高海拔地区公路构筑物加固注浆材料试验研究.docx

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高海拔地区公路构筑物加固注浆材料试验研究

高海拔地区公路构筑物加固注浆材料试验研究

Chang’anUniversity,Xi’an,China摘要

高海拔地区公路构筑物长期受到冻融和干湿循环的作用,使得构筑物出现裂缝、表

面剥落等病害现象,严重影响构筑物的正常使用和长期性能。

针对高海拔地区低温环境

特点,进行地基注浆及混凝土修复材料研究,具有重要意义。

本文通过水泥基注浆材料凝胶时间、稳定性、流动性及力学性能来评价注浆材料在

低温条件下的性能。

低温会导致水泥水化速度减慢甚至停止。

因此,为了保证硅酸盐水泥在低温条件下

具有良好的可灌性,所以本文探讨了外加剂对硅酸盐水泥可灌性（凝胶时间、泌水性、

流动性）的影响。

硫铝酸盐水泥具有早强、早凝的特点,比较适合用于高海拔地区的加固工程中,但

是硫铝酸盐水泥用于注浆工程,由于其早凝的特点,会给施工带来很多不便,所以论文

对硫铝酸盐水泥与外加剂的相容性进行了试验研究,并讨论了掺合料对硫铝酸盐水泥流

动性的影响及掺合料对硫铝酸盐水泥注浆体泌水性和凝胶时间的影响。

通过室内试验分析了掺外加剂的硅酸盐水泥注浆体和掺合料的硫铝酸盐水泥注浆

体的低温强度发展规律。

研究结果表明:

①掺加复合外加剂的硅酸盐水泥注浆材料及双掺粉煤灰和矿渣微

粉的硫铝酸盐水泥注浆材料可以用于高海拔地区的加固工程中;②硫铝酸盐水泥与聚

羧酸减水剂、硼酸、十二烷基苯磺酸钠、亚硝酸钠及碳酸锂的相容性较好。

关键词:

高海拔地区;加固;凝胶时间;粘度;相容性;低温强度

IAbstract

Highwaystructuresinhighaltitudeareahasbeenaffectedbyfreeze-thawanddry-wet

cycleforalongterm,leadtosomediseasessuchascrackandsurfacepeeling,which

seriouslyaffectthedailyandlongrunperformanceofthestructures.Aimingatthe

environmentalcharacteristicinhighaltitude,researchwasconductedonfounadation

grountingandconcretemaintenancematerial,andthisisofgreatsignificanceTheperformanceofgrountingmaterialatlowtemperaturewasassessedbyaseriesof

idicessuchasgeltimeofthecement-basedgroutingmaterials,stability,mobilityand

mechanicalproperties

Lowtemperaturecanslowdownevenceasecementhydrationprocess.Sotoassurethe

grountabilityofporlandcementatlowtemperature,thispaperdiscussedadmixture’s

influenceonthegroutabilityofportlandcementsuchasgeltime,bleedingandliquidityto

assureit’sgroutabilityatlowtemperatureSulphatealuminiumcementisapplicabletohighaltituderegionsduetoitsearlystrength

andearlyconcretion,buttheearlystrengtheningwillbringquitetroublestoconstruction

whenit’sappliedtogroutengineering.Therebythispaperdiscussedtheadmixture’sinfluence

onliquidity,bleedingandgeltimeThestrengthdevelopmentofportlandcementgrountingmaterialwithadmixtureand

sulphatealuminiumcementgrountingmaterialwithadditivewereanalyzedthrough

laboratoryexperimentinthispaperResearchresultsaremainlyconsistoftwoaspects,oneisthatPortlandcementgrounting

materialwithcompoundadmixturesandsulphatealuminiumcementgrountingmaterialwith

twokindsofadditivescanbeusedinstrengtheningengineeringinhighaltituderegion,the

otheristhatsulphatealuminiumcementhasgoodcompatibilitywithpolycarboxylic

copolymer,boricacid,CHNaOS,NaNOandLiCO

18293223Keywords:

highaltituderegion;strengthen;geltime,viscosity;lowtemperature

strengthen;compatibilityII

目录

第一章绪论.1

1.1问题的提出及研究意义1

1.2公路构筑物修复与加固材料研究现状2

1.3本文主要研究内容4

第二章低温环境对水泥基注浆材料流动性的影响.6

2.1引言6

2.2水泥基注浆体流动性的研究现状6

2.3试验材料及试验方法.8

2.3.1试验方案.8

2.3.2试验材料.9

2.3.3试验方法10

2.4硅酸盐水泥注浆材料粘度试验结果分析11

2.4.1外加剂对硅酸盐水泥注浆材料粘度的影响11

2.4.2温度对硅酸盐水泥注浆材料粘度的影响.13

2.4.3水灰比对硅酸盐水泥注浆材料粘度的影响14

2.5硫铝酸盐水泥注浆材料粘度试验结果分析15

2.5.1外加剂对硫铝酸盐水泥注浆材料粘度的影响15

2.5.2掺合料对硫铝酸盐水泥注浆材料粘度的影响15

2.5.3温度对硫铝酸盐水泥注浆材料粘度的影响18

2.5.4水灰比对硫铝酸盐水泥注浆材料粘度的影响19

2.6硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥注浆材料粘度试验结果比较20

2.7本章小结.20

第三章水泥基注浆材料稳定性（泌水性）试验与分析22

3.1引言22

3.2试验方法及方案.22

3.2.1试验方案22

3.2.2试验方法22

3.3硅酸盐水泥注浆材料稳定性试验结果分析23

3.3.1外加剂对硅酸盐水泥注浆材料稳定性的影响23

3.3.2温度对硅酸盐水泥注浆材料稳定性的影响25

3.3.3水灰比对硅酸盐水泥注浆材料稳定性的影响26

3.4硫铝酸盐水泥注浆材料稳定性试验结果分析27

III3.4.1掺合料对硫铝酸盐水泥注浆材料稳定性的影响.27

3.4.2温度对硫铝酸盐水泥注浆材料稳定性的影响30

3.4.3水灰比对硫铝酸盐水泥注浆材料稳定性的影响.31

3.5硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥注浆材料稳定性的比较.32

3.6本章小结.32

第四章低温环境对水泥基注浆材料凝胶时间的影响.34

4.1引言34

4.2水泥基注浆材料凝胶时间研究现状34

4.3试验方法及方案.36

4.3.1试验方案36

4.3.2水泥基注浆材料凝胶时间试验方法36

4.4硅酸盐水泥凝胶时间试验结果分析………………………………………………37

4.4.1外加剂对硅酸盐水泥凝胶时间的影响37

4.4.2温度对硅酸盐水泥注浆材料凝胶时间的影响38

4.4.3水灰比对硅酸盐水泥注浆材料凝胶时间的影响.39

4.5低碱度硫铝酸盐水泥注浆材料凝胶时间试验结果分析40

4.5.1高效减水剂对硫铝酸盐水泥注浆材料凝胶时间的影响.40

4.5.2掺合料对硫铝酸盐水泥注浆材料凝胶时间的影响41

4.5.3温度对硫铝酸盐水泥注浆材料凝胶时间的影响.43

4.5.4水灰比对硫铝酸盐水泥注浆材料凝胶时间的影响44

4.6硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥注浆材料凝胶时间的比较44

4.7注浆材料凝胶时间与粘度之间的关系45

4.7.1硅酸盐水泥注浆材料凝胶时间与粘度之间的关系45

4.7.2硫铝酸盐水泥注浆材料凝胶时间与粘度之间的关系46

4.8本章小结.47

第五章低碱硫铝酸盐水泥与外加剂之间相容性研究48

5.1前言48

5.2硫铝酸盐水泥与外加剂相容性研究现状48

5.3试验材料与试验方案49

5.3.1试验材料49

5.3.2试验方案50

5.4试验方法与试验设备51

5.4.1试验方法51

5.4.2试验设备51IV

5.5试验结果分析52

5.5.1缓凝剂与低碱硫铝酸盐水泥之间相容性研究52

5.5.2高效减水剂与低碱硫铝酸盐水泥之间相容性研究53

5.5.3引气剂与硫铝酸钙之间相容性研究55

5.6本章小结.55

第六章低温环境条件下水泥基注浆材料强度增长规律试验研究.57

6.1引言57

6.2试验方案及试验方法57

6.2.1试验方案57

6.2.2试验方法58

6.3硅酸盐水泥注浆材料试验结果分析60

6.3.1外加剂对硅酸盐水泥基注浆材料强度的影响60

6.3.2温度对硅酸盐水泥基注浆材料强度的影响64

6.3.3水灰比对硅酸盐水泥基注浆材料强度的影响66

6.4硫铝酸盐水泥注浆材料试验结果分析.68

6.4.1掺合料对硫铝酸盐水泥注浆材料强度的影响68

6.4.2温度对硫铝酸盐水泥注浆材料强度的影响71

6.4.3水灰比对硫铝酸盐水泥注浆材料强度的影响72

6.5硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥注浆材料强度结果比较.73

6.6低温强度与粘度之间的关系74

6.6.1硅酸盐水泥注浆材料低温强度与粘度之间的关系74

6.6.2硫铝酸盐水泥注浆材料低温早期强度与粘度之间的关系74

6.7本章小结.75

第七章结论与展望77

7.1结论77

7.2展望79

参考文献80

读研期间发表的论文84

致谢85

V长安大学硕士学位论文

第一章绪论

1.1问题的提出及研究意义

目前在我国高海拔地区的公路构筑物病害问题较为普遍,极大地影响了构造物的

长期使用性能,严重影响着车辆行驶的舒适性和安全性。

因此,对高海拔地区构筑物

的维修与加固将得到社会和公路工程界更多的关注。

高海拔地区的挡土墙因为土体冻

胀力不均匀及不均匀沉降引起挡土墙产生倾斜、断裂等病害,对挡土墙的破坏本文主要

是采用注浆技术进行加固;而在高海拔地区构筑物出现裂缝是一种常见的病害,本文同

时还对混凝土裂缝、剥落的修补材料进行了研究。

注浆技术在土木工程的各个领域中,特别是在水电工程、井巷工程中得到了广泛

应用,同时该技术也被广泛应用于建筑物地基的加固、土坡稳定性加固、挡土墙后土

体的加固、已有建筑混凝土裂缝缺陷的修补、坝基的加固及防渗、地下构筑物的止水

及加固等加固工程中。

高海拔地区构筑物的维修与加固采用注浆技术,但是对于高海拔地区的注浆材料的

[1]

研究很少。

美国JohnsonRobert提出低温条件下注浆材料存在三个问题:

①粘度值偏

大;②渗透性比较差;③化学反应缓慢。

而在很多的施工与设计的规范中对高海拔地

区公路构筑物的设计和施工多沿用季节冻土地区甚至非冰冻地区的一般方法,并没有考

虑低温条件下注浆材料存在的问题。

硅酸盐水泥是采用比较广泛的水泥品种,硅酸盐水泥在常温条件下的使用均能符合

设计和施工的要求,但是用在低温条件下的话可能会带来一些不利的后果。

硅酸盐水泥

在低温条件下水化速度比较缓慢,会造成注浆体的早期强度比较低,所以用于低温条件

下的注浆材料采用硅酸盐水泥,要考虑在注浆体中掺入外加剂,以调整硅酸盐水泥注浆

体能适用于低温条件下的要求。

硫铝酸盐水泥具有早强快硬的性能,比较适用于低温条件下的性能,但是硫铝酸盐

水泥的成本是普通硅酸盐水泥的两倍,为了降低成本,考虑在硫铝酸盐水泥中掺入一定

量的掺合料。

掺合料对注浆体的性能的影响有很少人研究。

对于高海拔地区混凝土裂缝、剥落的修补材料采用传统的硅酸盐水泥存在的问题:

①早期强度较低;②收缩较大;③与旧混凝土的粘结强度较大;④养生期长等特点。

为了改善普通硅酸盐水泥存在的问题,本文主要采用硫铝酸盐水泥作为混凝土裂缝、剥

1第一章绪论

落的修补材料。

目前,关于高海拔地区公路构筑物修复与加固材料的设计与施工并没有相关的规范

规定,很多的设计和施工单位还是沿用季节冻土地区甚至非冻土地区的规范,这样做的

后果会引起所修建的构筑物出现病害的可能性比较大。

因此,对于应用于高海拔地区修

复与加固材料提出适合的材料,为以后高海拔地区的施工提供依据。

1.2公路构筑物修复与加固材料研究现状

（1）注浆加固技术的研究现状

注浆技术是一项实用性强、应用范围广的工程技术,它已被广泛的应用于地下建筑、

矿山、大坝、隧道、地铁、桥梁等各个领域,主要用于减小岩土的渗透性、增加其强度

或降低地基土的压缩性。

为了达到预期的目的,钻机将注浆孔钻到预定的岩土层后,将

浆液以压力注入,直到浆液点周围孔隙或裂缝被浆液填充到满足设计要求为止。

近几年,

注浆技术被广泛应用到工程的防渗加固领域中。

[2~8]注浆技术作为工程技术的一个新领域不过只有一百多年的历史。

1802年,在检

修港口城市Dieppe损坏的砌筑墙中法国人Chareles.Berghy首次用所谓“注入法”技术注

入悬浮的粘土浆和石灰浆。

1826年,英国人阿普丁发明了一种能在水中硬结的水硬性材

料?

硅酸盐水泥。

1838年,马克布鲁业系在英国汤姆逊隧道使用波特兰水泥作为注浆材

料。

1856年,英国人//.ippe第一次把水泥用于注浆。

1864年,德国勒恩矿竖井用

手摇泵注水泥加固井壁。

注浆技术有系统地改进美国科罗拉多河上的胡佛坝基的帷幕注浆,为了补救因基

坑开挖引起的裂缝,进行了加固注浆。

根据胡佛坝基的注浆工程实践,首次制定了注浆

工程设计和施工规范。

上世纪40年代,注浆技术的研究和应用得到了迅速的发展,各种水泥浆材和化学

浆材相继问世。

特别是60年代以来,各国大力发展新型注浆材料,注浆工艺和设备得

到了空前的进步,其应用范围越来越广。

我国对注浆技术的研究和应用起步较晚,但发展较快,某些方面已达到世界水平。

近几年,我国将注浆技术应用到构筑物的加固维修领域中,如郑州市的河医立交工程中

的挡土墙出现严重的破坏,之后采用高压注浆的方法进行加固;1999年,辽宁省将高压

注浆技术首次应用带桥梁基础的加固中,以防止基础的沉降。

2长安大学硕士学位论文

九十年代中期高喷注浆技术在全国进行了推广应用,并得到了迅速的发展,广泛

应用于水利工程防渗、建筑深基坑止水等,解决了一些其他方法难以奏效目前全国用该

项技术处理工程的大、中、小型防渗加固工程约数百项,构筑防渗板墙约数百万平方米,

大都取得了较好的效果,为我国已建和在建工程的防渗加固发挥了重要作用。

随着注浆技术的不断发展,工程应用范围也日益扩大,在开始只用在软土地基加固

的基础上,逐渐拓宽为基坑支护及防渗、滑坡稳定加固、地下管道加固、防止地基冻胀

及液化、堤防及大坝基础防渗等工程领域。

（2）混凝土裂缝、剥落修补技术研究现状

针对公路构筑物中混凝土裂缝和剥落的修补材料国内外进行了较多的研究。

在过去

的几十年时间内,硅酸盐水泥是国内外应用最广泛的修补材料,但是随着硅酸盐水泥的

广泛使用,人们慢慢发现硅酸盐水泥应用于修补工程出现很多不足,例如,硅酸盐水泥

的凝胶时间较长,而用于修补的材料要求其凝胶时间比用于新建构筑物的凝胶时间短,

这样能保证维修的工程能尽快通车;硅酸盐水泥的早期强度不高;硅酸盐水泥的收缩较

大。

由于硅酸盐水泥自身存在的缺点,人们慢慢发现聚合物掺加到硅酸盐水泥中可以提

[9]

高其抗渗、抗裂与防水性能。

最早使用聚合物改性硅酸盐水泥的是法国一个泥瓦匠,

[10]

他在水泥中掺加了一些牛和羊的血,用于粉刷地窖防水。

有关聚合物改性硅酸盐水泥

[11]

方面的研究,美国的研究时间最多、成果也最多,在2000年的统计中发现,由于美

国冬季的气温比较低,所以在美国大约有3000多座桥梁的桥面用聚合物水泥混凝土作

为桥梁的铺装和罩面。

在前苏联很多水泥混凝土路面由于冬季的冻融作用产生了很多病

[12]

害,他们较多采用聚合物水泥混凝土进行修补,以提高其低温性能。

我国在70年代开始对聚合物在水泥混凝土的应用的研究,但是由于当时聚合物的

生产成本较高,产品质量又不能完全满足要求,因而对聚合物的研究处于低谷,进展也

比较缓慢。

从80年代开始,随着我国化学工业的不断发展,对这一领域的研究增多,

不仅对各种聚合物改性的效果进行较深入研究,同时对聚合物与水泥、水泥水化产物之

间的作用机理等从理论上进行了系统的研究。

20世纪90年代,聚合水泥已经在我国的

许多领域得到应用,其中包括瓷砖胶黏剂、防水涂料、自流平地坪砂浆和修补材料等。

并且我国在2001年还制定了建材行业标准《聚合物水泥防水涂料》（JC/T894-2001）。

聚合物改性硅酸盐水泥经过大量的研究发现,仍然存在许多问题,例如用聚合物水

泥作为修补材料之后,构筑物整体的耐久性不好,常在新旧混凝土的界面处出现破坏。

3第一章绪论

[13]

我国在20世纪70~80年代发明了硫铝酸盐水泥,人们发现硫铝酸盐这种水泥具有凝

结快、强度高、微膨胀和低收缩性等特点,这些特点正好能满足维修加固材料的要求,

而且硫铝酸盐水泥具有良好的低温特性,它不仅在室温,而且在低温环境下也具有较高

的强度增长率,特别适合于冬季和高海拔地区的施工。

在1976年到1977年,我国就利

用硫铝酸盐水泥混凝土作为拼装桥梁的交接接头材料,首次在青藏铁路施工现场进行负

温环境下施工,当时的施工温度为-25℃,而混凝土在7d后能达到设计强度的要求。

新

疆建筑研究所在乌鲁木齐的混凝土冬季施工中也采用硫铝酸盐水泥。

在东北和华北地区

的不少铁路工程中也相继采用硫铝酸盐水泥在冬季施工。

1.3本文主要研究内容

本文是在讨论外加剂对硅酸盐水泥注浆体可灌性、掺合料对硫铝酸盐水泥注浆体可

灌性的基础上,来分析外加剂和掺合料对水泥基注浆体低温条件下强度的影响,同时分

析不同配比注浆体在低温条件下强度发展规律。

本文研究的主要内容是:

（1）低温环境对水泥基注浆材料流动性的影响

在本论文中采用粘度值的大小来表示注浆体的流动性,粘度值越小,注浆体的流动

性越大。

良好的注浆材料要具有较好的流动性,流动性越好注浆材料的可灌性越好,

为了提高注浆体流动性,考虑在注浆体中掺入适量的外加剂和掺合料。

注浆体在低温条

件下会引起注浆体的粘度值增加,通过讨论不同外加剂和掺合料在低温条件下对注浆的

影响,可以为高海拔地区施工提供依据。

（2）水泥基注浆材料稳定性试验与分析

水泥基注浆体在水灰比较大的情况下,易出现泌水的现象,为了降低注浆体的析水

率,考虑在硅酸盐水泥注浆体中加入外加剂,并为现场注浆中提供合理的外加剂选择。

虽然硫铝酸盐水泥的析水率较小,但是为了延长其凝胶时间,考虑在硫铝酸盐水泥中掺

入适量的掺合料,在这里主要探讨掺合料对硫铝酸盐水泥注浆体析水率的影响。

（3）低温环境对水泥基注浆材料凝胶时间的影响

硅酸盐水泥的凝胶时间过长,不利现场施工,为了调节其凝胶时间,考虑在硅酸盐

水泥中掺加适量的外加剂,通过室内试验来分析外加剂对硅酸盐水泥注浆体凝胶时间的

影响,并为现场注浆提供合理的外加剂种类。

硫铝酸盐水泥的凝胶时间过短,为了考虑

注浆过程中所需要的操作时间,考虑在硫铝酸盐水泥掺入一定量的掺合料,来验证粉煤

4长安大学硕士学位论文

灰、矿渣微粉与硫铝酸盐水泥复掺之后,对凝胶时间的影响,为施工过程中掺合料的掺

量提供依据。

（5）低碱硫铝酸盐水泥与外加剂之间相容性研究在市面上出现的外加剂普遍是用于硅酸盐水泥,但是硅酸盐水泥熟料与硫铝酸盐水

泥熟料不同,所以常用的外加剂并不一定会适用于硫铝酸盐水泥,本文通过工作性能来

评价外加剂与硫铝酸盐水泥的相容性,提出适用于硫铝酸盐水泥的外加剂。

（6）低温环境条件下水泥基注浆材料强度增长规律试验水泥在低温条件下水化速度比较缓慢,会引起早期强度较低,为了提高注浆体在低

温条件下的早期强度,考虑在硅酸盐水泥中掺入不同种类的外加剂,通过试验来验证外

加剂对硅酸盐水泥注浆体低温强度的影响。

为了在施工时方便,考虑采用硫铝酸盐水泥,

但是硫铝酸盐水泥的成本,考虑在硫铝酸盐水泥中掺加部分掺合料,通过试验来验证掺

合料对硫铝酸盐水泥注浆体低温强度的影响,可以为高海拔地区施工提供依据。

5第二章低温环境对水泥基注浆材料流动性的影响

第二章低温环境对水泥基注浆材料流动性的影响

2.1引言

一般对于理想注浆材料的要求是浆液的初始粘度地要低,流动性好,可注性强,能

渗透到细小的裂缝或孔隙内。

高海拔地区的温度比较低,注浆材料在低温的条件下粘度

值偏大,流动性比较差,为了提高注浆体在低温条件下的流动性,在注浆体中掺入一定

量的高效减水剂,而对于硅酸盐水泥注浆材料在低温条件下的早期强度比较低,故在硅

酸盐水泥注浆体中掺入一定量的早强剂。

为了改善注浆材料在低温条件下早期强度的提

高,在本文中考虑采用硫铝酸盐水泥作为注浆材料使用,由于硫铝酸盐水泥具有早强和

早凝的特点,并且因为凝结时间比较快,其流动性也比较差,为了延长其凝胶时间,从

而改善其流动性,在硫铝酸盐水泥注浆体掺入一定量的掺合料及外加剂。

本章节的目标

是为了探索外加剂对硅酸盐水泥注浆体流动性的影响及掺合料对硫铝酸盐水泥注浆体