水泥漿液摻和一定比例膨脹劑、水泥結石膨脹率試驗研究

1 試驗目的  結合純水泥漿液及其水泥結石的體積收縮比試驗研究，為減小或消除漿液形成結石過程中因體積收縮對灌漿質量的影響，進一步開展純水泥漿液中摻和一定比例的膨脹劑對水泥漿液基本性能及水泥結石性能影響的試驗研究。

2 試驗內容 

2.1 漿液基本性能  普通水泥漿液中摻和一定比例膨脹劑后測試漿液以下基本性能：

1）漿液初始溫度 2）漿液比重 3）漿液馬氏粘度 4）漿液析水率 5）漿液凝結時間 

2.2 水泥結石抗壓強度  普通水泥漿液中摻和一定比例膨脹劑對成型的水泥結石養護相應齡期測試： 1）7天抗壓強度 2）28天抗壓強度 

2.3 補償收縮限制豎向微膨脹性

普通水泥漿液中摻和一定比例膨脹劑，漿液形成水泥結石后體積將發生微膨脹，測定相應齡期的豎向微膨脹率： 

1）5小時膨脹率

2）10小時膨脹率

3）24小時（1天）膨脹率

4）72小時（3天）膨脹率

5）168小時（7天）膨脹率

6）672小時（28天）膨脹率

 3 主要儀器設備 

NJ-160凈漿攪拌機、HBY-40B型水泥混凝土標準養護箱、200ml量筒、電子天平（2000g、6000g、200g量程各一臺）、MLN-2型馬氏漏斗粘度計、漿液凝結時間試模、新標準法維卡儀、NB-1泥漿比重計、40mm*40mm*40mm六聯快速水泥強度試模、抗壓試驗機、膨脹測量儀、養護筐、秒表、抹刀、燒杯、移液管、溫度計、玻璃棒等。 

4 試驗原材料  4.1 水  采用錦屏3#生活營地自來水，水溫15℃~17℃。  4.2 水泥  ，強度等級P•O42.5，取樣自1885m層儲灰罐。  4.3 外加劑  1）氧化鈣：CaO  2）9水硅酸鈉：Na2SiO3·9H2O 

5 試驗方法步驟 

5.1 試驗前準備工作  （1）試驗用材料按需準備，儀器設備按需準備。 （2）用電設備操作安全性能檢查，確保安全正常使用。 （3）試驗器皿使用前的清潔擦拭，確保干凈無雜物。 （4）調試各個測量裝置，確保正常使用。（5）對試驗用料進行相關標準檢測。 （6）試驗參數的設定  1） 漿液水灰比為：W/C=0.5:1,硅酸鈉參量為2.8%，氧化鈣參量分別按2.0%、2.5%、3.0%與不摻合外加劑的漿液進行比對試驗。  2）漿液水灰比為：W/C=0.5:1,硅酸鈉參量為2.0%,氧化鈣參量分別按2.0%、1.7%、1.4%與不摻合外加劑的漿液進行比對試驗。

5.2 試驗操作方法及細則 

（1）按上節5.1試驗前準備工作的第（7）項試驗耗材預算計算出的各材料用量進行配漿。 用zui大稱量值6千克的電子秤稱量已檢待用水泥，至0.1g。

 2）用zui大稱量值2千克的電子秤稱量已檢待用氧化鈣和硅酸鈉，至0.01g。 

3）用zui大稱量值6千克的電子秤稱量配漿用水，至0.1g。 

4）將稱好的硅酸鈉小心投入稱量好水的玻璃量杯中，充分攪拌使其充分溶解，（攪拌時使用干凈而表面濕潤的玻璃棒）。

 5）用濕潤的毛巾先把凈漿攪拌機的拌葉和攪拌鍋的內壁擦拭濕潤，將稱量好的水泥和氧化鈣分別倒入攪拌窩，并用低速攪拌120秒，使其充分混合均勻。

 6）將溶解好的硅酸鈉溶液，小心倒入攪拌鍋內并記錄加水時間，先低速攪拌120秒后停機十五秒，在此時間內快速用抹刀將攪拌葉片和攪拌鍋內壁上的水泥漿刮入鍋內，再高速攪拌120秒后停機，制漿完畢。 

（2）測量漿液溫度。使用量程-5~100℃zui小量程為1℃的水銀溫度計測量漿液溫度并記錄數據。

 （3）測量漿液比重。每組漿液測量兩次，結果取平均值。 

（4）檢測漿液流動性。用校核好的馬氏漏斗對漿液進行流動性檢測，每組漿液檢測兩次，檢測結果取平均值。 

（5）制作凝結時間試模。讓漿液一次性注滿試模，并用玻璃棒輕搗6—10次，以排出氣泡。制作好后迅速平移至濕氣養護箱內養護。測量凝結時間按照GB/T1346—2001中的規定執行。 

（6）漿液析水率試驗。將攪拌均勻的漿液分別裝入兩只編入序號的量筒內，各裝100ml以上漿液，并記錄初始漿液體積。裝填漿液時要小心穩妥，以防漿液漸到量筒壁上。漿液加入量筒時間始，每隔二十分鐘記錄一次量筒內漿液的體積變化數據，直到三次讀數不變時視為析水穩定，停

止觀測清洗量筒。試驗結果取兩次結果平均值。 

（7）限制豎向微膨脹試驗。將攪拌均勻的漿液裝入膨脹儀，裝好千分表并記錄千分表初始讀數。漿液裝入膨脹儀時一定要輕穩，當漿液裝至筒內內臺階時~ 5 ~    應立即停止灌注漿液。然后小心將上口活塞輕輕緩慢裝入以剛好接觸上口臺階為宜。臨近初凝時每十分鐘記錄一次千分表讀數，直到終凝后每兩小時記錄一次。待終凝后將膨脹儀放入加滿水的養護箱內養護，水溫調至20℃。養護8小時后讀一次千分表讀數，以后每天每8小時測讀一次千分表讀數，并做好記錄。一直測試到28天養護日止。

（8）抗壓強度試驗。每組漿液各制作3組7天和28天抗壓強度試模。將攪拌均勻的漿液緩緩裝入試模，在漿液初凝后用摸刀抹平模面，并用濕潤的紗布覆蓋于試模面靜養一天后脫模，將模塊放入標準養護箱中養護。養護至設計齡期后做抗壓強度試驗，并記錄抗壓強度值。

 5.3 膨脹試驗原理及使用裝置介紹  本次試驗方法借鑒GB510119----2003附錄B補償收縮混凝土的膨脹率及干縮率的測定方法、DL/T5100----1999附錄C灌漿用膨脹砂漿豎向膨脹率的測定方法。以這兩種方法的試驗原理并設計加工水泥漿豎向膨脹測定儀，通過探索試驗水泥漿豎向膨脹測定儀十分穩定可靠。本試驗裝置采用外徑Φ58mm，內勁Ф55mm的無縫鋼管制作膨脹儀主體，主體長130mm。膨脹儀裝置由主體筒，主體筒底蓋，主體筒上口活塞，主體筒裝夾桿，千分表支架和千分表組成。

（1）主體筒。由無縫剛管制成，總長120 mm，距上口端20mm處有一臺階，上口內徑Ф56.5mm，臺階以下內徑Ф55mm，從下口端到臺階面深100mm（即主體容量筒高100mm），在筒體下口端往下10mm的外徑上有套扣式絲牙，用于連接主體筒底蓋。  

（2）主體筒底蓋。由圓鋼精工切削而成。高25mm，外徑Ф62mm,內徑Ф58.2mm,從上口端到底蓋內底面深15mm,從上口端往下10mm的內壁上有套扣式絲呀，用于連接主體筒，從上口端往下10---15mm有一內徑Ф56.2mm的環帶，在此位置上分布有六個傾斜向下開口于底蓋外圓面的透水養護孔，孔徑Ф5.2mm。 

（3）主體筒上口活塞。由圓鋼精工切削而成。活塞高15mm,直徑Ф56.2mm，在活塞的中心配有一個8mm的螺絲孔，并相應配置一根長50mm的螺絲桿和鎖緊螺母。螺絲桿下端面加工成平面，其下端面距活塞底面調制成10mm的距離，在活塞上配有四個垂直向下的養護孔，孔徑Ф6.7mm。

4）主體筒裝夾桿。由Ф12mm圓鋼磨削而成，全長150,mm，頂端有20mm長的裝夾區磨制成直徑Ф11mm。裝夾桿與主體筒的連接采用電焊焊接，其伸出主體筒70mm, 

（5）千分表支架和千分表。表架采用上海西林刃具有限公司的表座支架；千分表采用威海市量具廠有限公司的千分表，量程范圍0-----1.0mm,值0.001mm.

5.4 膨脹率的計算方法 

（1）確定結石體的基本長度 ~ 7 ~    結石體的基本長度以膨脹儀zui大注漿深度為準，記為H，本次試驗值H=100mm。 

（2）確定被測量結石體的凈長度  被測量結石體的凈長度以活塞中心測量螺桿低端所插入結石體深度橫截面以下結石體的長度，記為H1， 測量螺桿插入深度記為h，本次試驗h=10mm。結石體被測凈長度H1  H1=H-h 

（3）計算結石體膨脹量  結石體膨脹量以千分表測量膨脹值的累計總和為準，千分表初始讀數記為P0，第i時刻千分表讀數記為Pi，則i時刻結石膨脹量記為P  P=Pi- P0  

（4）膨脹率計算如下 膨脹率記為：λ，以%表示。  λ=（P/ H1）*100%  6 試驗數據收集統計 本次試驗內容主要包括摻合不同比例參量的膨脹劑漿液與純水泥漿液基本性能比較、結石力學性能比較以及摻合不同比例參量的膨脹劑的漿液形成水泥結石后在相應齡期內豎向微膨脹率對比試驗。

8 試驗結論 

通過對0.5:1的水泥漿液摻合一定比例膨脹劑后與純水泥漿液的基本性能對比、結石強度對比以及不同參量的膨脹劑對結石補償收縮限制豎向微膨脹的室內試驗研究，可以得出以下結論： 

8.1 漿液基本性能

 （1）漿液溫度  漿液的初始溫度與配漿水溫有關，配漿水溫越高漿液的初始溫度越高。漿液摻合一定比例膨脹劑，在Na2SiO3·9H2O參量一定的情況下，漿液的初始溫度隨著CaO參量的增加而升高。純水泥漿液的溫度高于同組平行試驗中其他摻合外加劑的漿液溫度。 

（2）漿液比重  漿液的比重在Na2SiO3·9H2O參量一定的情況下，隨著CaO摻量增加而增大，呈遞增趨勢。純水泥漿液的比重略大于同組平行試驗中其他摻合外加劑的漿液的比重。 

（3）漿液流動度  1）漿液的流動度在Na2SiO3·9H2O參量為2.8%的情況下，CaO摻合比例為2.5%、3.0%的漿液呈滴流狀，CaO摻合比例為2.0%流動度為174.3s，流動性差。CaO參量越大，流動性越差。純水泥漿液的流動性在同組平行試驗中好于其他摻合外加劑的漿液的流動性。  2）漿液的流動度在Na2SiO3·9H2O參量為2.0%的情況下， CaO參量越大，流動性越差。純水泥漿液的流動性在同組平行試驗中好于其他摻合外加劑的漿液的流動性。 

（4）漿液凝結時間  漿液的凝結時間在Na2SiO3·9H2O參量一定的情況下，隨著CaO摻量增加而縮短，呈遞減趨勢。純水泥漿液的凝結時間在同組摻合外加劑漿液的平行試驗中歷時zui長。 

（5）析水率  漿液的析水率在Na2SiO3·9H2O參量一定的情況下，摻合CaO的漿液析水率均為零，沒有析水率，漿液十分穩定。純水泥漿液的析水率在同組摻合外加劑漿液的平行試驗中析水率zui大，穩定性zui差。

 8.2 結石抗壓強度  水泥結石在Na2SiO3·9H2O參量一定的情況下，7d、28d強度值隨著CaO參量的增加有增加的趨勢，但變化曲率平緩，對強度值影響不大。純水泥漿液的結石強度在同組摻合外加劑的水泥結石強度平行試驗中zui高。  摻合外加劑的水泥結石強度較純水泥結石強度損失值較大，7d強度損值失范圍在27.8%~32.5%之間，28d強度損失值范圍在25.3%~29.2%之間。~ 23 ~    Na2SiO3·9H2O參量一定的情況下，CaO參量越大強度損失值越大。  8.3 限制豎向微膨脹 

（1）水泥結石在Na2SiO3·9H2O參量一定的情況下，膨脹率隨著膨脹時間的增長而增加，呈遞增趨勢；CaO參量越大，對應膨脹期的膨脹值越大。 

（2）水泥結石在Na2SiO3·9H2O參量一定的情況下，水泥結石前1d的膨脹值占28d膨脹值的84%以上，故水泥結石的膨脹增長值主要集中在前1d。 

（3）水泥結石膨脹值從3d到28d期間累計增長百分比曲率平緩，增長速率小，水泥結石膨脹率主要增長值集中在前3d，28d以后增長值將非常小并趨于平行膨脹時間軸，即停止膨脹值增長。 

（4）10h前結石膨脹率zui小值對應的外加劑Na2SiO3·9H2O參量為2.0%，CaO為1.4%，1d到28d結石膨脹率zui小值對應的外加劑Na2SiO3·9H2O參量為2.8%，CaO為2.0%。 

（5）Na2SiO3·9H2O參量為2.8%的水泥結石，除了CaO參量為2.0%外，其各個階段的膨脹率均大于Na2SiO3·9H2O參量為2.0%，CaO參量分別為2.0%、1.7%、1.4%的水泥結石的膨脹率。

 （6）Na2SiO3·9H2O參量為2.8%，CaO參量為2.0%的水泥結石膨脹率試驗結果相比Na2SiO3·9H2O參量為2.0%的其他三組結石膨脹率均低，出現這種結果的原因可能為在膨脹率試驗操作過程中出現試驗人員安裝膨脹儀器不夠仔細，導致千分表不夠靈敏、漿液注入主體筒內未*注滿等因素。 

9 試驗意義及建議  通過對0.5:1的水泥漿液摻合一定比例膨脹劑后與純水泥漿液的基本性能對比、結石強度對比以及不同參量的膨脹劑對結石補償收縮限制豎向微膨脹的室內試驗研究，讓我們對水泥漿液摻合一定比例的膨脹劑的性能有了更多的了解和認識，試驗取得一系列有用的結論，為將來回填接縫灌漿施工消除漿液在形成結石過程中因體積收縮對灌漿質量的影響提供了理論依據。為了更好指導將來現場施工，提高現場灌漿質量，現建議如下： 

（1）試驗過程中Na2SiO3·9H2O參量為2.8%，CaO參量為2.0%的水泥結~ 24 ~    石膨脹率試驗結果相比Na2SiO3·9H2O參量為2.0%的其他三組結石膨脹率均低，出現這種結果的原因可能是試驗人員操作誤差所致，為尋求試驗結果的可靠性建議再做兩組Na2SiO3·9H2O參量為2.8%，CaO參量為2.0%的水泥結石補償收縮限制豎向微膨脹試驗。

 （2）介于漿液中摻合一定比例的膨脹劑后漿液的流動度有大幅度降低，凝結時間有所縮短，水泥結石強度有所降低，為提高漿液的可灌性以及結石的強度，建議進一步通過室內試驗，在現有材料配方下增加一定比例的減水劑確定一個*材料配合比，以此來提高漿液的流動度及結石強度從而提高灌漿質量。