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改性木素高效注浆泵送剂GCL1—3 U的性能研究

【摘要】通过对高效减水剂GCL1—3A进行改性优化。研制了盾构注浆材料用高效泵送剂GCL1—3U。试验结果表明：当GCL1—3U掺量为0．4%时。浆料流动度由未掺泵送剂时的140mm提高至169mm；其3h的相对流动度损失率仅为21．2%。而同一时问内掺加麦斯特减水剂的浆料流动度损失率为32．0%。掺加0．5%GCL1—3U的浆料2h内的泌水牢为4．9%。远低于未掺加减水剂浆料的8．6%。GCL1—3U具有适宜的缓凝性和明显的增强作用。掺量为0．4%时注浆材料凝结时问为9．4h。可使浆料的28d抗压强度提高52%。浆材胶凝体系流变性能的研究显示，此体系属于假塑性流体，具有剪切稀化的性质。GCL1—3U的加入进一步降低了胶凝体系的表观粘度．因此提高了浆材的流动性。【关键词】泵送剂；木素磺酸钙；注浆材料；性能0 引言　　随着地铁建设的发展，注浆材料在地铁隧道工程中的应用越来越广。这类注浆材料除了要满足设计强度和使用要求外，还要求浆材流动性好、不泌水离析、在较长时间内保持良好的可泵性、能顺利泵送施工。为满足这些要求，掺加多功能泵送剂是对浆材必不可少的改进措施。目前常用的泵送剂多为萘系高效减水剂，存在着浆料流动度损失大，不适合泵送，原料成本较高，产品价格昂贵等问题，限制了其推广利用。从造纸制浆废液中回收的木素磺酸盐，一般只能作为普通减水剂使用，由于它价格低廉，来源广泛，可再生，无疑是开发高效减水剂的理想原料。因此以木素磺酸盐为基本原料开发低成本高效泵送剂将具有重大的经济效益和环境效益。　　GCL1—3A是华南理工大学研制的改性木素磺酸钙混凝土高效减水剂，减水率达到16%～20%，与萘系高效减水剂相比，具有降低早期水泥水化热，坍落度损失小，混凝土的保水性好等特点，广泛应用于水利工程中，取得了显著的效益。本研究在GCL1— 3A的基础上，针对注浆材料的性能要求进行进一步改性和优化，研制了高效注浆泵送剂GCL1—3U，并研究了它对注浆材料流动性、稳定性、凝结时间、流变性等性能的影响。1 试验1．1 主要试验试剂　　高效泵送剂GCL1—3U：改性木素磺酸盐高效泵送剂，本文自制。　　麦斯特减水剂：萘系高效减水剂，由广州麦斯特建材有限公司生产。　　木素磺酸钙：由广州造纸有限公司生产，其中纯木素磺酸钙约占70%。　　水泥：金羊牌R32．5普通硅酸盐水泥。广州水泥厂生产。　　注浆材料配比：水泥110g；粉煤灰390g；砂子：815g；膨润土：30g。1．2 试验技术1．2．1 注浆材料泌水率的测定　　将注浆材料拌合物一次装入一个带盖容器中，在振动台上振动30次，然后用抹刀轻轻抹平，加盖以防水分蒸发。自抹面开始计算时间，测定2h内浆料的泌水率。前1h每20min吸水一次．后1h每30min吸水一次。将每次吸出的水都注入带塞的量简，最后计算出浆料的泌水率。1．2．2 注浆材料流动度损失的测定　　将拌好的注浆材料装入一千净的容器中，放在恒温恒湿标准养护箱里养护，以后每隔1／2h测一次流动度。将容器内的浆料装入胶砂搅拌锅内，手动快搅lmin，然后测其流动度。按照下式计算相对流动度损失率。　　相对流动度损失率=／起始流动度×100%1．2．3 注浆材料胶凝体系流变性能的测定　　将265g胶凝物质置于净浆搅拌机中，并且加入150mL水和一定量泵送剂，搅拌4min。然后将拌合物装入NXS一11A型旋转粘度计中，采用B系统进行测量，研究胶凝体系剪切应力和剪切速率的关系，并绘出流变曲线。试验温度℃。1．2．4 注浆材料性能测定　　注浆材料的流动度、凝结时间、抗压强度的测定按有关国家标准GB8077—87、JGJ70—90进行。2 高效泵送剂GCL1—3U 的改性思路和工艺　　地铁盾构隧道对注浆材料性能的要求主要有三点：具有良好的流动性；稳定性好，不离析；适当缓凝，并且早期强度较高。为此。对木钙高效减水剂GCL1—3A进行适当的改性，具体的改性工艺见图1。　　　　3 GCL1—3U对注浆材料性能的影响3．1 GCL1—3U对注浆材料流动性的影响　　流动性是注浆材料最重要的性能之一。浆料流动性越大，可注性越强。试验分别测定了掺GCL1—3U、广州地铁3号线工地使用的萘系高效减水剂麦斯特的浆料流动度，用水量为270mL，结果如图2所示。　　　　　　由图2的结果可见。随着减水剂掺量的增加，注浆材料的流动度也随之提高。当减水剂掺量小于0．4%时，掺加GCL1—3U的浆料流动度比掺加麦斯特的要大；当掺量为0．4%时，掺加GCL1—3U浆料的流动度由140mm提高至169mm，而掺加麦斯特的浆料流动度仅为162mm。说明此掺量下GCL1—3U对浆料的分散作用比麦斯特减水剂要好。但当减水剂掺量大于0．4%时，掺加GCL1—3U的浆料流动度有所下降，而掺加麦斯特的浆料流动度继续提高。3．2 GCL1—3U对注浆材料流动度损失的影响　　流动度损失是指刚搅拌好的新鲜拌合物随着时间延长而失去其流动度的现象。注浆材料要求流动度损失较小，在一定时间内仍然具有良好的可泵性。试验测定了掺0．4%的减水剂后注浆材料流动度随时间的变化情况，结果如图3所示。　　从图3可知，经过3h。掺加GCL1—3U的浆料流动度由179mm降为141mm，3h相对流动度损失率仅为21．2%；而同一时间内掺加麦斯特的浆料流动度降为121mm，相对流动度损失率达32．0%。这表明GCL1—3U具有良好的保持浆料流动性的作用。这是由于GCLI一3U中的木素磺酸盐络合了浆料中的Ca2+[3]，使Ca2+ 浓度大幅度下降，阻碍了Ca2的生成，从而延缓了浆料的水化，降低了浆料的流动度损失；同时木素磺酸盐具有一定的引气性。气泡的“滚珠”效应减少了浆料的凝聚，有效地保持了浆料的流动性。　　　　3．3 GCL1—3U对注浆材料稳定性的影响　　浆料的稳定性是注浆材料的重要性能指标之一。浆料的稳定与否直接影响到能否顺利注浆以及注浆的效果。试验测定了掺加GCL1—3U的浆料在2h内的泌水率。用水量为350mL，结果如表1所示。　　　　　　由表1结果可知，未掺加减水剂的浆料2h内的泌水率为8．6%；掺加GCL1—3U后，浆料的泌水率显著降低，当减水剂掺量为0．2%时，浆料的泌水率降为7．4%，当减水剂掺量为0．5%时，泌水率仅为4．9%。这说明GCL1—3U具有良好的保水性。这归于木素磺酸盐组分在水溶液中呈稠密球状的有支链的网络结构体。它吸附在水泥颗粒的表面，阻断了水分的通道，阻止了水分的自由流失；同时GCL1—3U中引入了一些水溶性高分子聚合物，它增加了浆料内部的粘聚性，提高了浆料的稳定性。3．4 GCL1—3U对注浆材料凝结时间的影响　　注浆材料对凝结时间有较为特殊的要求。如果浆料迅速凝结，则不具有可泵性，不适合用于注浆；反之，浆料过分缓凝，则不具备支撑地层的作用，甚至会导致发生事故。因此浆料要求减水剂应具有适当的缓凝性。试验测定了分别掺加MG、GCI 1—3U、麦斯特减水剂的注浆材料的初凝时间，用水量均为300mI ，结果如表2所示。　　结果表明，掺加麦斯特减水剂的浆料基本在4h左右即开始凝结，此减水剂不具有缓凝性。其浆料在搅拌后1h～2h内即失去流动性，可泵性差。木素磺酸钙属缓凝型减水剂，掺量过大可导致浆料产生不凝现象。经过优化改性后，GCL1—3U克服了木钙过度缓凝的缺点，具有适当的缓凝性。当GCL1—3U掺量为0．4%时，浆料的初凝时间为9．4h。此时浆料在搅拌后5h～6h内都具有一定的流动性，可泵性良好。当GCL1—3U掺量大于0．5%时，浆料的凝结时间也较长，但都比掺加相同掺量MG的浆料凝结时间短。　　　　3．5 GCL1—3U对注浆材料抗压强度的影响　　注浆材料的早期抗压强度是浆料的重要性能之一。浆料的早期强度较高，则可以充分发挥支撑地层的作用。试验分别测定了掺加GCL1—3U、麦斯特减水剂的浆料的7d、28d龄期的抗压强度比，结果如表3所示。　　　　　　由试验结果可知，GCL1—3U对注浆材料有明显增强作用。随着GCL1—3U掺量的提高，注浆材料的抗压强度也呈上升的趋势。当减水剂掺量为0．5%时，掺GCL1—3U的浆料7d抗压强度比空白浆料提高了42%，相同掺量下掺麦斯特的浆料抗压强度仅提高了35%。而0．4%掺量的GCL1—3U则使浆材28d抗压强度提高了52%。这说明GCL1—3U不仅具有减水作用，还具有早强作用，可有效提高浆料的抗压强度。3．6 GCL1—3U对注浆材料胶凝体系流变性能的影响　　试验分别研究了不掺泵送剂、掺0．2%GCL1—3U和0．4%GCL1—3U胶凝体系的流变曲线，结果如图4所示。　　由结果可知，在剪切初始阶段，胶凝体系剪切应力随剪切速率迅速增加，到达一定阶段后，剪切应力的增加较为平稳。此体系属带屈服值的假塑性流体。GCL1一3U的加入并不能改变流体类型，但是可降低体系的剪切应力，提高分散性。将剪切应力除以剪切速率，可得表观粘度。因此可绘出掺胶凝体系的表观粘度随剪切速率的变化曲线，如图5所示。从图5可知，胶凝体系的表观粘度随剪切应力的提高迅速下降，并且趋向于某一稳定值，此类体系具有剪切稀化性。掺加GCL1—3U后，在每个剪切速率下体系的表观粘度都低于空白浆料的表观粘度。而在0．4%掺量范围内，随着GCL1—3U掺量的增加，浆料的表观粘度会进一步下降。这是由于胶凝浆体在水化初期会形成大量絮凝结构，这些絮凝结构会包裹大量的自由水。在剪切初始阶段，这些结构会被大量破坏，释放出其中的自由水，因此浆体的表观粘度迅速下降。随着剪切速率的提高，可以破坏的絮凝结构减少，表观粘度逐渐趋于某一稳定值。掺入GCL1—3U后，由于泵送剂的分散作用，浆体中的絮凝结构受到破坏。胶凝材料颗粒之间的作用力减弱，因此表观粘度比空白浆体要低。掺加0．4%GCL1—3U的胶凝体系比掺加0．2%的体系分散更加完全，对絮凝结构的破坏程度也比掺加0．2%的大。因此GCL1—3U掺量为0．4%时更能降低浆料的粘度。　　　　4 结论　　针对地铁建设中注浆材料的特点，对改性木钙高效减水剂GCL1—3A进行进一步优化，研制了高效泵送剂GCL1—3U。该产品保留了GCL1—3A减水率高和价格低廉的优点；同时对浆料具有较好的保水作用，降低浆料泌水和流动度损失等特点；还减弱了木素系减水剂的缓凝作用，提高了浆料的早期强度。　　研究了掺加GCL1—3U的注浆材料性能。掺量小于0．4%时，GCL1—3U对注浆材料的分散性能要高于麦斯特减水剂。当减水剂掺量为0．4%时，掺加GCL1—3U 的浆料流动度由空白时的140mm提高至169mm；其3h的相对流动度损失率仅为21．2%，而掺加麦斯特减水剂的浆料流动度损失率为32．0%。掺加0．5%GCL1—3U的浆料2h内的泌水率为4．9%。远低于未掺加减水剂浆料的8．6%。　　GCL1—3U具有适当的缓凝性，掺加0．4%GCL1—3U的注浆材料凝结时间为9．4h，比掺麦斯特减水剂的浆料凝结时间长，但比掺MG的短。此外，GCL1—3U可使浆料的28d抗压强度提高52%。　　浆材胶凝体系流变性能的研究显示，此体系属带屈服值的假塑性流体，具有剪切稀化的性质。GCL1—3U的加入破坏了胶凝体系中的絮凝结构，使胶凝材料进一步分散，降低了胶凝体系的表观粘度，因此提高了浆材的流动性。　　GCL1—3U是一种综合性能良好、价格低廉的高效注浆材料泵送剂，有较高的推广价值和经济前景。

原作者：郑大锋邱学青楼宏铭杨东杰

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发布：2007-08-12 11:40 编辑：泛普软件 · xiaona [打印此页] [关闭]

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