塑性水泥浆（共3篇）
塑性水泥浆 篇1
随着我国基础建设的蓬勃发展,水泥基灌浆料因其显著的技术经济优势在我国工程建设中广泛应用。预应力孔道灌浆施工中,常出现的质量问题主要有孔道中水泥浆未充满,有空隙;水泥浆体硬化后收缩与孔道壁分离;水泥浆硬化后强度达不到规范要求等。造成水泥浆体与孔道壁分离的主要原因之一是浆体存在塑性阶段的收缩,即没有发生有效的膨胀。我国目前灌浆料的制备多采用水泥复合膨胀剂和减水剂的方法,然而对于膨胀剂的研究多集中在对硬化后浆体材料所产生的膨胀性能,即对膨胀性能的测定多集中在浆体的硬化阶段。
水泥基灌浆材料是一种高流动性材料,浇注后即会产生较大的塑性收缩,包括沉降收缩和失水收缩,收缩率可达0.5%,甚至更大,可直接导致工程质量缺陷。即使后期的膨胀能够补偿前期的收缩,也易造成有效承载面降低。而具有塑性膨胀的灌浆料,不仅能够补偿浆体的早期收缩,而且表现出正向膨胀,使得灌浆体更加密实,这对于增大有效承载面,确保工程质量有重要意义[1]。
因此,灌浆料塑性阶段膨胀指标的好坏对灌浆料产品的性能具有重要意义,而选择一种合适的测试方法显得尤为重要。本文对比了国内外关于灌浆料塑性膨胀率的测试方法,并就测试方法的有效性和合理性进行了探讨研究。
1 塑性膨胀率的测试方法
目前,国际上广泛应用的是美国后张预应力协会(PTI)规范“Specification for Grouting of Post-Tensioned Structures”、美国佛罗里达交通局(FlaDOT)制定的管道灌浆技术规范PTGS中的量筒法试验[2,3]及美国ASTM C827非接触式测量法试验[4]。我国针对灌浆料的测试标准主要有GB/T 50448—2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》以及铁道部行业标准TB/T 3192—2008《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》中的架百分表法。此外,国内外学者也采用Le Chatelier's Rubber Bag Method(橡胶袋法)对灌浆料的塑性膨胀进行测试[5,6,7]。
1.1 ASTM C827非接触式测量法
ASTM C827中提供了一种水泥基浆体材料收缩和膨胀的测试方法[4]。规范中采用的测试装置如图1所示,装置主要由投影光源、指示球、放大镜系统、指示图表、盛放浆体的模具以及捣棒组成。
首先将指示球放置于试样表面的中心位置,将样品放置于投影光源和放大镜系统之间,调整试样的水平位置以使半球的轮廓在指示图表上清晰显示,并位于零刻度处(上述步骤在制浆后5 min内完成)。记录时间并开始测试。前90 min内每隔5 min记录1次半球指示的位置,在接下来的1 h内每隔10 min记录1次半球指示的位置,再接下来每隔20 min记录1次半球指示的位置,直到浆体硬化。
试样高度的变化由式(1)计算得到:
式中:°H——试样高度的变化,%;
I———指示图表上的读数,mm,“+”号表示正向的变化,“-”表示负向的变化;
H———试样最初的高度,mm;
M——放大镜系数。
1.2 PTGS量筒法
PTGS(Post Tensioning Grouts Specifications)是目前针对灌浆料性能测试方法中最全面、系统的标准规范[2]。其试验方法以ASTM有关测试标准为基础,针对后张预应力孔道灌浆料性能要求的特殊性,特别对流动度、泌水和膨胀、氯离子抗渗等测试方法作了改进。
PTGS规定早期膨胀率的试验方法参照ASTM C940—98a,但作了少许修改。往1000 ml的量筒内慢慢注入(800±10)ml新拌浆体,记录浆料液面所到达的刻度(V0);把预应力索插入量筒,并用1个圆塑料薄片套在量筒口,用于对预应力索的固定,使预应力索的轴向与量筒的垂直轴线保持平行,并防止水分蒸发,同时再次记录灌浆料液面到达的刻度(V1)。开始的1 h内每15 min读取1次浆体和泌水面分别到达的刻度(分别为Vg、V2),此后每1 h记录1次,整个过程共持续3 h。
用式(2)、式(3)计算各阶段相应的体积膨胀率:
式中:Vp———浆体的体积膨胀率,%;
Vc———联合体积膨胀率,%。
1.3 GB/T 50448—2008架百分表法
本试验方法采用的仪器设备见图2。将玻璃板平放在试模中间位置,并轻轻压住玻璃板。拌合料一次性从一侧倒满试模,至另一侧溢出并高于试模边缘约2 mm。用湿棉丝覆盖玻璃板两侧的浆体。把百分表测量头垂直放在玻璃板中央,并安装牢固。在30 s内读取百分表初始读数h0;成型过程应在搅拌结束后3 min内完成。自加水拌合时起于t时间读取百分表的读数ht。整个测量过程中应保持棉丝湿润,装置不得受震动。成型养护温度均为(20±2)℃。
竖向膨胀率按式(4)进行计算:
式中:εt———竖向膨胀率,%;
h0———试件高度的初始读数,mm;
ht———龄期为t时的高度读数,mm;
h——试件基准高度,取100 mm。
1.4 橡胶袋法[5]
Le Chatelier的橡胶袋法所采用的仪器设备如图3所示。将加水拌合好的灌浆料灌入橡胶袋内,排气,并扎紧袋口,称量,然后放入250 ml的广口瓶中,瓶内空余部分用水填充,再将1个中心嵌有刻度试管的上盖旋紧,密封,管内注上一定高度的水,上端用液体石蜡密封。自加水开始后0.5 h读取初始液面高度,然后每隔0.5 h观察液面高度的变化。
由于水在水泥水化过程中温度会发生变化,进而产生一定的温度体积变形,故本试验中采用恒温水浴法进行。体积膨胀率按式(5)进行计算:
式中:εt———t时刻的体积膨胀率,%;
V0———初始的体积读数,ml;
Vt———t时刻的体积读数,ml。
2 不同测试方法的对比
本研究中测试的灌浆料采用具备塑性膨胀和硬化期膨胀的复合膨胀剂配制,膨胀剂掺量为胶凝材料总量的8%,减水剂掺量为0.2%,水胶比为0.27。浆体采用2000 r/min的高速搅拌机搅拌。
2.1 测试方法比较
灌浆料塑性膨胀的4种测试方法对比见表1。
2.2 不同方法测试数据的分析
采用非接触式测量法、架百分表法和橡胶袋法的测试结果如图4～图6所示。采用量筒法测试时,在测试的12 h内虽然能够观察到量筒中浆体横截面中心处的凸起现象,但对应的体积变化并不明显,或可以认为体积变化量很小,无法清晰准确地记录。笔者认为将量筒法应用于测试膨胀率较大的灌浆料更为合适,若用于测试膨胀率较小的灌浆料时,试验者的主观性将对试验结果产生较大影响。
从图4可以看出,试验配制的灌浆料在入模后1 h内出现了最大值为0.012%的负向变形。这主要是由于水泥基材料在浇注后迅速发生水化反应,同时伴随着自收缩、塑性沉降现象的发生[8],产生的体积减缩量较塑性膨胀量显著,故而膨胀率为负值。随着灌浆料中的塑性膨胀组分逐渐充分发生反应,在补偿收缩变形后体积膨胀量迅速增大,当反应进行到8 h时,浆体发生初凝,并逐渐失去塑性变形的能力,体积变形趋缓并保持平稳,12 h膨胀率约为1.10%。
从图5可以看出,试验配制的灌浆料在入模后约1 h内,浆体的体积没有发生变化,即零膨胀。这主要是因为当浆体发生收缩时,玻璃盖板的下降受到了模具的约束,故百分表数据未发生变化。当灌浆料中的塑性膨胀组分发生反应并发挥作用,浆体的体积迅速开始增大,并逐渐补偿早期的收缩并开始出现正向的位移。同样,当反应进行到8 h时,浆体发生初凝,并逐渐失去塑性变形的能力,体积变形趋缓并保持平稳,12 h膨胀率约为1.02%。对比图4可以看出,架百分表法相应龄期的膨胀率值较非接触式测量法小,笔者认为主要是由于玻璃板自重产生的压力一定程度上抑制了膨胀能的发挥。
从图6可以看出,试验配制的灌浆料在入模开始测量时即出现正向的膨胀变形量,由于配制的浆体被完全密封于橡胶袋并悬浮于水中,沉降收缩、干燥收缩现象得到抑制,早期产生的膨胀并未用于抵消收缩变形,故膨胀率持续发生增长,12 h膨胀率约为2.79%。对比图4、图5可以看出,橡胶袋法测得的膨胀率较上述2种方法要大很多,一方面是因为该法测得的膨胀率反映出的是浆体产生的体积变形,是三维方向上的总变形量,而前两者试验中浆体的四周和底部都受到了束缚,相当于一维方向上的膨胀变化。此外,由于早期的膨胀并未用于抵消收缩变形,膨胀能更为有效地得到发挥。
2.3 不同方法测试结果的相关性
架百分表法、橡胶袋法和非接触式测量法的相关性分析如图7～图9所示。
从图7可以看出,架百分表法与橡胶袋法的各龄期膨胀率测试值存在非线性的相关关系,R2=0.9888。此函数为:
从图8可以看出,非接触式测量法与橡胶袋法的各龄期膨胀率测试值存在非线性的相关关系,R2=0.9907。此函数为:
从图9可以看出,架百分表法与非接触式测量法的各龄期膨胀率测试值存在线性相关关系,R2=0.9982,线性相关性很好。此函数为:
3 结语
(1)非接触式测量法和橡胶袋法能够准确全面地反映出浆体塑性阶段的膨胀变化;架百分表法由于受到模具的约束,无法反映出浆体入模后1 h内的膨胀变化;量筒法由于受到断面尺寸的影响,对于膨胀率在1.2%内的膨胀变形难以定量评定,且易受到观察者主观性的影响。
(2)非接触式测量法和架百分表法测试的是浆体塑性阶段在一维(即竖向)方向上的膨胀率,非接触式测量法相应龄期的膨胀率较架百分表法大,二者12 h的膨胀率分别为1.09%、1.02%。
橡胶袋法测试的是浆体塑性阶段在三维上的体积变形,故12 h的膨胀率较大,约为2.79%。
(3)架百分表法与橡胶袋法的各龄期膨胀率测试值存在非线性的相关关系;非接触式测量法与橡胶袋法的各龄期膨胀率测试值存在非线性的相关性关系;架百分表法与非接触式测量法的各龄期膨胀率测试值存在线性相关关系。且上述相关性很高,因素相互间存在很好的相关性。
(4)橡胶袋法中用于标示体积膨胀的水随水泥水化温度会发生变化,进而会产生一定的温度体积变形,故橡胶袋法试验宜采用恒温水浴法进行,以提高试验结果的准确性。
参考文献
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塑性水泥浆 篇2
由于轻质水泥基材料的表观密度还有进一步降低的空间,国内外相继展开了对超轻质水泥基材料的研究。秦璜等[2]以硅酸盐水泥为主要原料,添加适宜的外加剂,制得密度290kg/m3、28d抗压强度可达1.1 MPa的轻质水泥基材料。蔡娜等[3]在水泥与粉煤灰的质量比1∶0.4、水料比0.54的条件下,添加稳泡剂WH 0.30%、发泡剂FP 5.0%、碳酸锂0.34%和聚丙烯纤维1.2%制备出容重279kg/m3、强度为0.51MPa的轻质水泥基材料。杨树新等[4]以膨胀珍珠岩为轻集料,快硬水泥为胶结料,通过空压制泡法引入微小气泡,制成密度小于200kg/m3的超轻型水泥基材料芯材保温砌块。杨奉源等[5]制备了191kg/m3EPS-FC,其强度可达0.42MPa。徐文等[6]在研究降低外墙外保温用轻质水泥基板密度的实验中测得的最低密度为187kg/m3。北京广慧精研泡沫混凝土科技公司[7]研究了作为机场跑道阻滞材料的水泥基材料,其绝干密度为180~280kg/m3、抗压强度为0.2~0.6MPa。扈士凯等研究了磨细矿渣、粉煤灰、膨润土等矿物掺合料对低容重水泥基材料基本性能的影响,测得含矿渣的最低密度为193kg/m3,含膨润土的最低密度为187 kg/m3,含粉煤灰的最低密度为176kg/m3。中国建筑材料科学研究院研究的轻质水泥基材料的密度可低至150kg/ m3,强度高至0.15 MPa。本实验探索性地研究了表观密度为80~150kg/m3的水泥基材料的制备。
水泥基材料结构在基础、钢筋或内部相邻部分的约束下因水化反应而产生体积收缩,其收缩受到约束会引起拉应力[8]。由于其早龄期的抗拉强度不高,收缩过程中易开裂, 至今其易开裂、难修复等问题依旧困扰着工程界,尤其是其早龄期开裂将对构筑物整个生命周期产生影响,严重限制了其在工程中的广泛应用。而针对轻质水泥基材料是否存在着塑性收缩开裂的问题,目前尚未有系统的研究报道。马一平等[9]已经初步探索密度低至267kg/m3的水泥基材料与塑性收缩开裂权重值之间的关系,发现在相同的环境条件下,轻质水泥基材料塑性收缩开裂风险较小;较低的表观密度有利于抑制水泥基材料塑性收缩开裂现象。本实验在此基础上研究表观密度低至80kg/m3的水泥基材料与塑性收缩开裂权重值之间的关系,以及聚丙烯纤维对其塑性收缩开裂性能的影响。
1实验
1.1原材料
水泥:P·Ⅱ52.5硅酸盐水泥,江南-小野田水泥有限公司,性能指标见表1。发泡剂:1为FP-180动植物蛋白类发泡剂,盐城市世隆装饰材料公司;2为HTQ-Ⅰ动植物复合发泡剂,河南华泰建材开发有限公司;3为动植物蛋白类发泡剂,深海华工科技有限公司;4为菱镁发泡剂,宁海县梅林钱帅玻璃加工厂;5为HTW-Ⅰ动植物复合发泡剂,河南华泰建材开发有限公司。外加剂:氯化钙,分析纯;碳酸锂,分析纯; 泡沫混凝土专用促凝剂(简称促凝剂),上海豪升化学有限公司;PCS-2速凝剂(简称PCS-2),深圳市诚功贸易有限责任公司。木质纤维,上海一欧工程材料有限公司;PP纤维,上海影佳实业发展有限公司。普通自来水。
1.2轻质水泥基材料的制备
按照发泡剂与水的不同比例配制发泡溶液,用高速搅拌器搅拌4min后将泡沫静置5min,同时按照一定水灰比将水泥、水混搅1 min,再加入纤维素醚等外加剂或纤维搅拌3min,随后将泡沫与料浆混合均匀,并成型相关实验试件进行后续实验。
1.3测试方法
(1)发泡剂发泡性能的评定方法
以发泡倍数、1h泡沫沉降距与1h泌水量[10]作为评定发泡剂发泡性能的主要指标。要制备孔径均匀、性能稳定的轻质水泥基材料,泡沫与水泥必须有一定相容性。由于振荡法[11]本身具有一定的缺陷,静置一段时间后,泡沫与溶液出现分层,而此时的泡沫量的变化不足以说明其相容性,因此采用成型法来表征其相容性。将制备出的泡沫与浆体均匀混合,制备湿密度相同的试块,3d脱模,标准养护28d后放入烘箱烘干,对比试块塌陷距、试块孔洞及孔壁和28d强度。
(2)凝结时间、强度、表观密度测试方法
凝结时间参照GB1346 2001《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》测试;强度和表观密度测试选用尺寸为40mm×40mm×160mm的试件,每组3个。成型试件, 自然养护3~5d脱模,标准养护25d后放入(100±5)℃烘箱中连续烘干3d,以测得的表观密度平均值为其表观密度, 强度可以用量程为20kN、加载速率为5mm/min的SANS微机控制电子万能试验机测得。
(3)塑性收缩开裂实验方法
塑性阶段收缩开裂实验采用914mm×610mm×20mm的木模,上下层间用塑料薄膜隔开,木模内 Φ8mm的矩形钢筋架与模板周边距离均为20mm,与模底不接触。水泥基材料收缩时受到钢筋架限制,由此产生的裂纹只在钢筋架范围内。具体操作详情参见文献[9,12]。最后通过裂缝宽度测试仪KON-FK(A)测定的裂缝宽度和裂缝宽度权值Ai关系计算塑性收缩开裂权重值W 。
2结果与讨论
2.1超低表观密度水泥基材料的制备
2.1.1发泡剂的选用
不同发泡剂在最佳配比浓度下的发泡倍数、泡沫沉降距与1h泌水量如表2所示;水灰比为0.55的净浆与泡沫混合,成型出表观密度为210kg/m3的试块,其表面孔隙对比见图1,相关结果如表3所示。从表2可以看出,4号的沉降距远远大于其他发泡剂,泡沫的稳定效果太差,不再予以考虑,2号的沉降距最小。1、2、3号的发泡倍数和1h泌水量相近,而5号的发泡倍数最大,其1h泌水量最小。
由图1可以看出,1、2号泡沫制出的试块气孔密集、细小、均匀,泡沫与水泥浆体的相容性较好。3号泡沫与水泥浆体的相容性差,其制出的试块塌陷,并产生分层现象,孔结构不理想,靠近浇注上表面部分含孔隙,但是孔隙的形状不规则,而靠近浇注下表面部分没有孔隙或者只含有很少量的孔隙,导致试件密度严重不均,对其保温性能和力学强度等负面影响较大。5号泡沫与水泥浆体的相容性较差,虽然气孔密集、细小均匀,但是孔壁不完整,出现大量细小的连通孔, 连通孔是轻质水泥基材料中有害的孔结构,会大大降低其保温性能。由表3可以看出1、2号的28d强度相对较高。综上所述,本实验选用2号HTQ-Ⅰ动植物复合发泡剂。
2.1.2外加剂对水泥基材料凝结时间和强度的影响
轻质水泥基材料的凝结时间过长,早期强度低,给成型和脱模带来不便,需要掺一定量的具有促凝、早强效果的外加剂。
(1)CaCl２对水泥基材料凝结时间和强度的影响
水泥基材料的凝结时间、强度随CaCl2的掺量变化见图2。由图2可以看出,水泥基材料的初、终凝时间随CaCl2的掺量增多而缩短(初凝时间不早于25min且终凝时间不迟于180min),掺量2.0%~2.8%符合要求;随CaCl2掺量的增加,抗折强度变化不大,抗压强度逐渐上升,CaCl2掺量大于2.0%时有下降趋势。结合强度考虑,CaCl2的最佳掺量为2.0%。
一定掺量范围内,CaCl2与水泥中的C3A作用生成不溶性复盐———水化氯铝酸钙及固溶体(C3A · Ca· Cl2· 10H2O),它可与氧化钙作用生成不溶于氯化钙溶液的氢氧化钙(3CaO·CaCl2·12H2O),降低液相中钙离子的浓度,加速C3S的水化,并且生成的复盐增加了水泥浆中固相的比例,促进水泥浆的凝结硬化,从而提高了混凝土的早强[13]。 由于CaCl2具有盐效应,可加大硅酸盐水泥熟料矿物的溶解度,加快水化反应进程从而加速水泥及混凝土的硬化。
(2)Li２CO３对水泥基材料凝结时间和强度的影响
水泥基材料的凝结时间、强度随Li2CO3的掺量变化见图3。由图3可以看出,水泥基材料的初、终凝时间随Li2CO3的掺量增多而缩短;随Li2CO3掺量的增加,强度略微升高, 抗折强度的波动误差较大。掺量0.5%~0.7%符合调凝要求,但强度影响不大;从强度考虑,掺量为0.35%最好,但其凝结时间不符合要求。
(3)促凝剂、PCS-2对水泥基材料凝结时间和强度的影响
水泥基材料的凝结时间、强度随促凝剂和PCS-2的掺量变化分别见图4和图5。
由图4可以看出,水泥基材料的初、终凝时间随促凝剂掺量的增多而缓慢缩短,当掺量不小于20%才符合标准;随促凝剂掺量的增多,水泥基材料的抗压强度略微升高,抗折强度有下降趋势。促凝剂对水泥基材料的调凝远不如CaCl2和Li2CO3的效果好,虽然提高了早期强度有助于成型脱模, 但是对后期强度有一定的负面影响。
由图5可以看出,水泥基材料的的初、终凝时间随PCS-2掺量增多而迅速缩短,当掺量在6%~12%时符合标准;水泥基材料随PCS-2掺量增加,抗压强度略有上升,抗折强度呈上升趋势。PCS-2对水泥基材料的调凝效果好,对其早期、 后期强度也有一定的提高。本实验选择PCS-2的最佳掺量为8%。
综上所述,促凝剂的调凝作用不是很理想,Li2CO3对强度的影响不大,因此本实验选用CaCl22.0%和PCS-2 8%。 经过多次实验当密度不大于280kg/m3时,为保证试件不塌陷,PCS-2掺量不小于10%,当密度不小于280kg/m3时, PCS-2掺量需进行相对调整。
2.1.3水灰比对轻质水泥基材料强度的影响
制备低表观密度水泥基材料时,掺入8% PCS-2,试件会在一天内塌陷,通过多次实验进行调整,在保证其不塌陷的基础上,确定掺量为14%。保证水泥的量不变,掺入14% PCS-2,按照1.2节的制备工艺掺入不同体积的泡沫,使其湿密度为279kg/m3,水灰比为0.24~0.42时(水灰比不小于0.45时,试件易塌陷;水灰比不大于0.22时,流动性差),试件的抗压强度、表观密度与水灰比的关系见图6。
由图6可知,随着水灰比的增大,抗压强度整体呈下降趋势;试件密度随水灰比的逐渐增大缓慢下降,后有上升趋势。实验中需要加入一定量的水来保证浇筑和成型的正常进行。随着水灰比的增大,在一定程度上,净浆的流动度越好,越有利于泡沫与水泥基材料相容,有利于强度的增大;但过多的水不仅不能参与到水化反应中去,还会在一定程度上影响孔隙结构和孔壁的完整性。水灰比为0.24时强度较高,但密度也高;当水灰比增加到0.3时强度最高,密度较低。因此确定在实验中水灰比选用0.3。
2.1.4水泥颗粒粒度对轻质水泥基材料强度的影响
水泥粒度级配的结构对水泥的水化硬化速度、需水量、 和易性、放热速度,特别是强度有很大的影响。本实验取经不同时间磨细的水泥,并用LS230激光粒度分析仪测定其颗粒粒径。选用水泥粒度最小的水泥,按水灰比0.3,PCS-2 14%的配合比,可通过改变泡沫的掺入量调整轻质水泥基材料的表观密度,测定其不同的表观密度与7d、28d抗压强度之间的关系,结果见图7;选用不同时间段磨细的水泥,配合比不变,制成表观密度为130kg/m3和280kg/m3左右的试件,按照1.3节所述条件和试验方法养护至预定龄期,测定其不同粒度与抗折、抗压强度的关系,结果见图8。
由图7可以看出,用粒度较小的水泥制备表观密度达85.8kg/m3的稳定的轻质水泥基材料,28d抗压强度为0.04MPa;随水泥基材料表观密度(285.2~85.8kg/m3)的降低(密度为64.5kg/m3的试件微塌陷),其抗压强度呈线性降低,与较高密度的变化趋势相似;轻质水泥基材料从7d到28d的抗压强度提高约36.98%。由图8可以看出,随水泥粒度(19.2~10.89μm)的降低,表观密度为(129±6)kg/ m3的轻质水泥基材料的抗压强度变化不大;表观密度为(276±6)kg/m3的水泥基材料的7d抗压强度先降低后微有上升趋势,28d抗压强度先升后降,粒径为16.92μm和19.2μm的强度较好。
究其原因,在一定水泥颗粒粒径范围内,颗粒对水泥强度增长起主导作用,水泥颗粒越细,水泥的活性越大,水化越快;部分水泥颗粒堵塞一定的毛细管孔隙,提高水泥的早期强度。水泥粒度过小,比表面积过大,水泥的需水量就偏大, 将使硬化水泥浆体因水分过多引起孔隙率增加而降低强度, 亦将影响水泥基材料的其他性能。从以上结果和成本上考虑,本实验选用水泥粒径为19.2μm。
2.1.5超低表观密度水泥基材料的制备及木质纤维对其强度的影响
水泥基材料的密度越低,需掺入的泡沫越多,非水溶性纤维比较容易破坏其孔壁,因此笔者选用水溶性木质纤维。 实验中,保持水灰比0.3、PCS-2 14%、CaCl22.0% (需木质纤维时,掺量为0.6%),其研究结果如图9所示。结果表明: (1)随着密度的增加,28d抗压强度呈线性增加;(2)掺入木质纤维对抗压强度的影响不大;(3)相同密度的轻质水泥基材料,抗压强度有较大波动,密度越低,相对波动越大;(4)密度在85.9kg/m3时,强度可达0.063 MPa;密度在97.7kg/ m3时,强度可达0.077 MPa;密度在113kg/m3时,强度可达0.12MPa;密度在144.5kg/m3时,强度可达0.25MPa。
2.2表观密度及纤维对水泥基材料塑性收缩开裂的影响
根据文献[9]的研究,以CaCl22%、纤维素醚0.1%、水灰比0.55的配合比验证并补充表观密度对水泥基材料塑性收缩开裂的影响,结果见图10。
沿用相同的体系,成型低表观密度的试件,试件总处于塌陷状态。笔者为进一步研究超低表观密度对水泥基材料塑性收缩开裂的影响,保持实验中水灰比0.3、PCS-2速凝剂14%、CaCl22.0%,其超低表观密度与塑性收缩开裂权重值之间的关系见图11。选用统一配合比,加入聚丙烯(PP)纤维0.0kg/m3与0.6kg/m3制成表观密度为160kg/m3的大板,对比纤维对其收缩开裂性能的影响。
由图10(a)可知,随着表观密度的降低(1593~270kg/ m3),水泥基材料的开裂权重值降低,当表观密度在570~270 kg/m3范围内,均没有出现塑性收缩开裂现象;一定范围内, 随表观密度降低,水泥基材料的开裂权重值逐渐降低,较低的表观密度有利于抑制其塑性收缩开裂现象。由图10(b)可知,随着表观密度的继续降低(270~80kg/m3),水泥基材料的开裂权重值急剧上升,收缩开裂现象严重。在表观密度为1593~270kg/m3的范围内,塑性收缩开裂程度降低的原因在于水泥基材料塑性收缩率随密度降低而降低,可能使塑性浆体收缩拉应力明显降低;随着密度降低,可能出现塑性毛细管收缩拉应力小于其塑性抗拉强度的情况,从而出现随密度降低塑性收缩开裂情况明显减少。在表观密度为276~80 kg/m3的范围内,塑性收缩开裂程度上升的原因是在速凝剂和早强剂的作用下,水泥活性下降较快,水泥的需水量较大, 导致试件的收缩增大;密度降低至一定程度时,可能出现塑性毛细管收缩拉应力大于其塑性抗拉强度的情况,从而导致开裂严重。
由图11可知,表观密度为160kg/m3,掺PP纤维0.0 kg/m3的收缩开裂权重值为682cm,掺PP纤维0.6kg/m3的收缩开裂权重值为73.5cm,表明掺加PP纤维可有效降低超低表观密度水泥基材料的塑性收缩开裂性能。
3结论
(1)综合不同发泡剂的发泡倍数、泡沫沉降距与1h泌水量,及不同发泡剂成型出的表观密度为210kg/m3的试块的孔径观察和强度对比,HTQ-Ⅰ动植物复合发泡剂的发泡效果及其与水泥基材料的相容性最好。
(2)CaCl2和PCS-2对水泥基材料调凝及增强都有一定的正面影响,本实验选用CaCl2掺量2.0% 和PCS-2掺量8%。但PCS-2的掺量要根据水泥基材料密度的变化进行相对调整。当水灰比增加到0.3时强度最高,表观密度较低。
(3)随水泥粒度(19.2~10.89μm)的降低,轻质试件的抗压强度略微变化。从实验结果与成本考虑,选用水泥粒径为19.2μm。
(4)掺入木质纤维对轻质水泥基材料的抗压强度影响不大。
(5)制得的低密度水泥基材料28d表观密度为85.9kg/ m3时,抗压强度为0.063MPa;28d表观密度为97.7kg/m3时,抗压强度为0.077MPa;28d表观密度为113kg/m3时, 抗压强度为0.12MPa;28d表观密度为144.5kg/m3时,抗压强度为0.25MPa。
(6)一定范围内,随表观密度降低,水泥基材料开裂权重值逐渐降低,较低的表观密度有利于抑制水泥基材料的塑性收缩开裂现象,但随着表观密度的继续降低(270~80kg/ m3),收缩开裂现象严重。
塑性水泥浆 篇3
关键词：水泥搅拌桩,高含水量、高塑性指数软土,加固研究
1 概况
水泥搅拌桩是目前国内高速公路软基处理采用最多的方法之一,具有能有效减少路基总沉降量、抵抗侧向变形以及适应快速加荷的施工条件而不引起急剧沉降的特点,在珠江三角洲得到广泛应用。水泥搅拌桩有粉喷(干法)和浆喷(湿法)两种施工工艺,分别采用水泥粉或水泥浆加固软弱土层,形成水泥土桩。随着水泥搅拌桩技术的发展,该两种施工工艺的适用范围亦已拓宽,互相渗透、相与交差。在实际工程应用中,哪种工艺方法的加固效果较好,学术界及工程界一直在研讨。尽管作了大量的科研工作,并且在施工及质量控制与检测方面也积累了很多经验,但由于软土自身的复杂性,仍面临很多新问题。
广东佛山地区,软土具有含水量高、粘性大的特征。本文从室内水泥土试验、工程实践及理论分析三个方面探讨水泥搅拌桩粉喷(干法)和浆喷(湿法)两种施工工艺对高含水量和高塑性指数软土的加固效果,并且对试验数据进行归一化及回归分析,推导水泥土强度、龄期及水泥掺入量的经验关系式,为水泥搅拌桩处理高含水量和高塑性指数软土研究提供了一个新的分析方法。分析及研究表明,粉喷(干法)加固高含水量及高塑性指数软土的效果优于浆喷(湿法)。
2 水泥土室内试验
广东佛山地区淤泥质粘土层主要物理力学指标如表1所示,含水量ω在60%～100%之间,塑性指数Ip在15.5～20.5之间,具有高含水量和高塑性指数的特征。
室内试验使用广东四会水泥厂生产的“通天”牌P.O32.5R级水泥,水泥掺入量8%、10%、12%、15%、18%及20%,浆喷(湿法)试验水灰比0.5,其试验结果及回归分析如下。
2.1 龄期与水泥土无侧限抗压强度的关系
水泥土龄期与无侧限抗压强度的关系试验结果如图1及图2所示。
由图可知,干法、湿法试件的水泥土强度qu、qu′与龄期T有直接的相关关系,其强度增加随龄期的增加呈增长趋势,且水泥掺入比λ%越高,强度增长越快。分析可知,以其90d龄期的强度作为水泥土标准强度,则7d龄期强度可达到标准强度的20%～40%,28d龄期强度可达到标准强度的40%～70%,而90d龄期的标准强度约为180d龄期强度的80%。并且28d龄期后,其强度增长仍较明显,而180d龄期后,其强度增长仍未终止。水泥掺入量为8%～20%时,水泥土龄期与强度之间大致呈线性关系,关系表达式如下:
干法试件:qu(28d)=(1.51～2.54)qu(7d)
qu(90d)=(3.10～3.73)qu(7d)
qu(180d)=(3.98～4.32)qu(7d)
qu(90d)=(1.53～2.92)qu(28d)
qu(180d)=(3.03～4.62)qu(28d)
qu(180d)=(1.15～1.87)qu(90d)
湿法试件:qu(28d)′=(1.23～1.89)qu(7d)′
qu(90d)′=(2.01～2.98)qu(7d)′
qu(180d)′=(3.22～3.74)qu(7d)′
qu(90d)′=(1.12～2.09)qu(28d)′
qu(180d)′=(1.05～1.23)qu(90d)′
式中qu为干法试件不同龄期强度;qu′为湿法试件不同龄期强度。
回归分析及验算发现,在其它条件相同时,某个龄期T的干法、湿法水泥土无侧限抗压强度与各自28d龄期的无侧限抗压强度的比值qu(T)/ qu(28d)、qu(T)′/ qu(28d)′,与龄期T的关系有较好的归一化性质,且大致呈幂函数关系。经回归分析,得到其经验关系式如下:
干法试件:qu(T)/ qu(28d)=0.2414T0.4197
湿法试件:qu(T)′/ qu(28d)′=0.2012T0.3571
在其它条件相同时,干法、湿法两个龄期T1、T2的水泥土无侧限抗压强度之间的比值qu(T1)/qu(T2)、qu(T1)′/qu(T2)′,随龄期之比的比值T1/T2增大而增大,且大致呈幂函数关系。经回归分析,得到其经验关系式如下:
干法试件:qu(T1)/qu(T2)=(T1/T2)0.4182
湿法试件:qu(T1)′/qu(T2)′=(T1/T2)0.3624
分析计算可知,在相同的龄期及水泥掺入量条件下,干法试件强度为湿法试件强度的2～4倍,并且干法试件强度增长快于湿法试件,粉喷(干法)加固软土效果明显优于浆喷(湿法)。
2.2 水泥掺入量与水泥土无侧限抗压强度的关系
从图1、图2可知,水泥土无侧限抗压强度随着水泥掺入量增加而增大,其中干法水泥土强度增大速率高于湿法。回归分析及验算发现,水泥掺入量为8%～20%范围内,在其它条件相同时,某个水泥掺入量λ%的干法、湿法水泥土无侧限抗压强度qu(λ%)、qu(λ%)′,与其各自水泥掺入量15%的水泥土无侧限抗压强度qu(15%)、qu(15%)′的比值qu(λ%)/ qu(15%)、qu(λ%)′/ qu(15%)′,与水泥掺入量λ%的关系有较好的归一化性质,且大致呈幂函数关系。经回归分析,得到其经验关系式如下:
干法试件:qu(λ%)/ qu(15%)=41.582(λ%)1.7695
湿法试件:qu(λ%)′/ qu(15%)′=32.212(λ%)1.7695
在其它条件相同的条件下,两种不同水泥掺入量λ1%和λ2%的干法、湿法水泥土无侧限抗压强度的比值qu(λ1%)/ qu(λ2%)、qu(λ1%)′/ qu(λ2%)′随水泥掺入量λ1%和λ2%之比值λ1/λ2增大而增大。经验算,两者大致呈幂函数关系。经回归分析,得到其经验关系式如下:
干法试件:qu(λ1%)/ qu(λ2%)=(λ1/λ2)1.7736
湿法试件:qu(λ1%)′/ qu(λ2%)′=(λ1/λ2)1.4717
分析可知,在相同龄期的条件下,12%水泥掺入量的干法试件强度即能够达到20%水泥掺入量湿法试件强度,粉喷(干法)加固软土效果明显优于浆喷(湿法)。
2.3 龄期、水泥掺入量与水泥土无侧限抗压强度三者之间的关系
综合分析龄期T,水泥掺入量λ%与干法、湿法水泥土无侧限抗压强度qu(T、λ%)、qu(T、λ%)′的关系,经回归分析和验算,当水泥掺入量为8%～20%时,得到其经验关系式如下:
干法试件:
qu(T1、λ1%)/ qu(T2、λ2%)=(λ1/λ2)1.8095(T1/T2)0.4119
湿法试件:
qu(T1、λ1%)′/ qu(T2、λ2%)′=(λ1/λ2)1.5019(T1/T2)0.3011
式中qu(T1、λ1%)、qu(T2、λ2%)为龄期T1、T2,水泥掺入量λ1%、λ2%时干法试件水泥土无侧限抗压强度;qu(T1、λ1%)′、qu(T2、λ2%)′为龄期T1、T2,水泥掺入量λ1%、λ2%时湿法试件水泥土无侧限抗压强度。
3 工程实例
(1)工程概况
佛山市狮山～和顺公路主干线工程第三标段官华路以北K9+948～K11+400段,采用水泥搅拌桩处理软土桥头路基,以使桥台与桥背基之间的沉降差异控制在合理范围内,克服桥台跳车现象。处理范围的淤泥质土呈软塑状,含水量ω=60.1%～89.6%,最大孔隙比大于3.0,最大饱和度为完全饱和,最大厚度8.0m,最小承载力40kPa,塑性指数Ip=15.4～20.5,具有含水量高、粘性大的特征。在工程正式施工之前进行了搅拌桩粉喷(干法)和浆喷(湿法)两种施工工艺工程试桩,以了解两种施工工艺的加固效果,指导施工。
(2)设计要求
试验采用广东四会水泥厂生产的通天牌P.O32.5R级水泥,桩长10～12m,桩径50cm,水泥掺入量15%,浆喷(湿法)水灰比0.5。试桩共40根,粉喷(干法)和浆喷(湿法)各20根。
(3)试桩实测结果
采用钻探取芯检测无侧限抗压强度,检测结果如表2所示。
从表2可知,在相同的龄期及相同的水泥掺入量条件下,干法试件强度为湿法试件强度的2～4倍,并且干法试件强度增长快于湿法试件,实际试桩结果与室内试验结果是相符的。
由于室内试验采用拌和机搅拌,其搅拌均匀性优于施工搅拌,所以试桩的桩身强度低于相同水泥掺入量的室内试验强度。若用η值表示试桩水泥土试样的无侧限抗压强度与室内无侧限抗压强度的比值,计算可知,η=0.30～0.60。在相同的土质及水泥掺入量条件下,试桩的桩身强度约为室内试验强度的1/3～1/2。
4 理论分析
室内试验及工程试桩实践均表明,在相同的水泥掺入量及龄期条件下,粉喷(干法)水泥土强度较浆喷(湿法)明显提高。其主要原因是软土中含水量较高,及其施工机械及工艺存在很大差别,直接影响到加固效果。
(1)含水量对加固效果的影响
在施工过程中,由于软土本身具有较高的含水量,处于饱和状,难以吸收更多的水泥浆液,采用浆喷(湿法)施工,尽管注入了设计所需的水泥浆液,但未被软士完全吸收,部分水泥浆液外溢,部分被含水量较低的较硬土层吸收,导致所需加固处理软土层吸收水泥浆液不足,未达到设计要求的水泥掺入量,使桩身强度降低。
另外,对于含水量较高的软土,水泥土强度增长趋势比较缓慢。试验及工程实践表明,有时其180d龄期时尚未达到最终强度的80%。室内试验、试桩结果与该理论分析是相符合的。
(2)施工机械及工艺对加固效果的影响
搅拌桩粉喷(干法)机械采用螺旋式叶片钻头,旋转切削搅拌土体,使土和水泥粉拌和的同时,借助螺旋式叶片反旋转压力密实水泥土,提高水泥土强度。浆喷(湿法)机械采用十字钻头,无反旋转压力,易拉松土体,特别是接近地面时,上覆盖土压力小,此时当软土粘性大,塑性指数高时,软土与钻头粘为一体,不能与水泥浆液充分拌和而产生水泥“富集区”和空洞区,导致桩体强度不均匀。
5 结论
综上所述,室内水泥土试验、工程实践及理论分析均表明,由于土中含水量较高是导致浆喷(湿法)水泥土强度小于粉喷(干法)强度的主要原因。另外,搅拌桩粉喷(干法)机械施工采用螺旋式叶片钻头,较浆喷(湿法)机械的十字钻头能充分切碎拌和,并借用螺旋式叶片反旋转压力密实水泥土,提高水泥土强度。因此,对于高含水量及高塑性指数的淤泥质粘土,粉喷(干法)加固软土效果明显优于浆喷(湿法)。
参考文献
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