减水剂对盾构砂浆性能的影响及作用机理研究

摘要

随着盾构技术的发展，盾构砂浆在地铁隧道工程中的应用越来越广。此类砂浆要求具有良好的流动性、稳定性、较小的流动度损失以及相对较长的凝结时间等性能。但在大流动度下，盾构砂浆的稳定性往往较差，浆料泌水离析严重，且流动度经时损失较大，凝结时间较短，不能满足施工要求，以致影响注浆质量和施工进度，甚至会危及地面建筑物的安全。目前，改善盾构砂浆性能已经成为盾构注浆研究的一个热点问题。其中，掺加高效复合减水剂是改善盾构砂浆性能的主要方法。 木质素磺酸盐减水剂是造纸制浆工业的副产品，具有价格低廉、来源丰富等优点，同时还是一种结构复杂的高分子表面活性剂，是最早使用的普通减水剂。作为混凝土减水剂，木质素磺酸盐存在减水率较低、增强效果不明显等不足，但是能够提高混凝土的稳定性、减少塌落度损失和延长凝结时间。本论文拟以木质素磺酸盐为原料，充分利用其优点，克服其分散性能较差、凝结时间过长等不足，通过改性开发适用于盾构砂浆的高效减水剂，解决砂浆稳定性差、流动度损失快、凝结时间短等问题。同时，通过研究减水剂在胶凝颗粒表面的吸附规律进一步探索减水剂在盾构砂浆中的作用机理。 目前常用的高效减水剂有萘系(FDN)、三聚氰胺系(SMF)、脂肪族(ASF)和氨基磺酸系(ASP)等。这些高效减水剂在盾构砂浆中的应用还缺乏系统的基础数据和理论指导。首先，通过研究这四种高效减水剂以及木质素磺酸钙减水剂(LS)对新拌盾构砂浆稳定性、流动度、流动度经时损失以及凝结时间的影响，揭示不同减水剂对新拌砂浆性能的影响规律。结果发现，ASP、SMF和FDN等高效减水剂对盾构砂浆的分散作用较好，但稳定作用较差：FDN、SMF减水剂对砂浆流动度的保持能力较差，且没有缓凝作用。虽然LS减水剂对盾构砂浆的分散性能较差，但当起始流动度为200 mm左右时，掺0.4％(质量比)LS砂浆经时2.5 h后的相对流动度损失率为45.1％，且经时2.0 h后的泌水率仅为5.8％，其流动度保持能力和稳定作用均较好。LS还具有较强的缓凝作用，可以在较长时间内保持盾构砂浆的工作性。 在改性木质素磺酸盐减水剂GCL1的基础上，研究了不同相对分子质量的GCL1级分对盾构砂浆分散性的影响，以及GCL1与不同种类外加剂的配伍性能。结果表明，相对分子质量范围为5000-10000的级分对盾构砂浆的分散性能较好；与适当外加剂配伍可改善GCL1的应用性能。在实验的基础上，确定了复合型改性木质素磺酸盐减水剂GCL1-T的研制工艺。GCL1-T减水剂在盾构砂浆中的应用性能研究表明，GCL1-T明显提高了盾构砂浆的稳定性。当流动度为200 mm时，掺0.6％GCL1-T的盾构砂浆在2.0 h后的泌水率仅为2.3％，而同条件下掺NT-A减水剂的砂浆泌水率为7.3％，说明GCL1-T解决了盾构砂浆在较高流动性下稳定性较差的问题。当掺量小于0.6％时，GCL1-T的分散作用优于NT-A。掺0.4％GCL1-T砂浆经时2.5 h后的相对流动度损失率为49.5％，与相同条件下掺0.4％LS砂浆的流动度损失率45.1％接近，说明GCL1-T保留了LS减水剂的流动度经时保持能力强的优点。GCL1-T具有适当的缓凝性，可使盾构砂浆获得适宜的凝结时间。 减水剂在胶凝颗粒表面的吸附行为研究表明，减水剂的吸附等温线均可用Langmuir吸附等温方程描述，其吸附量的大小顺序为：SMF>FDN>GCL1-T>ASF≈LS>ASP；减水剂的吸附动力学均可用Langmuir吸附速率方程描述，在水泥表面的吸附速率大小顺序为：SMF>FDN>GCL1-T>LS>ASF>ASP。通过XPS测定了减水剂的吸附层厚度，发现GCL1-T在水泥表面的吸附层厚度较大，为10.87nm；FDN的较小，仅为1.50 nm。根据吸附层厚度和吸附量，确定了减水剂的吸附构型。 胶凝颗粒表面Zeta．电位研究表明，空白水泥表面Zeta电位为-14.8 mV，且绝对值随减水剂浓度的增大而提高；空白粉煤灰表面Zeta电位为．38.5 mV。在粉煤灰的存在下，减水剂对盾构砂浆胶凝体系Zeta电位的影响可分为两种情况：ASP、SMF、FDN和ASF使Zeta电位提高；LS和GCL1-T则影响不大。该体系Zeta电位经时变化的情况也可分为：在SMF和FDN的作用下损失较大：而在LS、GCL1-T和ASP的作用下则较为稳定。 减水剂的分散作用机理研究表明，GCL1-T和LS减水剂对盾构砂浆分散机理的主要因素是空间位阻、较强的水化膜润滑效应、引气“滚珠”效应以及润湿效应；ASP减水剂既有静电斥力效应，也具有较强的空间位阻效应和水化膜润滑效应，因此对盾构砂浆具有较强的分散作用；SMF、FDN减水剂对盾构砂浆的分散作用则主要是静电斥力效应。 研究表明，GCL1-T、LS和ASP减水剂均具有缓凝效应；而且由于它们在胶凝颗粒表面的吸附构型均为线团状或环圈状，可有效控制胶凝颗粒表面Zeta电位下降；GCL1-T和LS减水剂还具有引气托浮效应，因此GCL1-T、LS和ASP减水剂对盾构砂浆具有良好的流动度保持能力。SMF和FDN减水剂不具有缓凝性和引气性，且胶凝颗粒表面Zeta电位降低较快，保持砂浆流动度的能力较差。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号表

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第一章 绪论

第二章实验技术与测试方法

第三章减水剂对新拌盾构砂浆性能的影响研究

第四章改性木质素磺酸盐减水剂GCL1-T的研制及其性能研究

第五章减水剂在胶凝材料表面的吸附性能研究

第六章减水剂的表面物化性能研究

第七章减水剂对盾构砂浆分散稳定机理探讨

结论与展望

参考文献

在学期间发表与学位论文内容相关的学术论文

附录

致谢