摘要

目前減縮劑常用于解決注漿充填材料早期收縮而引起的漿巖界面松弛和充填不飽滿問題，而減縮劑的減縮機理仍存在一定爭議，為此本文選取不同減縮劑摻量的水泥基注漿材料為研究對象，利用低場核磁共振技術(shù)（LF-NMR）測試水化過程中水泥基注漿材料的T₂譜圖，分析減縮劑摻量對水泥基注漿材料內(nèi)水分遷移及孔隙特征的影響；同時，開展不同水化齡期下的力學(xué)性能及干縮變形測試，分析減縮劑摻量對抗折、抗壓強度及干縮率的影響。試驗結(jié)果表明：水化過程中，水泥基注漿材料中結(jié)合水、孔隙水的含量及水泥基注漿材料的最可幾孔徑隨減縮劑摻量的增加而增大；但隨著水化齡期的增長，減縮劑對其影響程度逐漸降低。減縮劑降低水泥基注漿材料收縮變形的主要原因是，減縮劑的加入減少了水泥漿體內(nèi)自由水的蒸發(fā)，使得水化過程中漿體內(nèi)保持著較高濕度，降低了收縮應(yīng)力。

研究背景

隨著國內(nèi)軌道交通建設(shè)項目的快速發(fā)展，地鐵等交通設(shè)施不可避免地穿越復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境，如斷裂帶、巖溶地層等。為了保障工程的安全性，注漿充填技術(shù)被廣泛應(yīng)用于這些復(fù)雜地質(zhì)條件的治理中。注漿充填材料作為影響注漿充填效果的關(guān)鍵因素之一，其性能直接影響工程的安全與質(zhì)量。水泥基材料因其價格低廉，在巖體工程注漿充填領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，水泥基注漿材料由于水化反應(yīng)及環(huán)境濕度變化而早期收縮大，導(dǎo)致漿液結(jié)石體與巖體之間產(chǎn)生裂隙，影響注漿充填效果。為了解決這一問題，摻入減縮劑成為一種經(jīng)濟(jì)而有效的方法。減縮劑的減縮機理目前存在爭議，主要理論包括毛細(xì)管張力理論、堿離子濃度和孔溶液pH值變化理論等。

核磁共振技術(shù)作為一種新穎的水泥基注漿材料無損檢測技術(shù)，能夠利用水泥基注漿材料中不同狀態(tài)水的特點，表征水化過程、孔結(jié)構(gòu)特征、水分遷移和擴散特性。

本研究采用普通硅酸水泥中摻入粉煤灰和脫硫鋼渣粉，形成復(fù)合膠凝體系，并考慮減水劑與減縮劑的雙摻，制備水泥砂漿試件，利用核磁共振技術(shù)，分析不同減縮劑摻量對復(fù)合膠凝體系水化過程中水分遷移和孔隙度的影響，以明確減縮劑的減縮機理。

實驗信息

1.原材料：使用海螺P.O 42.5普通硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、脫硫鋼渣粉、細(xì)度模數(shù)為2.7的河砂、減水劑和聚醚類減縮劑SBT^?-SRA(Ⅰ)。

2.配合比：摻量為18%的粉煤灰和2.5%的脫硫鋼渣粉取代水泥用量，水膠比為0.39，砂膠比為2，減水劑摻量為膠凝材料的0.6%，減縮劑摻量分別為膠凝材料的0%、0.5%、1.5%、2.5%、3.5%和4.5%。

3.試驗方法：參照《水泥膠砂強度檢驗方法》GB/T 17671-1999和《水泥膠砂干縮試驗方法》JC/T 603-2004進(jìn)行抗折抗壓強度測試和干縮試驗。試件齡期自加水時算起，24小時后脫模，養(yǎng)護(hù)兩天后開始測試試件長度變化。

4.測試設(shè)備：使用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司提供的低場核磁共振儀（型號為MesoMR 12-060H，如圖1所示）進(jìn)行T₂譜圖測試。

5.測試內(nèi)容：測試了不同減縮劑摻量對水泥基注漿材料中水分遷移及孔隙特征的影響，以及對力學(xué)性能和干縮變形的影響。

圖 1?低場核磁共振儀

實驗結(jié)果與分析

1.力學(xué)性能

圖2給出了減縮劑摻量對水泥基注漿材料3d和28d抗折、抗壓強度的影響。由圖2(a)可知，減縮劑摻量在0~4.5%范圍內(nèi)時，水泥基注漿材料的3天和28天抗折強度總體上隨減縮劑摻量的增大而降低。特別是超過臨界摻量后，抗折強度的降低更為明顯。同樣，水泥基注漿材料的抗壓強度與減縮劑摻量之間的關(guān)系與抗折強度相似，摻量增加導(dǎo)致抗壓強度下降,如圖2(b)。

（a）抗折強度

（b）抗壓強度

圖2 減縮劑摻量對抗折、抗壓強度的影響

2.干燥收縮

圖3給出了減縮劑摻量對水泥砂漿干燥收縮率的影響。由圖可知,砂漿的干縮率隨減縮劑摻量增加而逐漸減少，但隨齡期增長而趨于穩(wěn)定。

圖3 減縮劑摻量對干燥收縮影響

3.水分遷移

作者利用核磁共振技術(shù)對不同齡期的膠砂試件進(jìn)行測試，其T₂弛豫結(jié)果如圖4所示，T₂弛豫譜圖顯示出三個明顯的峰值，分別代表不同相態(tài)的水分。根據(jù)核磁共振原理，峰值頂點對應(yīng)的弛豫時間T₂表征水分子的運動性，峰頂點T2越大，則表示該相態(tài)水的運動性越強，被束縛程度越弱；峰值面積表征該相態(tài)水的相對量大小，峰面積越大，則該相態(tài)水含量越多；峰值比例表征該相態(tài)水含量占樣品中總水分的比例，峰比例越大，則該相態(tài)水占比越多。

圖?4?不同齡期T₂譜圖

從圖4中獲取峰值面積分析不同減縮劑摻量對水泥基注漿材料不同相態(tài)水分含量的影響，具體結(jié)果見圖5，從圖5可知，不同齡期的水泥基注漿材料中，吸附水的含量明顯多于孔隙水和自由水，自由水的含量最少。同時，減縮劑的摻入對不同相態(tài)水的含量均有一定影響，尤其對吸附水和孔隙水的影響較為顯著。

圖?5 不同齡期峰值面積

進(jìn)一步分析吸附水和孔隙水隨水化齡期的變化，如圖6所示。由圖6(a)可知，不同減縮劑摻量的水泥基注漿材料吸附水含量隨齡期增長而逐漸減少，且前期14d減小速率較大而后期逐漸趨于穩(wěn)定，但減縮劑摻量為4.5%時后期未見其趨于穩(wěn)定；同時，不同齡期摻減縮劑的吸附水含量較未摻減縮劑的吸附水含量多。由圖6(b)可知，減縮劑的摻入使得水泥基注漿材料中的孔隙水明顯增多，且隨著減縮劑摻量的增加而逐漸增大；在7d齡期時，孔隙水含量相對3d齡期有所增加，隨后逐漸減小。但摻入減縮劑的孔隙水減小趨勢明顯小于未摻入減縮劑的，且當(dāng)減縮劑摻量大于3.5%時，孔隙水含量相對14d齡期有所增長。

(a)吸附水??

(b)孔隙水

圖?6?不同齡期吸附水和孔隙水含量

4.孔結(jié)構(gòu)分布

通過對T₂分布轉(zhuǎn)化為孔徑分布，具體結(jié)果如圖7所示。水泥基注漿材料的孔徑分布圖顯示三個峰，分別對應(yīng)凝膠孔和毛細(xì)孔、毛細(xì)孔、大孔。由圖7可見，第一個峰的面積明顯大于第二、三個峰，而第一主峰的孔徑被認(rèn)為是最可幾孔徑范圍；不同齡期時，水泥基注漿材料內(nèi)大部分孔隙的孔徑均在1~100nm的范圍，而不同減縮劑摻量情況下，水泥基注漿材料的孔徑分布存在明顯差異，這表明微孔特性與減縮劑摻量有關(guān)。此外，從圖中可以看出水泥基注漿材料孔隙主要由微觀孔隙組成，且減縮劑的摻入明顯增加了水泥基注漿材料凝膠孔和毛細(xì)孔的含量。

圖7 水泥基注漿材料孔徑分布

圖8顯示了不同減縮劑摻量隨時間變化對水泥基注漿材料孔隙度的影響。不同減縮劑摻量的水泥基注漿材料孔隙率隨時間呈下降趨勢，但隨著減縮劑含量的增加，孔隙度增加。這說明孔隙度隨著齡期增長而逐漸提高，而到14天齡期后孔隙度增長逐漸減小，且減縮劑摻量越大對水泥基注漿材料孔隙度增長更加明顯。

圖 8 水泥基注漿材料孔隙率

圖9顯示了不同齡期最可幾孔徑，從圖中可知，隨著減縮摻量的增加，最可幾孔徑始終增加。與未摻減縮劑空白組相比，摻2.5%和4.5%減縮劑的水泥基注漿材料最可幾孔徑在第3天分別提高了39.09%和120.52%，在第28天分別提高了4.99%和14.97%。此外，隨著齡期增長，減縮劑摻量對最可幾孔徑的影響逐漸減小。

圖9 水泥基注漿材料最可幾孔徑

機理分析

一方面，減縮劑的摻入會增大水泥基注漿材料的最可幾孔徑，且使孔隙度增大，毛細(xì)孔增多，這是減縮劑降低水泥基注漿材料抗折、抗壓強度的主要原因；另一方面，減縮劑也可有效增加復(fù)合水泥基注漿材料水化產(chǎn)物中的吸附水、孔隙水含量，使得水化過程中水泥基注漿材料內(nèi)保持相對較高的濕度，同時增加的凝膠孔、毛細(xì)孔，可減少和抵消因失水產(chǎn)生的表面張力和毛細(xì)管張力，從而減小收縮變形。

本文結(jié)論

本文利用LF-NMR技術(shù)，測試水化過程中摻減縮劑的水泥基注漿材料的T₂弛豫時間，分析了減縮劑摻量對水泥基注漿材料中水分遷移及孔隙特征的影響，其主要結(jié)論如下：

（1）水泥基注漿材料中摻入減縮劑可增加吸附水和孔隙水的含量，且隨著減縮劑摻量的增加而逐漸增大。

（2）減縮劑的摻入可明顯增大水泥基注漿材料的孔隙度及最可幾孔徑，且隨減縮劑摻量的增加而逐漸增大；同時，隨著水化齡期的增長，孔隙度和最可幾孔徑逐漸減小。

（3）減縮劑的減縮機理主要是由于其增加了水泥基注漿材料中結(jié)合水和孔隙水的含量，且減少了自由水的蒸發(fā)，降低了水泥基注漿材料的收縮應(yīng)力以及濕度變化產(chǎn)生的收縮變形。

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參考資料

[1] Xiaodong W, Guangji Y, Lu X, et al. Spatiotemporal evolution of water and pore structure in cement-based material containing SRA by LF NMR[J]. Materials Today Communications, 2023.