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摘要：粘土水泥浆是一种常用的灌浆材料，在各个领域的防渗注浆工程中得到广泛的应用。本文通过实验研究，分析了水泥掺量对粘土水泥浆物理性能的影响，以期能为建立一种有效的粘土水泥浆制备方法提供参考。
关键词：水泥掺量；粘土水泥浆；物理性能；影响
0引言
随着我国经济的快速发展以及建设工程的日益增加，粘土水泥浆在工程施工中的应用也越来越多。粘土水泥浆是一种无机类的灌浆材料，具有稳定性好、费用低、防渗性能显著等优点，被视为一种理想的防渗注浆材料广泛应用于防渗施工中，其水泥的掺量直接关系到粘土水泥浆的物理性能。因此，研究水泥掺量对粘土水泥浆物理性能的影响具有十分重要的意义。
1水泥掺量对粘土水泥浆液物理性能的影响
1.1水泥掺量对浆液粘度指标的影响规律
在研究粘土水泥浆流动性中，一个重要的课题就是确定浆液的流变模型。国内外学者在研究纯粘土浆和纯水泥浆时提出了多个流变方程，这些模型在描述粘土水泥浆的流变特性时有较大出入。经过大量室内试验提出了与实际较为符合的流变模型，从而得出水泥掺量越大，浆液的屈服值越高，并且浆液的表观粘度随水泥掺量的增加而不断下降的结论。水泥会破坏粘土颗粒的棚架结构，将粘土所包裹的水分释放出来，使浆液中的水量增多，从而降低浆液的粘度。
在浆液的流动性试验方面，通过采用粉质土对7组不同水泥含量的浆液进行了粘度测定，得出的结论是在同一稠度下，浆液粘度随水泥含量的增大而减小。而在探究粘土水泥浆不同水泥含量与粘度的关系时得出的结论是浆液粘度在水泥质量分数为35％时发生转折，低于35％时浆液粘度与水泥质量分数呈正比关系，而高于35％时浆液粘度与水泥质量分数呈反比关系。
以上试验之所以得出不同结论是因为配制相同稠度的浆液所需的水量不同，通过相互比较可以发现，前3者所需水量随水泥掺量增大而增大，表现出粘度随水泥掺量的增大而减小；后者所需的水量在水泥质量分数为35％时最小，表现出浆液在此时的粘度最大。由以上分析可以看出，浆液的流动性受水泥掺量影响很大，具体表现在配制所需稠度的用水量方面。因此在实际工程应用中，通常通过测试用水量来衡量不同水泥掺量下的浆液粘度。
1.2水泥掺量对浆液凝结时间的影响规律
在粘土水泥浆注浆施工时需要准确掌握浆液的凝结时间，包括初凝与终凝时间。国内外学者对此做了大量的试验研究，通过试验探究了不同结构剂添加量下水泥掺量与浆液的凝结时间与规律，试验结果如图1所示。并探究了水泥掺量与温度作用下的浆液凝结规律，如图2所示。
图2粘土水泥浆凝结时间曲线
理论与实践均表明，水泥掺量对浆液的凝结时间有显著影响，且凝结时间随着水泥掺量的增大而缩短。从图1、图2可以看出，不论是结构剂还是温度与水泥掺量耦合作用下，浆液凝结时间与水泥掺量间符合反比关系。通过理论分析发现，随着水泥掺量的增加，粘土与水形成的棚架结构的破坏作用更显著，因此加快了化学反应速度，从而缩短了凝结时间。王洪恩通过试验证实了类似的结果，同样发现在同一稠度下，当水泥含量超过某个“临界值”后，凝结时间基本稳定，并且这个临界值与浆液稠度有关。在工程应用中，如果需要调节浆液凝结时间，在保证强度等其他条件的前提下可通过调整水泥掺量来控制。
1.3水泥掺量对浆液析水率的影响规律
析水率是评价浆液是否达标的重要指标，因此在寻求粘土水泥浆最佳配比时需要考虑影响析水率的各个因素，其中水泥掺量是影响浆液析水率的重要因素，对此国内外学者也开展了大量的试验研究。
其中在探究影响粘土水泥浆液析水率因素的试验中，采用了5％、10％、15％、20％4组水泥掺量的浆液进行析水率试验，试验结果为:在水泥掺量为5％～20％区间内，析水率随水泥掺量增加呈上升趋势，并从理论上分析了原因。郑晨进行了类似的探究，试验中采用的水泥掺量是20％～50％，每组间隔5％，分7组浆液进行试验，结果在此区间内析水率随着水泥掺量的增加而降低。结合以上两组试验结果，发现浆液析水率随着水泥掺量的增加先增加后降低，其转折点在水泥掺量为15％至25％左右。试验中采用5组浆液，水泥掺量从10％～50％，每组间隔10％，其试验结果证实，在水泥掺量为20％左右时，浆液析水率最大。上述3者的试验结果如图3所示，虽然3者试验结果并不接近，但这只是由于浆液中其他配比不同所导致。同时发现3者试验曲线的趋势是吻合的。就此可以得出析水率整体趋势是随着水泥掺量的增大而降低。掌握了此规律后，在工程应用中就可以通过调节水泥掺量使浆液的析水率达到最低。
图3浆液析水率曲线图
掌握好恰当的水泥掺量，可以使浆液中物料所具有的总表面积最大，颗粒下沉过程中发生相互碰撞和相互吸引的机会就越大，进而增大下沉阻力。水泥掺量一定时，相同稠度下的浆液两相流介于非均质悬浮流和结构流之间，使固体颗粒很难单个自由沉降，而是出现群体颗粒总体沉降，所以析水率小，浆液趋于稳定。
1.4水泥掺量对浆液防水性能的影响规律
粘土水泥浆液的防水性能主要体现在结石率与结石渗透系数上。图4是一种常见的粘土结构体模型。粘土浆中加入水泥后，水泥水化产生带有正电荷的水泥颗粒与粘土颗粒进行部分电荷交换，导致粘土颗粒凝聚成团，并在碱性环境下形成具有一定强度的凝胶结构骨架，水泥掺量将影响骨架的密实度及透水性能。
图4粘土结构体模型
通过试验，证实了浆液结石渗透系数随着水泥掺量的增加而先降后增，存在一个最优水泥掺量使得浆液结石渗透系数最低。在探究粘土固化浆液的防渗性能时发现，浆液结石率受水泥掺量的影响，但无明显规律。在实际工程应用中，需要通过具体试验找出最优水泥掺量，使得浆液的结石渗透系数最低的同时有较高的结石率，这样才能实现浆液的最佳防水性能。
2水泥掺量对粘土水泥浆液力学性能的影响
2.1水泥掺量对结石体抗压强度与脆性的影响规律
国内外针对粘土水泥浆液结石抗压强度的研究较多，由于水泥颗粒水化后形成的固相强度要高于粘土颗粒，理论上水泥掺量越大，浆液结石抗压强度越高。国内学者利用褐色粘土作为原材料通过试验数据拟合出了水泥掺量与结石强度的定量关系:水泥掺量aw与37d龄期的试块立方体抗压强度fcu(kPa)符合线性方程fcu＝310.59aw－1313.3。由此可见，抗压强度随着水泥掺量的增加而呈一次函数增加。针对粘土水泥浆的力学性能的试验研究成果如图5所示。
图5抗压强度与水泥掺量之间的关系
由图5可知，虽然所得的增长曲线的趋势不尽相同，但仍然可以清楚地看出浆液结石体的抗压强度随着水泥掺量的增加而增加。在实际工程应用中，虽然增加水泥掺量能提高结石体强度，但在水灰比相同的情况下会降低粘土用量，增加工程成本。同时过多加入水泥的不利影响。通过试验证实水泥掺量的增加会使材料性能趋于脆性，如图6所示。
图6不同水泥掺量下浆液应力－应变曲线
随着水泥掺量的增加，应力应变曲线的直线段斜率增大，所达到的峰值强度也不断提高，材料破坏时后期下降段越来越陡，同时峰值强度对应的应变值减小，说明水泥土有向脆性发展的趋势。脆性增加不利于工程应用，因此在满足强度要求的情况下，还是需要尽量选用低水泥掺入比。
2.2水泥掺量对结石体抗剪强度的影响规律
浆液在裂隙中充填凝结后，抵抗地下水压的是结石体的抗剪强度。因此抗剪强度是粘土水泥浆中最重要的性能指标。由于水泥与土颗粒、与水玻璃反应会产生强度较高的细微颗粒，因此浆液抗剪强度与抗压强度类似，均会随着水泥掺量的增加而增加。试验研究成果如图7所示。
图7抗剪强度与水泥掺量之间的关系
由图7可以看出，随着水泥掺量的增加，试块的抗剪强度会增加越来越快，因此试验曲线整体上呈现斜率越来越大的趋势；通过正交试验证实，对抗剪强度影响最大的是水泥掺量，两者几乎呈正比关系。上述试验结果呈现的规律类似，抗剪强度是随着水泥掺量的增加而增加的。工程上，欲取得较好的堵水效果，保持稠度不变的情况下可适当提高浆液中的水泥掺量。
3结语
综上所述，粘土水泥浆是一种具有良好稳定性、防渗性以及经济性的防渗注浆材料，在防渗工程施工中得到广泛的应用。在应用粘土水泥浆进行防渗注浆施工时，施工人员要结合工程的实际情况以及材料的特点，合理确定粘土水泥浆的水泥掺量，以确保粘土水泥浆的整体性能，保障工程的施工质量和施工效益。
参考文献：
[1]粘土水泥系列浆材流变性能研究[J].张贵金,刘杰,匡楚丰,杨东升,傅小姝.硅酸盐通报.2017(01)
[2]粘土—水泥浆室内实验研究及其在煤层底板注浆改造中的应用[J].郑晨,李博,吴基文.工程勘察.2014(03)