淺析膨潤土與水泥漿溶液的作用機理及影響

　　摘要：本文分析了膨潤土對水泥漿液的作用機理及其影響。結果表明，膨潤土較好的改善了水泥漿的粘度、析水率、分散性、保水性等工作性能，從而有利于提高灌漿效果。但同時隨著膨潤土摻量的增加，也會在一定程度上降低漿液的強度，因此在配制漿液時要綜合考慮膨潤土對漿液的影響，根據(jù)實際工程選取合理的配比。

　　關鍵詞：膨潤土；穩(wěn)定劑；粘度；析水率；漿液強度；保水劑；分層度

　　1. 引言

　　大壩基礎防滲帷幕灌漿和巖溶灌漿一般都采用多種水灰比的水泥灌漿，這種方法對漿體的稠度都是由稀變濃的加以控制，直到達到灌漿結束為止。常規(guī)灌漿最大的弊端是費工費時，浪費漿材。因此，世界許多發(fā)達國家正積極發(fā)展水泥灌漿新技術和水泥穩(wěn)定漿材的研究，形成了用水泥灌漿新技術 和水泥穩(wěn)定漿材解決復雜基礎處理的趨勢。

　　八十年代初日本首次研制出超細水泥漿材的濕式工法(WMC 工法)，此后許多國家相繼以超細水泥作為灌漿材料的研究[1，2]：在此基礎上我國于八七年研制成功了濕磨細水泥漿的灌漿新技術[3]；但是，因超細水泥成本高，每噸成本價都在2000 元以上，因此，限制了超細水泥在工程中的應用。九十年代初，新的灌漿技術法開始在工程中應用，該法主要是通過添加膨潤土來生產(chǎn)穩(wěn)定
漿液，目前國內外配制穩(wěn)定灌漿液普遍采用膨潤土作穩(wěn)定劑，用膨潤土配制的漿液穩(wěn)定性、可灌性、保水性、分散性一般都比較好，但是也有不少工程在灌漿過程中，由于漿液穩(wěn)定性和保水性不好出現(xiàn)了問題，非但沒有達到預期的效果，反而浪費了很多漿材，造成了巨大損失。因此，本文著重介紹膨潤土對砂漿溶液的影響，以便為今后配制穩(wěn)定漿液提供參考。

　　2. 膨潤土對水泥漿液的作用機理及其影響

　　膨潤土[4](Bentonite)按譯音、成因及用途又稱斑脫巖、膨土巖等。是以蒙脫石(也稱微晶高嶺石、膠嶺石)為主要成分的粘土巖-蒙脫石粘土巖,常含少量伊利石、高嶺石及沸石、長石、方解石等。蒙脫石為少量堿及堿土金屬的含水鋁硅酸鹽礦物。其化學式為Nax(H2O)4{(Al2～xMg0.33)[Si4O10](OH)2}。

　　2.1 膨潤土的作用機理

　　膨潤土是一種以蒙脫石為主要成分的粘土，因此，蒙脫石的品種和含量對膨潤土的性能有很大的影響。蒙脫石是由2 層Si—O 四面體中間夾一層Al—(O ,OH) 八面體為構造單元組成的層狀硅酸鹽礦物。其結構有2個特點：層間范德華力連接，這種作用較弱；四面體中部分Si4 +可被Al3 +取代，八面體中的Al3 +可被Fe2 +、Mg2 + 、Zn2 +等離子取代，使晶層平面上帶負電。前者使水分子易于進入晶胞層間發(fā)生膨脹；后者使粘土顆粒表面能自發(fā)地吸附反電荷離子(陽離子)形成絡合物或有機、無機復合物。

　　當膨潤土分散于水中時，由于表面吸附的陽離子在溶液主體中的濃度較低，它們有自晶層表面向外擴散的趨勢；另一方面，它們又受帶電晶層的靜電吸引。這2 個相反趨向的結果，使粘土顆粒晶層外表面形成擴散雙電層，并呈大氣狀分布。堆疊晶層間的陽離子則限制在面對面的晶層表面中間的狹 窄間隔內。膨潤土分散在水中，蒙脫石的顆?？赡艹蕟我痪О?，也可以是許多晶胞的附聚體。由于蒙脫石晶體表面電荷的多樣性和顆粒的不規(guī)則性，它們在水中會產(chǎn)生許多不同的附聚型式。

　　膨潤土在水中高度分散搭接成網(wǎng)絡結構，并使大量的自由水轉變?yōu)榫W(wǎng)絡結構中的束縛水，而形成非牛頓液體類型的觸變性凝膠。它的粘度對于懸浮液體系的穩(wěn)定性具有重要影響，并與剪切速度變化有關。攪動時，網(wǎng)絡結構破壞，凝膠轉化為低粘滯性的懸浮液；靜止時,恢復到初始凝膠網(wǎng)絡結構的均相塑性體狀態(tài),粘度逐漸增大。在外力作用下懸浮液與膠體可以無限轉化。這就是摻加膨潤土后漿液觸變性變好的原因。由于上述原因，導致加入膨潤土的漿液粘度上升，保水性能提高，觸變性能變好。

　　2.2 試驗材料

　　本文所用的膨潤土是南京湯山膨潤土有限公司生產(chǎn)的土木工程泥漿用膨潤土，其物理性能見下表1。[Page]

　　2.3 膨潤土對漿液穩(wěn)定性的影響

　　穩(wěn)定水泥漿液是指析水率小于5%的水泥漿液，主要技術指標包括粘度、凝聚力（屈服點）、析水率、密度、凝結時間和結石強度等五個方面，粘度和凝聚力控制著漿液流動速率與最大擴散半徑，優(yōu)質的穩(wěn)定漿液不但要有足夠的穩(wěn)定性，而且要有良好的流動性。

　?。?）粘度

　　粘度也稱流動度是量度流體粘滯性大小的物理量，粘滯流體在層流中，其相鄰流體層間的內摩擦力τ 與沿接觸面法向n 的速度梯度dv/dn 成正比，與接觸面積成正比，與流體本身的性質有關，而與接觸面上的壓力無關，即τ =η Adv / dn式中：τ 一流層的內摩擦力；η 一粘度系數(shù)；A 一接觸面積；dv/dn 一流體的流速梯度。漿液粘度是指漿液所有組分混合后的初始粘度，水泥漿粘度測試有多種方法，主要采用旋轉粘度計[5]和漏斗粘度計[6]采用旋轉粘度計測得水泥漿表觀粘度，從中可知水泥漿液的粘度與水灰比成反比，但當水灰比達到某一值后，其粘度幾乎不再變化。漏斗粘度計使用最方便直觀，最適合施工現(xiàn)場使用。漏斗粘度計是測量一定體積的漿液從漏斗流出的時間，以此來表示漿液的流變特性，漿液愈稠，粘度越大，一定體積的漿液從漏斗流出所需的時間越長。目前國際上用得較多的漏斗有三種：馬什(Marsh)型漏斗、梅開索爾(Mecasol)型漏斗及普里帕克(Prepakt)型漏斗，實際以馬什漏斗使用最多；常用漏斗類型見圖1。

　　參照GB1346 粘度測試方法，采用馬什(Msrsh)漏斗粘度計測試，以一定漿量從漏斗流出的時間長短，即相對粘度，評價漿液的流動性能，結果見表2

　　研究表明：膨潤土水泥漿液的性能主要取決于水泥、膨潤土、水的用量。在水泥漿液中加入膨潤土，一般具有如下變化規(guī)律：漿液粘度隨水灰比的增大而降低，相同水灰比的漿液，膨潤土用量越多粘度越大（見圖2），凝結時間越長，結石率越高，但強度降低；漿液中干料越多，或者在不改變水與干料配比的情況下，增加膨潤土用量可提高漿液的穩(wěn)定性，使用時可根據(jù)巖土物理力學性質、含水量以及工程處理的具體要求由試驗確定。

　?。?）析水率

　　采用1000mL 量筒，將拌好的漿體約800mL 注入量筒內，并將量筒上口加蓋封好。隨后每隔60min 將上口蓋打開，使量筒傾斜，用吸管吸出析水，并分別記下漿液的體積數(shù)，最后計算出析水率，以析水率的大小評價漿液穩(wěn)定性好壞，結果見表3。

　　由表3 試驗結果可知，未添加膨潤土的水泥漿易沉淀析水、穩(wěn)定性差，且對用水量十分敏感，因此若在地下水流較大的條件下注漿，漿液易受水的沖刷和稀釋，最終效果將不十分理想，摻入膨潤土后析水率明顯得到改善。另外通過在漿液中摻入占漿材質量分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%的膨潤土進行漿液穩(wěn)定性試驗后發(fā)現(xiàn)：隨著膨潤土含量的增加，漿液最終達到穩(wěn)定的時間縮短，析水率降低，穩(wěn)定性逐漸增加。

　　2.4 膨潤土對漿液分散性影響 [Page]

　　當膨潤土加入水泥漿漿液后，由于水泥顆粒相對較大，且表面帶有正電荷，蒙脫石顆粒在靜電吸引力以及其本身粘結力作用下，細小的蒙脫石顆粒會被附著在相對較大的水泥顆粒表面，而且由于膨潤土漿液具有良好的保水潤滑性和流動性，它可將水泥顆粒懸浮并攜帶到更遠、更細小的巖土裂隙中 去，從而防止了純水泥漿漿液在巖土裂隙流動過程中由于過早失水而凝固，減緩了水泥的凝結時間，進而達到更為理想的加固效果。同樣通過在漿液中摻入占漿材質量1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%的膨潤土進行漿液分散性試驗(水灰比為W/C=0.8)后發(fā)現(xiàn)：隨著膨潤土含量的增加，漿液的分散性增加，凝結時間增長，從而有利于提高漿液的工作性能。但是當膨潤土摻量超過3%時，分散性開始降低，因此在本次試驗中膨潤土摻量為3%時分散效果最佳(見圖3)。同時蒙脫石粒間和層間的富水性也為水泥顆粒的充分水化固結提供了可靠的保證［7］。

[Page]

　　2.5 膨潤土對漿液強度的影響

　　配制出兩組不同水灰比的水泥漿體，其中每組膨潤土摻量分別為1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%，并依次編號為1-6，測其3d、7d 、28d 齡期硬化后的強度，抗壓試件邊長為7.07cm的立方試件，在標準條件下養(yǎng)護下。強度試驗結果見表4、表5。

　　根據(jù)表4、表5 作水泥漿結石強度對比圖，見圖4、圖5。從圖中可發(fā)現(xiàn)在不同的養(yǎng)護條件下，膨潤土摻量-水灰比-強度變化規(guī)律基本相同。無論是哪種養(yǎng)護，以膨潤土配制的穩(wěn)定水泥漿液，在相同的水灰比下，隨著膨潤土摻量的增加，抗壓強度和抗折強度都在迅速減?。煌瑯?，在相同的膨潤土摻 量下，強度隨著水灰比的增大而減小。因此，水灰比和膨潤土摻量都較大成度的影響著水泥漿液的強度，所以，在配制水泥漿液時一定要注意膨潤土摻量和水灰比的關系。根據(jù)本文分析水泥漿液中膨潤土摻量宜控制在4%以內。

　　2.6 膨潤土對水泥漿液的保水性影響

　　圖6 顯示出了漿液保水率隨膨潤土摻量變化的結果。隨著膨潤土摻量的增加，漿液的保水率也在逐漸增加，當膨潤土含量超過3%后，保水率增長緩慢，趨于定值。從圖中看出膨潤土的摻入對于漿液保水率有一定影響但影響不大。但是由于膨潤土摻入提高了水泥漿的用水量,同樣質量的水泥漿中
保持的水分更多了,這有利于漿液保持工作性。[Page]

　　2.7 膨潤土對水泥漿溶液的分層度影響

　　圖7 顯示了漿液分層度隨膨潤土摻量的變化。隨膨潤土摻量增加,漿液的分層度逐漸減??；當膨潤土的摻量達到2%時，漿液的分層度不在變化,穩(wěn)定在9mm ,這對于提高砂漿的工作性能有很大的好處。

　　3. 結束語

　　1.膨潤土具有很好的穩(wěn)定性，在水灰比一定的情況下隨著膨潤土摻量的增加，漿液的粘度增大、析水率降低，從而使?jié){液有一種較好的穩(wěn)定性，所以膨潤土是一種較好的穩(wěn)定劑。

　　2.膨潤土的摻入對水泥漿液的強度有一定影響，摻量在4%以內時，對漿液強度影響是允許的，大于4%時膨潤土會較大程度的降低漿液的強度，不利于工程施工，所以膨潤土摻量宜控制在4%以內。

　　3.含有膨潤土的水泥漿溶液，其保水性、分層度都有較大改善，含水量增大，使得水泥漿溶液的工作性能得到更好的保持。

　　4.對巖溶發(fā)育中等以上規(guī)模溶洞、溶溝、溶槽等進行灌漿處理時，摻入適量的膨潤土，將能更好的達到灌漿效果。

　　5.生產(chǎn)施工過程中水灰比和膨潤土摻量都應該滿足配合比的要求，且配合比應根據(jù)實際工程確定。

　　參考文獻

　　[1] Shroff A V etal.Rheological properties of micro fine cement dust grouts.
Grouting and Deep Mixing,Balkema,1996.

　　[2] Jenkins S J etal.The rheology and bleed properties of Blue Circle H900Micro
 fine cement for grouting purposes.Grouting in the Ground Tel ford.London.1994.

　　[3] 陳旭榮.董建軍.濕細水泥漿材的制備及灌漿技術的研究.長江科學院院報.1994,(4).

　　[4] 王鴻禧.膨潤土﹝M﹞.北京:地質出版社.1980.

　　[5] 任曉楓.旋轉粘度計測定漿體流變參數(shù)的計算方法.水利學報[[J].1995.9.

　　[6] 馬國彥,林秀山.水利水電工程灌漿與地下水排水.北京:水利水電出版社.2001.

　　[7] 何世鳴,周健,候德峰.膨潤土用于鉆井泥漿改性及增效.