膨润土

摘要：本文分析了膨润土对水泥浆液的作用机理及其影响。结果表明，膨润土较好的改善了水泥浆的粘度、析水率、分散性、保水性等工作性能，从而有利于提高灌浆效果。但同时随着膨润土掺量的增加，也会在一定程度上降低浆液的强度，因此在配制浆液时要综合考虑膨润土对浆液的影响，根据实际工程选取合理的配比。

关键词：膨润土；稳定剂；粘度；析水率；浆液强度；保水剂；分层度

1. 引言

大坝基础防渗帷幕灌浆和岩溶灌浆一般都采用多种水灰比的水泥灌浆，这种方法对浆体的稠度都是由稀变浓的加以控制，直到达到灌浆结束为止。常规灌浆最大的弊端是费工费时，浪费浆材。因此，世界许多发达国家正积极发展水泥灌浆新技术和水泥稳定浆材的研究，形成了用水泥灌浆新技术和水泥稳定浆材解决复杂基础处理的趋势。

八十年代初日本首次研制出超细水泥浆材的湿式工法(WMC 工法)，此后许多国家相继以超细水泥作为灌浆材料的研究[1，2]：在此基础上我国于八七年研制成功了湿磨细水泥浆的灌浆新技术[3]；但是，因超细水泥成本高，每吨成本价都在2000 元以上，因此，限制了超细水泥在工程中的应用。九十年代初，新的灌浆技术法开始在工程中应用，该法主要是通过添加膨润土来生产稳定浆液，目前国内外配制稳定灌浆液普遍采用膨润土作稳定剂，用膨润土配制的浆液稳定性、可灌性、保水性、分散性一般都比较好，但是也有不少工程在灌浆过程中，由于浆液稳定性和保水性不好出现了问题，非但没有达到预期的效果，反而浪费了很多浆材，造成了巨大损失。因此，本文着重介绍膨润土对砂浆溶液的影响，以便为今后配制稳定浆液提供参考。

2. 膨润土对水泥浆液的作用机理及其影响

膨润土[4](Bentonite)按译音、成因及用途又称斑脱岩、膨土岩等。是以蒙脱石(也称微晶高岭石、胶岭石)为主要成分的粘土岩-蒙脱石粘土岩,常含少量伊利石、高岭石及沸石、长石、方解石等。蒙脱石为少量碱及碱土金属的含水铝硅酸盐矿物。其化学式为Nax(H2O)4{(Al2～xMg0.33)[Si4O10](OH)2}。

2.1 膨润土的作用机理

膨润土是一种以蒙脱石为主要成分的粘土，因此，蒙脱石的品种和含量对膨润土的性能有很大的影响。蒙脱石是由2层Si—O四面体中间夹一层Al—(O ,OH)八面体为构造单元组成的层状硅酸盐矿物。其结构有2个特点：层间范德华力连接，这种作用较弱；四面体中部分Si4 +可被Al3 +取代，八面体中的Al3 +可被Fe2 +、Mg2 + 、Zn2 +等离子取代，使晶层平面上带负电。前者使水分子易于进入晶胞层间发生膨胀；后者使粘土颗粒表面能自发地吸附反电荷离子(阳离子)形成络合物或有机、无机复合物。

当膨润土分散于水中时，由于表面吸附的阳离子在溶液主体中的浓度较低，它们有自晶层表面向外扩散的趋势；另一方面，它们又受带电晶层的静电吸引。这2个相反趋向的结果，使粘土颗粒晶层外表面形成扩散双电层，并呈大气状分布。堆叠晶层间的阳离子则限制在面对面的晶层表面中间的狭窄间隔内。膨润土分散在水中，蒙脱石的颗粒可能呈单一晶胞，也可以是许多晶胞的附聚体。由于蒙脱石晶体表面电荷的多样性和颗粒的不规则性，它们在水中会产生许多不同的附聚型式。

膨润土在水中高度分散搭接成网络结构，并使大量的自由水转变为网络结构中的束缚水，而形成非牛顿液体类型的触变性凝胶。它的粘度对于悬浮液体系的稳定性具有重要影响，并与剪切速度变化有关。搅动时，网络结构破坏，凝胶转化为低粘滞性的悬浮液；静止时,恢复到初始凝胶网络结构的均相塑性体状态,粘度逐渐增大。在外力作用下悬浮液与胶体可以无限转化。这就是掺加膨润土后浆液触变性变好的原因。由于上述原因，导致加入膨润土的浆液粘度上升，保水性能提高，触变性能变好。

2.2 试验材料

本文所用的膨润土是南京汤山膨润土有限公司生产的土木工程泥浆用膨润土，其物理性能见下表1。

2.3 膨润土对浆液稳定性的影响

稳定水泥浆液是指析水率小于5%的水泥浆液，主要技术指标包括粘度、凝聚力（屈服点）、析水率、密度、凝结时间和结石强度等五个方面，粘度和凝聚力控制着浆液流动速率与最大扩散半径，优质的稳定浆液不但要有足够的稳定性，而且要有良好的流动性。

（2）粘度

粘度也称流动度是量度流体粘滞性大小的物理量，粘滞流体在层流中，其相邻流体层间的内摩擦力τ与沿接触面法向n 的速度梯度dv/dn 成正比，与接触面积成正比，与流体本身的性质有关，而与接触面上的压力无关，即τ=ηAdv / dn。式中：τ一流层的内摩擦力；η一粘度系数；A一接触面积；dv/dn 一流体的流速梯度。浆液粘度是指浆液所有组分混合后的初始粘度，水泥浆粘度测试有多种方法，主要采用旋转粘度计[5]和漏斗粘度计[6]采用旋转粘度计测得水泥浆表观粘度，从中可知水泥浆液的粘度与水灰比成反比，但当水灰比达到某一值后，其粘度几乎不再变化。漏斗粘度计使用最方便直观，最适合施工现场使用。漏斗粘度计是测量一定体积的浆液从漏斗流出的时间，以此来表示浆液的流变特性，浆液愈稠，粘度越大，一定体积的浆液从漏斗流出所需的时间越长。目前国际上用得较多的漏斗有三种：马什(Marsh)型漏斗、梅开索尔(Mecasol)型漏斗及普里帕克(Prepakt)型漏斗，实际以马什漏斗使用最多；常用漏斗类型见图1。

研究表明：膨润土水泥浆液的性能主要取决于水泥、膨润土、水的用量。在水泥浆液中加入膨润土，一般具有如下变化规律：浆液粘度随水灰比的增大而降低，相同水灰比的浆液，膨润土用量越多粘度越大（见图2），凝结时间越长，结石率越高，但强度降低；浆液中干料越多，或者在不改变水与干料配比的情况下，增加膨润土用量可提高浆液的稳定性，使用时可根据岩土物理力学性质、含水量以及工程处理的具体要求由试验确定。

（2）析水率

采用1000mL 量筒，将拌好的浆体约800mL 注入量筒内，并将量筒上口加盖封好。随后每隔60min 将上口盖打开，使量筒倾斜，用吸管吸出析水，并分别记下浆液的体积数，最后计算出析水率，以析水率的大小评价浆液稳定性好坏，结果见表3。

由表3 试验结果可知，未添加膨润土的水泥浆易沉淀析水、稳定性差，且对用水量十分敏感，因此若在地下水流较大的条件下注浆，浆液易受水的冲刷和稀释，最终效果将不十分理想，掺入膨润土后析水率明显得到改善。另外通过在浆液中掺入占浆材质量分别为1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%的膨润土进行浆液稳定性试验后发现：随着膨润土含量的增加，浆液最终达到稳定的时间缩短，析水率降低，稳定性逐渐增加。

2.4 膨润土对浆液分散性影响

当膨润土加入水泥浆浆液后，由于水泥颗粒相对较大，且表面带有正电荷，蒙脱石颗粒在静电吸引力以及其本身粘结力作用下，细小的蒙脱石颗粒会被附着在相对较大的水泥颗粒表面，而且由于膨润土浆液具有良好的保水润滑性和流动性，它可将水泥颗粒悬浮并携带到更远、更细小的岩土裂隙中去，从而防止了纯水泥浆浆液在岩土裂隙流动过程中由于过早失水而凝固，减缓了水泥的凝结时间，进而达到更为理想的加固效果。同样通过在浆液中掺入占浆材质量1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%的膨润土进行浆液分散性试验(水灰比为W/C=0.8)后发现：随着膨润土含量的增加，浆液的分散性增加，凝结时间增长，从而有利于提高浆液的工作性能。但是当膨润土掺量超过3%时，分散性开始降低，因此在本次试验中膨润土掺量为3%时分散效果最佳(见图3)。同时蒙脱石粒间和层间的富水性也为水泥颗粒的充分水化固结提供了可靠的保证［7］。

2.5 膨润土对浆液强度的影响

配制出两组不同水灰比的水泥浆体，其中每组膨润土掺量分别为1%、1.5%、2%、2.5%、3%、4%，并依次编号为1-6，测其3d、7d 、28d 龄期硬化后的强度，抗压试件边长为7.07cm 的立方试件，在标准条件下养护下。强度试验结果见表4、表5。

根据表4、表5 作水泥浆结石强度对比图，见图4、图5。从图中可发现在不同的养护条件下，膨润土掺量-水灰比-强度变化规律基本相同。无论是哪种养护，以膨润土配制的稳定水泥浆液，在相同的水灰比下，随着膨润土掺量的增加，抗压强度和抗折强度都在迅速减小；同样，在相同的膨润土掺量下，强度随着水灰比的增大而减小。因此，水灰比和膨润土掺量都较大成度的影响着水泥浆液的强度，所以，在配制水泥浆液时一定要注意膨润土掺量和水灰比的关系。根据本文分析水泥浆液中膨润土掺量宜控制在4%以内。

2.6 膨润土对水泥浆液的保水性影响图6 显示出了浆液保水率随膨润土掺量变化的结果。随着膨润土掺量的增加，浆液的保水率也在逐渐增加，当膨润土含量超过3%后，保水率增长缓慢，趋于定值。从图中看出膨润土的掺入对于浆液保水率有一定影响但影响不大。但是由于膨润土掺入提高了水泥浆的用水量,同样质量的水泥浆中保持的水分更多了,这有利于浆液保持工作性。

2.7 膨润土对水泥浆溶液的分层度影响

图7 显示了浆液分层度随膨润土掺量的变化。随膨润土掺量增加,浆液的分层度逐渐减小；当膨润土的掺量达到2%时，浆液的分层度不在变化,稳定在9mm ,这对于提高砂浆的工作性能有很大的好处。

3. 结束语

1.膨润土具有很好的稳定性，在水灰比一定的情况下随着膨润土掺量的增加，浆液的粘度增大、析水率降低，从而使浆液有一种较好的稳定性，所以膨润土是一种较好的稳定剂。

2.膨润土的掺入对水泥浆液的强度有一定影响，掺量在4％以内时，对浆液强度影响是允许的，大于4％时膨润土会较大程度的降低浆液的强度，不利于工程施工，所以膨润土掺

量宜控制在4％以内。

3.含有膨润土的水泥浆溶液，其保水性、分层度都有较大改善，含水量增大，使得水泥浆溶液的工作性能得到更好的保持。

4.对岩溶发育中等以上规模溶洞、溶沟、溶槽等进行灌浆处理时，掺入适量的膨润土，将能更好的达到灌浆效果。

5.生产施工过程中水灰比和膨润土掺量都应该满足配合比的要求，且配合比应根据实际工程确定。