水泥浆液掺和一定比例膨胀剂、水泥结石膨胀率试验研究

1 试验目的  结合纯水泥浆液及其水泥结石的体积收缩比试验研究，为减小或消除浆液形成结石过程中因体积收缩对灌浆质量的影响，进一步开展纯水泥浆液中掺和一定比例的膨胀剂对水泥浆液基本性能及水泥结石性能影响的试验研究。

2 试验内容 

2.1 浆液基本性能  普通水泥浆液中掺和一定比例膨胀剂后测试浆液以下基本性能：

1）浆液初始温度 2）浆液比重 3）浆液马氏粘度 4）浆液析水率 5）浆液凝结时间 

2.2 水泥结石抗压强度  普通水泥浆液中掺和一定比例膨胀剂对成型的水泥结石养护相应龄期测试： 1）7天抗压强度 2）28天抗压强度 

2.3 补偿收缩限制竖向微膨胀性

普通水泥浆液中掺和一定比例膨胀剂，浆液形成水泥结石后体积将发生微膨胀，测定相应龄期的竖向微膨胀率： 

1）5小时膨胀率

2）10小时膨胀率

3）24小时（1天）膨胀率

4）72小时（3天）膨胀率

5）168小时（7天）膨胀率

6）672小时（28天）膨胀率

 3 主要仪器设备 

NJ-160净浆搅拌机、HBY-40B型水泥混凝土标准养护箱、200ml量筒、电子天平（2000g、6000g、200g量程各一台）、MLN-2型马氏漏斗粘度计、浆液凝结时间试模、新标准法维卡仪、NB-1泥浆比重计、40mm*40mm*40mm六联快速水泥强度试模、抗压试验机、膨胀测量仪、养护筐、秒表、抹刀、烧杯、移液管、温度计、玻璃棒等。 

4 试验原材料  4.1 水  采用锦屏3#生活营地自来水，水温15℃~17℃。  4.2 水泥  ，强度等级P•O42.5，取样自1885m层储灰罐。  4.3 外加剂  1）氧化钙：CaO  2）9水硅酸钠：Na2SiO3·9H2O 

5 试验方法步骤 

5.1 试验前准备工作  （1）试验用材料按需准备，仪器设备按需准备。 （2）用电设备操作安全性能检查，确保安全正常使用。 （3）试验器皿使用前的清洁擦拭，确保干净无杂物。 （4）调试各个测量装置，确保正常使用。（5）对试验用料进行相关标准检测。 （6）试验参数的设定  1） 浆液水灰比为：W/C=0.5:1,硅酸钠参量为2.8%，氧化钙参量分别按2.0%、2.5%、3.0%与不掺合外加剂的浆液进行比对试验。  2）浆液水灰比为：W/C=0.5:1,硅酸钠参量为2.0%,氧化钙参量分别按2.0%、1.7%、1.4%与不掺合外加剂的浆液进行比对试验。

5.2 试验操作方法及细则 

（1）按上节5.1试验前准备工作的第（7）项试验耗材预算计算出的各材料用量进行配浆。 用zui大称量值6千克的电子秤称量已检待用水泥，至0.1g。

 2）用zui大称量值2千克的电子秤称量已检待用氧化钙和硅酸钠，至0.01g。 

3）用zui大称量值6千克的电子秤称量配浆用水，至0.1g。 

4）将称好的硅酸钠小心投入称量好水的玻璃量杯中，充分搅拌使其充分溶解，（搅拌时使用干净而表面湿润的玻璃棒）。

 5）用湿润的毛巾先把净浆搅拌机的拌叶和搅拌锅的内壁擦拭湿润，将称量好的水泥和氧化钙分别倒入搅拌窝，并用低速搅拌120秒，使其充分混合均匀。

 6）将溶解好的硅酸钠溶液，小心倒入搅拌锅内并记录加水时间，先低速搅拌120秒后停机十五秒，在此时间内快速用抹刀将搅拌叶片和搅拌锅内壁上的水泥浆刮入锅内，再高速搅拌120秒后停机，制浆完毕。 

（2）测量浆液温度。使用量程-5~100℃zui小量程为1℃的水银温度计测量浆液温度并记录数据。

 （3）测量浆液比重。每组浆液测量两次，结果取平均值。 

（4）检测浆液流动性。用校核好的马氏漏斗对浆液进行流动性检测，每组浆液检测两次，检测结果取平均值。 

（5）制作凝结时间试模。让浆液一次性注满试模，并用玻璃棒轻捣6—10次，以排出气泡。制作好后迅速平移至湿气养护箱内养护。测量凝结时间按照GB/T1346—2001中的规定执行。 

（6）浆液析水率试验。将搅拌均匀的浆液分别装入两只编入序号的量筒内，各装100ml以上浆液，并记录初始浆液体积。装填浆液时要小心稳妥，以防浆液渐到量筒壁上。浆液加入量筒时间始，每隔二十分钟记录一次量筒内浆液的体积变化数据，直到三次读数不变时视为析水稳定，停

止观测清洗量筒。试验结果取两次结果平均值。 

（7）限制竖向微膨胀试验。将搅拌均匀的浆液装入膨胀仪，装好千分表并记录千分表初始读数。浆液装入膨胀仪时一定要轻稳，当浆液装至筒内内台阶时~ 5 ~    应立即停止灌注浆液。然后小心将上口活塞轻轻缓慢装入以刚好接触上口台阶为宜。临近初凝时每十分钟记录一次千分表读数，直到终凝后每两小时记录一次。待终凝后将膨胀仪放入加满水的养护箱内养护，水温调至20℃。养护8小时后读一次千分表读数，以后每天每8小时测读一次千分表读数，并做好记录。一直测试到28天养护日止。

（8）抗压强度试验。每组浆液各制作3组7天和28天抗压强度试模。将搅拌均匀的浆液缓缓装入试模，在浆液初凝后用摸刀抹平模面，并用湿润的纱布覆盖于试模面静养一天后脱模，将模块放入标准养护箱中养护。养护至设计龄期后做抗压强度试验，并记录抗压强度值。

 5.3 膨胀试验原理及使用装置介绍  本次试验方法借鉴GB510119----2003附录B补偿收缩混凝土的膨胀率及干缩率的测定方法、DL/T5100----1999附录C灌浆用膨胀砂浆竖向膨胀率的测定方法。以这两种方法的试验原理并设计加工水泥浆竖向膨胀测定仪，通过探索试验水泥浆竖向膨胀测定仪十分稳定可靠。本试验装置采用外径Φ58mm，内劲Ф55mm的无缝钢管制作膨胀仪主体，主体长130mm。膨胀仪装置由主体筒，主体筒底盖，主体筒上口活塞，主体筒装夹杆，千分表支架和千分表组成。

（1）主体筒。由无缝刚管制成，总长120 mm，距上口端20mm处有一台阶，上口内径Ф56.5mm，台阶以下内径Ф55mm，从下口端到台阶面深100mm（即主体容量筒高100mm），在筒体下口端往下10mm的外径上有套扣式丝牙，用于连接主体筒底盖。  

（2）主体筒底盖。由圆钢精工切削而成。高25mm，外径Ф62mm,内径Ф58.2mm,从上口端到底盖内底面深15mm,从上口端往下10mm的内壁上有套扣式丝呀，用于连接主体筒，从上口端往下10---15mm有一内径Ф56.2mm的环带，在此位置上分布有六个倾斜向下开口于底盖外圆面的透水养护孔，孔径Ф5.2mm。 

（3）主体筒上口活塞。由圆钢精工切削而成。活塞高15mm,直径Ф56.2mm，在活塞的中心配有一个8mm的螺丝孔，并相应配置一根长50mm的螺丝杆和锁紧螺母。螺丝杆下端面加工成平面，其下端面距活塞底面调制成10mm的距离，在活塞上配有四个垂直向下的养护孔，孔径Ф6.7mm。

4）主体筒装夹杆。由Ф12mm圆钢磨削而成，全长150,mm，顶端有20mm长的装夹区磨制成直径Ф11mm。装夹杆与主体筒的连接采用电焊焊接，其伸出主体筒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厂有限公司的千分表，量程范围0-----1.0mm,值0.001mm.

5.4 膨胀率的计算方法 

（1）确定结石体的基本长度 ~ 7 ~    结石体的基本长度以膨胀仪zui大注浆深度为准，记为H，本次试验值H=100mm。 

（2）确定被测量结石体的净长度  被测量结石体的净长度以活塞中心测量螺杆低端所插入结石体深度横截面以下结石体的长度，记为H1， 测量螺杆插入深度记为h，本次试验h=10mm。结石体被测净长度H1  H1=H-h 

（3）计算结石体膨胀量  结石体膨胀量以千分表测量膨胀值的累计总和为准，千分表初始读数记为P0，第i时刻千分表读数记为Pi，则i时刻结石膨胀量记为P  P=Pi- P0  

（4）膨胀率计算如下 膨胀率记为：λ，以%表示。  λ=（P/ H1）*100%  6 试验数据收集统计 本次试验内容主要包括掺合不同比例参量的膨胀剂浆液与纯水泥浆液基本性能比较、结石力学性能比较以及掺合不同比例参量的膨胀剂的浆液形成水泥结石后在相应龄期内竖向微膨胀率对比试验。

8 试验结论 

通过对0.5:1的水泥浆液掺合一定比例膨胀剂后与纯水泥浆液的基本性能对比、结石强度对比以及不同参量的膨胀剂对结石补偿收缩限制竖向微膨胀的室内试验研究，可以得出以下结论： 

8.1 浆液基本性能

 （1）浆液温度  浆液的初始温度与配浆水温有关，配浆水温越高浆液的初始温度越高。浆液掺合一定比例膨胀剂，在Na2SiO3·9H2O参量一定的情况下，浆液的初始温度随着CaO参量的增加而升高。纯水泥浆液的温度高于同组平行试验中其他掺合外加剂的浆液温度。 

（2）浆液比重  浆液的比重在Na2SiO3·9H2O参量一定的情况下，随着CaO掺量增加而增大，呈递增趋势。纯水泥浆液的比重略大于同组平行试验中其他掺合外加剂的浆液的比重。 

（3）浆液流动度  1）浆液的流动度在Na2SiO3·9H2O参量为2.8%的情况下，CaO掺合比例为2.5%、3.0%的浆液呈滴流状，CaO掺合比例为2.0%流动度为174.3s，流动性差。CaO参量越大，流动性越差。纯水泥浆液的流动性在同组平行试验中好于其他掺合外加剂的浆液的流动性。  2）浆液的流动度在Na2SiO3·9H2O参量为2.0%的情况下， CaO参量越大，流动性越差。纯水泥浆液的流动性在同组平行试验中好于其他掺合外加剂的浆液的流动性。 

（4）浆液凝结时间  浆液的凝结时间在Na2SiO3·9H2O参量一定的情况下，随着CaO掺量增加而缩短，呈递减趋势。纯水泥浆液的凝结时间在同组掺合外加剂浆液的平行试验中历时zui长。 

（5）析水率  浆液的析水率在Na2SiO3·9H2O参量一定的情况下，掺合CaO的浆液析水率均为零，没有析水率，浆液十分稳定。纯水泥浆液的析水率在同组掺合外加剂浆液的平行试验中析水率zui大，稳定性zui差。

 8.2 结石抗压强度  水泥结石在Na2SiO3·9H2O参量一定的情况下，7d、28d强度值随着CaO参量的增加有增加的趋势，但变化曲率平缓，对强度值影响不大。纯水泥浆液的结石强度在同组掺合外加剂的水泥结石强度平行试验中zui高。  掺合外加剂的水泥结石强度较纯水泥结石强度损失值较大，7d强度损值失范围在27.8%~32.5%之间，28d强度损失值范围在25.3%~29.2%之间。~ 23 ~    Na2SiO3·9H2O参量一定的情况下，CaO参量越大强度损失值越大。  8.3 限制竖向微膨胀 

（1）水泥结石在Na2SiO3·9H2O参量一定的情况下，膨胀率随着膨胀时间的增长而增加，呈递增趋势；CaO参量越大，对应膨胀期的膨胀值越大。 

（2）水泥结石在Na2SiO3·9H2O参量一定的情况下，水泥结石前1d的膨胀值占28d膨胀值的84%以上，故水泥结石的膨胀增长值主要集中在前1d。 

（3）水泥结石膨胀值从3d到28d期间累计增长百分比曲率平缓，增长速率小，水泥结石膨胀率主要增长值集中在前3d，28d以后增长值将非常小并趋于平行膨胀时间轴，即停止膨胀值增长。 

（4）10h前结石膨胀率zui小值对应的外加剂Na2SiO3·9H2O参量为2.0%，CaO为1.4%，1d到28d结石膨胀率zui小值对应的外加剂Na2SiO3·9H2O参量为2.8%，CaO为2.0%。 

（5）Na2SiO3·9H2O参量为2.8%的水泥结石，除了CaO参量为2.0%外，其各个阶段的膨胀率均大于Na2SiO3·9H2O参量为2.0%，CaO参量分别为2.0%、1.7%、1.4%的水泥结石的膨胀率。

 （6）Na2SiO3·9H2O参量为2.8%，CaO参量为2.0%的水泥结石膨胀率试验结果相比Na2SiO3·9H2O参量为2.0%的其他三组结石膨胀率均低，出现这种结果的原因可能为在膨胀率试验操作过程中出现试验人员安装膨胀仪器不够仔细，导致千分表不够灵敏、浆液注入主体筒内未*注满等因素。 

9 试验意义及建议  通过对0.5:1的水泥浆液掺合一定比例膨胀剂后与纯水泥浆液的基本性能对比、结石强度对比以及不同参量的膨胀剂对结石补偿收缩限制竖向微膨胀的室内试验研究，让我们对水泥浆液掺合一定比例的膨胀剂的性能有了更多的了解和认识，试验取得一系列有用的结论，为将来回填接缝灌浆施工消除浆液在形成结石过程中因体积收缩对灌浆质量的影响提供了理论依据。为了更好指导将来现场施工，提高现场灌浆质量，现建议如下： 

（1）试验过程中Na2SiO3·9H2O参量为2.8%，CaO参量为2.0%的水泥结~ 24 ~    石膨胀率试验结果相比Na2SiO3·9H2O参量为2.0%的其他三组结石膨胀率均低，出现这种结果的原因可能是试验人员操作误差所致，为寻求试验结果的可靠性建议再做两组Na2SiO3·9H2O参量为2.8%，CaO参量为2.0%的水泥结石补偿收缩限制竖向微膨胀试验。

 （2）介于浆液中掺合一定比例的膨胀剂后浆液的流动度有大幅度降低，凝结时间有所缩短，水泥结石强度有所降低，为提高浆液的可灌性以及结石的强度，建议进一步通过室内试验，在现有材料配方下增加一定比例的减水剂确定一个*材料配合比，以此来提高浆液的流动度及结石强度从而提高灌浆质量。