化不大。 2 M P C 的抗压强度3 1 d 龄期增长3 7 ．5 ％， 7 _ 2 8 d 龄期增长3 3 ．8 ％；O P C 的3 - 7 d 龄期增长 2 9 ．9 ％，7 1 8 d 增长3 3 ．2 ％。超细水泥各龄期强 度增长幅度均大于普通水泥，但是M P C 的后期强 度增长幅度小于前期，而O P C 与此相反。 按照化学反应动力学原理，在其它条件相同 的条件下，反应物参与反应的比表面积越大，其反 应速率越快，因此水泥细度越大，水化速度越快， 单位时间内水化产物增加，由此促进水泥浆体由 悬浮状态向凝聚结晶结构转变，凝结时间缩短，强 度增长幅度变大。研究表明大于6 0 脚的颗粒对 水泥水化及强度的作用甚微，而小于5 脚的颗粒 对早期强度贡献较大。5 ～3 0 脚的颗粒是担负强 度增长的主要粒级，3 0 ～6 0 脚主要对后期强度贡 献较大。由表2 可知M P C 粒子的粒径0 ～5 娜占 5 7 ．4 5 ％，O P C 仅有1 7 ．3 ％，所以3 7 d 龄期M P C 的强度增长率大于O P C 。5 3 0 脚粒径范围M P C 中含3 5 ．8 8 ％，O P C 占5 2 ．7 9 ％，因此7 _ 2 8 d 龄期 ⅦP C 的强度增长率大于O P C 。但是旷q 0 肿粒 径范围O P C 仅占7 0 ．0 9 ％，M P C 为9 3 ．3 3 ％，所以 在各龄期M P C 水化产物数量大于O P C ，故其砂浆 强度较高。 2 ．2 水泥与高效减水剂的相容性 由于水泥的比表面积大，标准稠度需水量增 大，流动性降低，而注浆效果除了决定于水泥的细 度，还取决于浆体的流动性，因此必须采用高效减 水剂增加其流动性。高效减水剂与水泥的相容性 取决于水泥的细度、矿物和化学组成，高效减水剂 的物理化学性质，尤其是它们的分子量和反离子 的类型等。对超细水泥注浆材料应进行高效减水 剂的优选。 试验选择六种类型的高效减水剂，试验条件 T F ， 是罟 o ．6 ，减水剂掺量1 ％，水泥为M P C ，采用漏 U 斗粘度计测试水泥净浆的粘度，如表5 。 表5高效减水剂的优选结果 高效减水剂皿一1 F I NF E S F花王U N F 一5 S 7 粘度 s 6 7 ．81 3 09 3 ．62 5 05 85 l 表5 表明z B 一1 、花王和U N F 一5 S 对提高浆 液的流动性效果相对较好，但是其粘度仍然较大， 根据水工建筑物水泥灌浆施工技术规范 ，浆液 的粘度应小于3 0 s ，因此进行了减水剂掺量对浆液 流动性的影响试验，水灰比为0 ．6 ，如表6 。随着 减水剂掺量增加，浆液粘度降低，当掺量增加到 1 ．5 ％时，花王和U N F 一5 s ，均使浆液粘度小于 3 0 s 。说明在选择高效减水剂时既要考虑与水泥 的相容性，又要考虑合理的掺量。 表6 减水剂掺量对浆液流动性影响 外加剂品种窈一l花王U N F 一5 S 掺量 ％1 ．O1 ．21 ．51 ．O1 ．21 ．51 ．O1 ．21 ．5 粘度 s 6 7 ．86 7 ．23 2 ．d5 84 0 ．2 2 8 ．25 13 1 ．8 刀．6 2 ．3 注浆工艺参数 注浆施工中，除了注浆材料的粒度和组成对 注浆效果有影响外，浆液的水灰比和搅拌时间等 工艺参数也影响注浆效果，因此必须掌握工艺参 数对浆材性能的影响。 2 ．3 ．1 水灰比 水泥基注浆材料在满足细度要求的前提下， 要获得理想的注浆效果，很大程度取决于水泥浆 万方数据 3 Q 崖壁遮荭塑 生筮3 翅 3 0 2 5 2 0 1 5 l O 5 0 折水 1i ．522 ．53 水灰 图1 水灰比对浆液粘度和析水率的影响 图2 析水率随析水时间的变化 液的水灰比。水灰比过大，水会从浆体中析出或 存留在孔隙中，破坏裂隙中灌注的水泥结石连续 性和形成空洞。而且，大水灰比浆液稳定性差，水 携带水泥微细颗粒沿裂隙扩散，水泥颗粒越细，被 携带越远，裂隙被充填的时间也越长，而较粗的颗 粒会在裂隙的通道上沉淀淤积，逐渐堵塞通道使 得细颗粒也难以通过，成为透水不透浆，导致析水 回浓。因此采用较小的水灰比注浆，或采用稳定 性好的浆液注浆，其注浆效果将明显优于大水灰 比浆液。图1 、2 分别为水灰比对超细水泥浆液粘 度及析水稳定性的影响。当罟 1 ．5 后， U 浆液粘度减小幅度很小；随水灰比增加析水率增 大，析水稳定时间缩短。 2 ．3 ．2 搅拌时间 用水泥注浆，为防止浆液析水沉淀，保持分散 稳定性和均匀性，在注浆过程中必须持续对浆液 进行搅拌。试验重点研究低速 6 0 r ／l I l i n 搅拌时间 对浆材性能的影响，试验选用四种水灰比 0 ．8 1 ， 1 1 ，2 1 ，3 1 ，六种搅拌时间 0 ，3 0 ，6 0 ，1 2 0 ，1 8 0 ， 2 4 0 l l l i n 。试验制浆过程为 水 高速搅拌机一加减水剂一加水泥一高速 1 2 0 0 r ／I I l i n 搅拌3 1 1 1 i n 一低速搅拌一取样测试 测试结果如图3 5 。搅拌能加速水泥水化， 当水灰比较小时促进了浆液由悬浮结构状态向凝 聚结构的转变，由此导致罟 o ．8 的浆液；当搅拌 乙 时问超过1 2 0 l I l i n ，其粘度显著增加。罟≥1 时，浆 U 液由悬浮状态转变为凝聚结构需要较长时间，因 此搅拌对其浆液粘度影响不大；另外由于罟≤1 U 时，浆液属稳定性浆液，搅拌时间长短对其析水率 的影响不大，对其水泥石的强度影响也甚微，但是 当罟 2 和3 时，浆液的析水率随搅拌时间增加 U 呈直线减小，相应其水泥石强度也显著降低，搅拌 1 2 0 l l l i n 后抗压强度降低为初始强度的5 0 ％左右。 0 。一1 一一1 ～一1 一。L ～ O6 01 2 01 8 0 2 4 0 搅拌时间缸i l 】 图3 浆液粘度与搅拌时间的关系 3 结论 1 水泥超细化不仅能提高其对于微细裂隙 的渗透能力，而且还能提高固结强度。 2 由于水泥细化后，比表面积增加，标准稠 度需水量增加，流动性降低，常采用高效减水剂来 即∞∞绚∞∞均。 眠 氓 一 J ．r 一 一一．．．∥一 一 ．； 卜 r ◆ 一 ～ P 舢 一 ．鎏 析阳印∞蚰∞∞m 0 万方数据 缝 生箜3 翅堪芷遮进3 1 0 右0 l 扣1 ∞瑚 图4 浆液析水率与搅拌时间的关系 O6 0 1 2 01 8 0 2 4 0 搅拌时间 m i n 图5 结石强度 勰d 与搅拌时间关系 增加浆液的流动性，但是高效减水剂与水泥的相 容性取决于水泥的细度、化学和矿物组成等多因 素，因此对不同品种超细水泥均应进行外加剂品 种和掺量的优选，M P C 采用花王和U N F 一5 S 高 效减水剂效果较好。 3 增大水灰比可以显著降低浆液的粘度，但 W r 是当罟 1 ．5 后增大水灰比，浆液粘度减小幅度 L 1 订， 较小。当罟 1 后，浆液的稳定性变差，随着搅拌 L 时间的延长，析水率降低，结石强度下降。 W ， 4 罟≤1 的浆液属稳定性浆液，搅拌时间对 乙 其析水率和强度影响较小，但是水灰比较小时，浆 液的粘度随搅拌时间的延长会显著增加。 5 弃浆时间。对于水灰比较小的浆液，搅拌 时间应用浆液的粘度来确定，对于大水灰比的浆 液，则应用析水率和结石强度两个指标综合确定， 据此M P C 的弃浆时间以不超过1 2 0 1 1 1 i n 为宜。 参考文献 1D a l eP ．B e n 乜，E 任醅t so fc e m e n tp a I t i c l e ss i z ed i s 晒b l 右∞o n p e 血m ㈣p r 叩e m e s0 fP } n l a I l dc 伽地n t b a 8 e d Ⅱl a I e I i a l s ， C 锄c o n c r 胝1 9 9 9 2 9 1 6 6 3 1 6 7 1 2 J 0 h J lB e I 咖d ，腼c m 6 ∞C 锄e n 协，W D r l dC 伽e n t1 9 9 2 ．1 2 3 赵飞、冯修吉，颗粒大小对水泥水化和性能的影响，硅 酸盐通报，1 9 9 2 ．4 责任编辑马光辉 ※信息桥※ 簿攀菘篱鹫甏戮教媾溅谚蕊键蘩簿辫蘩黧 课题由国家煤矿安全监察局主持，于2 0 0 1 年2 月2 5 日在峰峰矿务局九龙煤 矿通过了技术鉴定。 目前，我国摩擦提升机所需的高性能摩探衬垫主要依赖于进口。1 9 9 r 7 年中国矿业大学 北京校区 开始研制橡塑型 衬垫，2 0 0 0 年8 月3 1 日安装在峰峰矿务局九龙煤矿主井 箕斗提升 ∞．2 5 m 四绳落地式摩擦提升机上运行，并作过空载 紧急制动和减少轻载侧自重试验，均未发现滑绳，计算摩擦系数肚值已超过0 ．2 5 。经过近半年时间的运转，状况良好。 该衬垫热稳定性好，摩擦系数高。有利于防止滑绳导致衬垫热熔的恶性滑动事故。 鉴定委员会认为该衬垫研制的理论分析正确，试验研究过程具有科学性，研究成果具有创造性，性能可靠，填补了 我国此领域材料应用研究的空白，达到国际先进水平，具有广阔的应用前景。 根据 和 的有关规定，结合国内摩擦衬垫性能的现状，N P l 型摩擦衬垫的使用将使 现有国产摩擦式提升机具有稳定充裕的防滑安全储备，进而极大地改善提升机在各种提升状态下的运行质量。为此，中 煤设备成套总公司受托在煤炭行业现有生产矿井，负责推广使用该摩擦衬垫，并收集使用情况的信息。 本刊编辑部苏敬乔 抗 ∞ 巧 弘 诽 S ● 万方数据