早強劑對水泥漿工程性能影響的試驗研究*

安亞強 張偉 郭歡 馬夢娜 徐潔

（1.陜西工業職業技術學院土木工程學院，陜西咸陽 712000；2.浙江華東工程咨詢有限公司，浙江杭州 712100）

水泥灌漿是一種水工建筑物邊坡防護與加固的措施，由于其工藝簡單、高效經濟等優點而被廣泛使用。水泥凈漿是水泥灌漿措施中的一種主要灌漿材料，對于鎖錨、固錨、封縫堵漏、增強邊坡穩定性有很重要的作用。水泥灌漿一般為純水泥漿液，當加入外加劑和摻合料后，會顯著改善水泥凈漿的工作性能和強度。故大多數工程中普遍通過加入早強劑、粉煤灰等外加劑和摻合料以改善水泥漿的早期強度和流變性而達到控制性灌漿的目的[1]，形成了一種新型水泥基混合漿液。

金沙江流域某水電站引水發電進口二級邊坡的錨索孔采用水泥凈漿澆灌錨索孔[2]，但在施工中錨索孔及其所在邊坡巖體發生了漏漿、塌孔的情況，采用多種工藝措施效果甚微，針對此種工程實際問題[3]，特提出在水泥凈漿中摻入早強劑，以探究單摻早強劑的水泥灌漿材料凝結時間、流動性與強度的發展規律，探索早強劑對解決漏漿、塌孔等工程實際問題的重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗采用四川省峨勝牌PO42.5型水泥，其基本性能均滿足工程和試驗要求。早強劑采用四川某公司生產的JC-7復合早強劑，屬于無機復鹽型[4]，廠家推薦摻量為3%；細骨料為中等河砂，細度模數2.8，含泥量小于3%，均滿足工程和試驗要求。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設備

水泥漿體流動度測定使用馬歇爾漏斗Marsh筒，該儀器在工程現場因其簡便、快捷而普遍采用。

水泥灌漿材料凝結時間采用標準維卡儀、初凝測針和終凝測針進行測定。

1.2.2試驗設計

一般情況下，由于水灰比和早強劑對水泥漿的強度和流動性影響較大，本試驗根據工程現場灌漿經驗水灰比取三個水平（見表1），早強劑摻量結合廠家推薦用量和施工現場的經驗摻量取八組水平，結合工程現場經驗進行有效組合（見表1），主要探究水灰比和早強劑摻量對水泥漿凝結時間、流動性和早期強度的影響規律。

試驗配合比的設計與計算根據《水泥基灌漿材料應用技術規范》（GB/T50448）和《水工建筑物水泥灌漿施工技術規程》（DL/T5148）規定，早強劑參照規范《混凝土外加劑均質性試驗方法》（GB/T8077）和《混凝土早強劑》（T/CECS10124）確定摻加方法和試驗要求，摻量以水泥質量百分數計量。

表1 試驗配合比及結果

1.2.3試驗方法及試件制作

試驗中水泥凈漿凝結時間參照《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T1346）測定。

水泥漿的流動度測定方法采用《水泥與減水劑相容性試驗方法》（JC/T1083）中的Marsh筒法測定Marsh流動度值，以此指標判斷流動性。

水泥凈漿強度試件采用尺寸為40mm×40mm×160mm的棱柱體[6]成型，參照《水泥膠砂強度檢驗方法》（GB/T17671），結合相關學者的研究中的有關做法[5]進行試驗研究，測定3d和7d早期抗折強度和抗壓強度。

2 試驗結果與分析

本試驗共設計15組配合比，每組配合比試驗先測定凝結時間，再分別測定不同時間的Marsh度值，最后在標準養護到規定齡期測定水泥凈漿的強度，具體的試驗結果見表1。

2.1 凝結時間分析

根據水泥凈漿的凝結時間數據可得水灰比和早強劑摻量對水泥漿的凝結時間的影響規律如圖1所示。

由圖1可知，隨早強劑摻量不斷增加，水灰比越小，水泥漿初凝時間越短，其中以早強劑摻量為2%～3%時，水泥漿初凝時間普遍小于300min，終凝時間最多不超過600min。從這一規律，顯然得到早強劑在一定程度上能夠縮短水泥漿的凝結時間，可有效阻斷漏漿和塌孔的形成過程。

2.2 流動性分析

圖1 水灰比和早強劑摻量對水泥漿凝結時間的影響

水泥漿的流動性評定參考《混凝土外加劑勻質性試驗方法》（GB/T8077-2012）等規范中Marsh筒法來測定水泥漿的流動性。由于流動性大的水泥漿在澆灌錨索孔時既可以自由流淌填充密實錨索孔內裂隙空間，又可與錨孔原巖粘結成為牢靠的整體，保證邊坡的整體穩定性。本試驗中水灰比和早強劑摻量對水泥漿的流動性影響規律如圖2所示。

圖2 水灰比和早強劑摻量對水泥漿流動性的影響

圖2的曲線反映出：隨著早強劑摻量增加，水泥漿的Marsh流動度降低并趨于穩定；水灰比越小，水泥漿的Marsh流動性比較穩定，早強劑摻量達3%時，水灰比為0.5的水泥漿流動性趨于穩定。

由以上規律可知，早強劑對水泥漿流動性的影響比較小，本試驗采用的無機復鹽早強劑與水泥中的鋁酸三鈣及其產物氫氧化鈣繼續反應，加速固相產生和結晶析出，并不能有效增加水泥漿的流動性。

2.3 強度分析

水泥膠砂強度雖然由于砂的加入提高了水泥膠砂密實度而增強了水泥膠砂的強度，但此水泥膠砂不能完全反映水泥凈漿（不含骨料）的實際強度，故本試驗采用水泥凈漿體在膠砂試模中成型而不加任何骨料的方法直接按照膠砂強度的方法測定水泥凈漿的強度，水灰比和早強劑摻量對水泥漿強度的影響規律如圖3所示。

圖3 水灰比和早強劑摻量對水泥漿抗壓強度的影響

由圖3可得：

（1）當早強劑摻量增加時，水泥漿3d和7d抗壓強度，都有先增加后減小的規律，這體現了早強劑能有效提升水泥凈漿的早期強度，但是水灰比不同，水泥漿的最優摻量不同。

（2）當早強劑摻量相同，水泥漿水灰比越小，其3d抗壓強度越大。

（3）水灰比為0.5時，隨早強劑摻量增加，抗壓強度先增加后減小，3d強度普遍大于7d強度；水灰比大于0.5時，隨早強劑摻量增加，3d強度先小于7d強度，隨后3d強度先大于7d強度。

（4）水灰比為0.5時，摻早強劑的水泥漿與普通硅酸鹽水泥的3d抗壓強度的強度比均超過了100%，早強劑摻量3%時，強度比最高達到了124%[7]，復合早強劑起到了增加水泥漿早期強度的作用[8]。

根據早強劑的作用機理和試驗結果分析，水泥漿早期強度高后期強度有所減小主要原因在于早強劑中的硫酸鹽和氯鹽與水泥熟料反應，不僅加速水化反應速度，還因生成固相產物（如鈣礬石）增加水泥石強度，但隨水化反應進行，水泥凈漿水化產物中堿的濃度持續增加[9]，對生成的鹽等固相產物有一定的腐蝕溶解作用，所以出現水泥漿后期強度有所損失[10][11]的現象。

3 結語

通過單摻早強劑的水泥漿試驗研究，初步得出以下三條結論：

（1）水灰比、早強劑摻量對水泥漿的凝結時間和強度有一定的影響，水灰比越小，水泥漿初凝時間越短；早強劑摻量為2%～3%時早強劑對水泥漿有顯著的促凝增強作用。

（2）復合早強劑具有一定改善在水泥漿流動性的作用。在水灰比為0.5時，早強劑摻量為3%來為控制水泥漿的流動性大小的分界點，也可進一步探究同摻早強劑和減水劑對水泥漿的流動性的影響規律。

（3）水泥漿早期強度最大的早強劑最優摻量為3%。若要從根本上解決堵管和塌孔問題，需進一步探究摻早強劑的水泥漿的凝結時間、流動性和強度之間的本構關系，以便水泥漿在初凝前通過自身流動性達到一定密實度，并在塌孔前水泥漿能夠達到一定的強度保證邊坡和巖體穩定性，更準確控制水泥漿的凝結時間、早期強度和流動性，以期符合工程現場施工條件。