论文部分内容阅读
摘要：采用钙基膨润土、硅酸钠水泥、水等材料，测量分析形成泥浆固化物后抗剪切的破坏载荷和抗压强度，通过控制变量的方法，形成多个梯次，分别探究最佳水土比、膨润土和水泥最佳配比以及不同配比下高低速搅拌对其强度性质的影响。结果表明：当水土比为1：1.5时低速搅拌的抗剪切破坏载荷最大;随着水泥含量的增加，抗剪切破坏载荷和抗压强度随之增大：总体来说低速搅拌的效果明显好于高速搅拌。
关键词：膨润土;抗剪切破坏载荷;抗压强度;最佳配比
自90 年代以来，工程中便出现了一种新的灌浆技术，该法主要是通过添加膨润土来生产稳定浆液，目前国内外配制稳定灌浆液普遍采用膨润土作稳定剂。 灌浆液的主要成分就是膨润土和水泥，所以如何控制好浆液各组份之间的比例成为了人们一直研究得话题。研究浆液的组份比例可以更好的发挥浆液的性能，避免一些不必要的浪费，更加的节约、绿色。因此，文章介绍了水泥和膨润土的最佳配比、固体混合物和水的最佳配比以及其较适宜的搅拌速度，以便为今后配制稳定浆液提供参考。
1 膨润土的性质及作用机理
膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2：1型晶体结构，由于蒙脱石晶胞形成的层状结构存在某些阳离子，如Cu、Mg、Na、K等，且这些阳离子与蒙脱石晶胞的作用很不稳定，易被其它阳离子交换，故具有较好的离子交换性。
膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，含量在85-90%，膨润土的一些性质也都是由蒙脱石所决定的。蒙脱石可呈各种颜色如黄绿、黄白、灰、白色等等。可以成致密块状，也可为松散的土状，用手指搓磨时有滑感，小块体加水后体积胀大数倍至20-30倍，在水中呈悬浮状，水少时呈糊状。蒙脱石的性质和它的化学成分和内部结构有关。
膨润土的作用主要体现在其触变性，膨润土在水接触之后会形成一种触变性的泥浆，类似于非牛顿流体，在静止的时候，膨润土分子相互连接，形成网状结构，对自由泥浆的粘度较高，能够有一定的承载力。当其被搅动时，分子间形成的网状结构被破坏，由塑性泥浆转变成悬浊液，此时粘滞性比较低，并且二者的转化是无限次数的，所以其触变性好。
2 试验原料，设备及方法
在工程的实际运用中，水泥—膨润土泥浆中往往会加入诸如硅酸钠、CMC、煤碱剂等外加剂改善泥浆性能，此次试验主要目的是研究水泥和膨润土不同配比下对泥浆力学性能的影响，故仅用水泥和膨润土作为试验原料。
水泥：采用P·Ⅰ52.5硅酸盐水泥，其性能指标如下
膨润土：实验表明，水泥—膨润土泥浆中，使用钠基膨润土的效果高于钙基膨润土，但钙基膨润土价格较高，从经济角度考虑，本次试验采用二级钙基膨润土，符合GB/T20973-2007《膨润土》标准要求，其性能指标如下
采用一级WAW-600电液伺服万能试验机，最大实验力600kN，试验力测量范围1%～100%FS，示值相对误差±0.5%，位移测量分辨力13mm，加荷速率范围120N/s～12kN/s，可完成对试件的剪切试验，该试验机满足试验要求。
搅拌机：6J-1型高速搅拌机（空载转速4000r/min）、强力搅拌机（空载转速400r/min）
实验选取实际工程中使用较多的水灰比和膨润土比例进行，应用控制变量法，先固定水泥和膨润土的比例，对不同水土比进行试验分析，同理，之后保持水土比不变，对水泥和膨润土的不同配比进行试验分析及变化规律的研究。根据不同配比制好泥浆后，分别将其倒入70.7mmx70.7mmx70.7mm的立方体模具和直径为50mm、高度为100mm的圆柱模具中，静置7d，将立方体试样选取50?作为剪切角，用万能试验机施压直至试件破坏，记录抗剪切破坏载荷;选用圆柱试样进行单轴抗压强度试验。分别比较不同配比下试件抗剪切破坏载荷及抗压强度的大小，最后找出最佳配比。
3.实验结果与分析
3.1抗剪强度
根据剪切试验结果，分别测得不同水土比，同一水土比不同水泥含量，不同转速下得抗剪切的破坏载荷的三组曲线图。
3.1.1不同比例条件下的抗剪切破坏特征值如上两图所示
（1）在水土比一定的情况下，泥浆固化物的抗剪切破坏荷载整体均呈随水泥用量的增大而增大;但水泥含量不得大于膨润，不然流动性极差或者根本无法流动导致注浆管堵塞。
（2）水土比也不能低于1：1.3，否则试样的强度会太低且固结时间过长。随着水土比减小，抗剪切破坏荷载强度呈递增状态，在水土比为1：1.5达到峰值，之后呈下降趋势。 （3）可明显判斷出1：1.5的水土比，水泥和膨润土比例为1：1时，抗剪切破坏荷载为最值，配比最好。因此不仅可以看出水土比决定了抗剪切破坏强度的值，而且水泥和膨润土的比例对其影响也十分显著。
3.1.2上图为水土比为1：1.5的最佳比值在不同转速的搅拌机搅拌下，不同水泥和膨润土比例的抗剪切破坏荷载曲线图
可明显看出，随着水泥含量的增加，两不同转速在搅拌5min后放置7d的泥浆固化物的抗剪切破坏荷载值均称上升趋势，即水泥-膨润土为1：1时，达到最大值。
低速搅拌虽然固结时间比高速搅拌稍长一些，但是从最佳配比的峰值可以看出，低速搅拌的抗剪切破坏荷载值比高速搅拌值更大，效果更好。因此推荐低速搅拌下的试样运用于实际工程中，成本会更加低廉。
对抗压强度试验结果分析比较可以发现：
经过低速搅拌后的泥浆固化物均比高速搅拌后的泥浆固化物在各配比下抗压强度高。低速搅拌后浆材当水土比为1：1.5时较1：1.4提高了12%。随着水土比的增大，泥浆固化物强度的趋势为先增大再减小。泥浆固化物的抗压强度在水土比为1：1.5的情况下达到最大。 在确定了泥浆固化物抗压强度在水土比为1：1.5的时候达到峰值后，对水泥和膨润土的不同比值进行抗压强度研究。研究结果如下图所示：
从图中我们可以看出：
泥浆固化物抗压强度随着水泥和膨润土的比值增加而增加，在比值为1：1时达到适用范围的最大值。
经过低速搅拌后泥浆固化物抗压强度要至少高出高速搅拌的浆材结石2MPa，说明低速搅拌不会破坏材料的自身结构，从而使强度大大增强。
4 结论
通过对本次试验结果对比可以得到以下结论：
（1）泥浆固化物的水土比为1：1.5，水泥和膨润土之比为1：1时，在低速搅拌下此时试样的抗剪切破坏载荷和抗压到达峰值，即此时配比和条件均为最佳。
（2）当水土比大于1：1.3时，试样流动性虽很明显，但基本上很难固结或直接成土水分层静置或土层分层滑动，试样软，强度低，固结时间过长，根本无法满足工程要求。当水土比小于1.7时，试样固结时间虽略微减短但流动性极差且难以搅拌，这样容易造成施工过程中注浆管的堵塞，而粘度也未显著提高。
（3）水土比是决定泥浆固化物的抗压强度及抗剪切破坏载荷的最主要因素，但水泥和膨润土的比例也对强度的影响也是非常显著，水土比越低，强度越高，水泥的含量（最高不得超过膨润土的量）越高，强度越高。
（4）相同配比的试样在高低速同等时间下搅拌，高速比低速水土互掺更为均匀，固结周期更短，但是强度均不如低速搅拌。所以推荐实际工程应用低速搅拌，成本更为经济。
（5）随着固结时长的增加，泥浆固化物的强度都趋于增加。不考虑沉沙现象，可以增加少量细砂，强度明显提高，但塑性会轻微下降。
5 应用
本实验研究最佳配比泥浆具有相对密度低、粘度高、流动性性好、泥皮薄、稳定性强、固壁能力强、造浆能力大等优点。还具有膨润土优良的分散性和膨润性，低失水量及胶体性能和剪切稀释能力等优点。泥浆固化物固结周期短，强度满足工程要求。成本更加经济，适用地层较广。
可用于钻井液，地下连续墙施工、沉井作业施工、桩基础的施工、防水材料、混凝土增塑添加物以及盾构过程隧道的加固等方面。
参考文献
[1]黄亮，徐超等.水泥 -膨润土泥浆固结体力学性能室内试验研究[ J].勘察科学技术 2009.6 3-8
[2]叶观宝，陈望春，杨晓明.水泥土早期强度的室内试验研究.岩土工程技术，2003 6：346 -348.
[3]梁经纬. 黏土固化浆液力学性能研究及岩溶坝区防渗帷幕中的应用效果模拟[D]（河北）邯郸：河北工程大学，.2010：16～17.
（作者單位：中国矿业大学 资源与地球科学学院）
关键词：膨润土;抗剪切破坏载荷;抗压强度;最佳配比
自90 年代以来，工程中便出现了一种新的灌浆技术，该法主要是通过添加膨润土来生产稳定浆液，目前国内外配制稳定灌浆液普遍采用膨润土作稳定剂。 灌浆液的主要成分就是膨润土和水泥，所以如何控制好浆液各组份之间的比例成为了人们一直研究得话题。研究浆液的组份比例可以更好的发挥浆液的性能，避免一些不必要的浪费，更加的节约、绿色。因此，文章介绍了水泥和膨润土的最佳配比、固体混合物和水的最佳配比以及其较适宜的搅拌速度，以便为今后配制稳定浆液提供参考。
1 膨润土的性质及作用机理
1.1膨润土的性质
膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，蒙脱石结构是由两个硅氧四面体夹一层铝氧八面体组成的2：1型晶体结构，由于蒙脱石晶胞形成的层状结构存在某些阳离子，如Cu、Mg、Na、K等，且这些阳离子与蒙脱石晶胞的作用很不稳定，易被其它阳离子交换，故具有较好的离子交换性。
膨润土的主要矿物成分是蒙脱石，含量在85-90%，膨润土的一些性质也都是由蒙脱石所决定的。蒙脱石可呈各种颜色如黄绿、黄白、灰、白色等等。可以成致密块状，也可为松散的土状，用手指搓磨时有滑感，小块体加水后体积胀大数倍至20-30倍，在水中呈悬浮状，水少时呈糊状。蒙脱石的性质和它的化学成分和内部结构有关。
1.2膨润土的作用机理
膨润土的作用主要体现在其触变性，膨润土在水接触之后会形成一种触变性的泥浆，类似于非牛顿流体，在静止的时候，膨润土分子相互连接，形成网状结构，对自由泥浆的粘度较高，能够有一定的承载力。当其被搅动时，分子间形成的网状结构被破坏，由塑性泥浆转变成悬浊液，此时粘滞性比较低，并且二者的转化是无限次数的，所以其触变性好。
2 试验原料，设备及方法
2.1原料
在工程的实际运用中，水泥—膨润土泥浆中往往会加入诸如硅酸钠、CMC、煤碱剂等外加剂改善泥浆性能，此次试验主要目的是研究水泥和膨润土不同配比下对泥浆力学性能的影响，故仅用水泥和膨润土作为试验原料。
水泥：采用P·Ⅰ52.5硅酸盐水泥，其性能指标如下
膨润土：实验表明，水泥—膨润土泥浆中，使用钠基膨润土的效果高于钙基膨润土，但钙基膨润土价格较高，从经济角度考虑，本次试验采用二级钙基膨润土，符合GB/T20973-2007《膨润土》标准要求，其性能指标如下
2.2试验设备
采用一级WAW-600电液伺服万能试验机，最大实验力600kN，试验力测量范围1%～100%FS，示值相对误差±0.5%，位移测量分辨力13mm，加荷速率范围120N/s～12kN/s，可完成对试件的剪切试验，该试验机满足试验要求。
搅拌机：6J-1型高速搅拌机（空载转速4000r/min）、强力搅拌机（空载转速400r/min）
2.3实验方法
实验选取实际工程中使用较多的水灰比和膨润土比例进行，应用控制变量法，先固定水泥和膨润土的比例，对不同水土比进行试验分析，同理，之后保持水土比不变，对水泥和膨润土的不同配比进行试验分析及变化规律的研究。根据不同配比制好泥浆后，分别将其倒入70.7mmx70.7mmx70.7mm的立方体模具和直径为50mm、高度为100mm的圆柱模具中，静置7d，将立方体试样选取50?作为剪切角，用万能试验机施压直至试件破坏，记录抗剪切破坏载荷;选用圆柱试样进行单轴抗压强度试验。分别比较不同配比下试件抗剪切破坏载荷及抗压强度的大小，最后找出最佳配比。
3.实验结果与分析
3.1抗剪强度
根据剪切试验结果，分别测得不同水土比，同一水土比不同水泥含量，不同转速下得抗剪切的破坏载荷的三组曲线图。
3.1.1不同比例条件下的抗剪切破坏特征值如上两图所示
（1）在水土比一定的情况下，泥浆固化物的抗剪切破坏荷载整体均呈随水泥用量的增大而增大;但水泥含量不得大于膨润，不然流动性极差或者根本无法流动导致注浆管堵塞。
（2）水土比也不能低于1：1.3，否则试样的强度会太低且固结时间过长。随着水土比减小，抗剪切破坏荷载强度呈递增状态，在水土比为1：1.5达到峰值，之后呈下降趋势。 （3）可明显判斷出1：1.5的水土比，水泥和膨润土比例为1：1时，抗剪切破坏荷载为最值，配比最好。因此不仅可以看出水土比决定了抗剪切破坏强度的值，而且水泥和膨润土的比例对其影响也十分显著。
3.1.2上图为水土比为1：1.5的最佳比值在不同转速的搅拌机搅拌下，不同水泥和膨润土比例的抗剪切破坏荷载曲线图
可明显看出，随着水泥含量的增加，两不同转速在搅拌5min后放置7d的泥浆固化物的抗剪切破坏荷载值均称上升趋势，即水泥-膨润土为1：1时，达到最大值。
低速搅拌虽然固结时间比高速搅拌稍长一些，但是从最佳配比的峰值可以看出，低速搅拌的抗剪切破坏荷载值比高速搅拌值更大，效果更好。因此推荐低速搅拌下的试样运用于实际工程中，成本会更加低廉。
3.2抗压强度
对抗压强度试验结果分析比较可以发现：
经过低速搅拌后的泥浆固化物均比高速搅拌后的泥浆固化物在各配比下抗压强度高。低速搅拌后浆材当水土比为1：1.5时较1：1.4提高了12%。随着水土比的增大，泥浆固化物强度的趋势为先增大再减小。泥浆固化物的抗压强度在水土比为1：1.5的情况下达到最大。 在确定了泥浆固化物抗压强度在水土比为1：1.5的时候达到峰值后，对水泥和膨润土的不同比值进行抗压强度研究。研究结果如下图所示：
从图中我们可以看出：
泥浆固化物抗压强度随着水泥和膨润土的比值增加而增加，在比值为1：1时达到适用范围的最大值。
经过低速搅拌后泥浆固化物抗压强度要至少高出高速搅拌的浆材结石2MPa，说明低速搅拌不会破坏材料的自身结构，从而使强度大大增强。
4 结论
通过对本次试验结果对比可以得到以下结论：
（1）泥浆固化物的水土比为1：1.5，水泥和膨润土之比为1：1时，在低速搅拌下此时试样的抗剪切破坏载荷和抗压到达峰值，即此时配比和条件均为最佳。
（2）当水土比大于1：1.3时，试样流动性虽很明显，但基本上很难固结或直接成土水分层静置或土层分层滑动，试样软，强度低，固结时间过长，根本无法满足工程要求。当水土比小于1.7时，试样固结时间虽略微减短但流动性极差且难以搅拌，这样容易造成施工过程中注浆管的堵塞，而粘度也未显著提高。
（3）水土比是决定泥浆固化物的抗压强度及抗剪切破坏载荷的最主要因素，但水泥和膨润土的比例也对强度的影响也是非常显著，水土比越低，强度越高，水泥的含量（最高不得超过膨润土的量）越高，强度越高。
（4）相同配比的试样在高低速同等时间下搅拌，高速比低速水土互掺更为均匀，固结周期更短，但是强度均不如低速搅拌。所以推荐实际工程应用低速搅拌，成本更为经济。
（5）随着固结时长的增加，泥浆固化物的强度都趋于增加。不考虑沉沙现象，可以增加少量细砂，强度明显提高，但塑性会轻微下降。
5 应用
本实验研究最佳配比泥浆具有相对密度低、粘度高、流动性性好、泥皮薄、稳定性强、固壁能力强、造浆能力大等优点。还具有膨润土优良的分散性和膨润性，低失水量及胶体性能和剪切稀释能力等优点。泥浆固化物固结周期短，强度满足工程要求。成本更加经济，适用地层较广。
可用于钻井液，地下连续墙施工、沉井作业施工、桩基础的施工、防水材料、混凝土增塑添加物以及盾构过程隧道的加固等方面。
参考文献
[1]黄亮，徐超等.水泥 -膨润土泥浆固结体力学性能室内试验研究[ J].勘察科学技术 2009.6 3-8
[2]叶观宝，陈望春，杨晓明.水泥土早期强度的室内试验研究.岩土工程技术，2003 6：346 -348.
[3]梁经纬. 黏土固化浆液力学性能研究及岩溶坝区防渗帷幕中的应用效果模拟[D]（河北）邯郸：河北工程大学，.2010：16～17.
（作者單位：中国矿业大学 资源与地球科学学院）