正交試驗(yàn)下水泥基灌漿料力學(xué)試驗(yàn)研究

張凱峰，任慧超，耿飛，趙世冉，姚源，劉磊

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西　西安　710116）

正交試驗(yàn)下水泥基灌漿料力學(xué)試驗(yàn)研究

張凱峰，任慧超，耿飛，趙世冉，姚源，劉磊

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西西安710116）

本文通過正交試驗(yàn)及極差分析，研究了水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量、減水劑含量以及膨脹劑對(duì)水泥基灌漿料抗折、抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)研究表明：正交試驗(yàn)方案能有效地找到比較好的配比方案，使得試驗(yàn)過程更加有效率；水膠比0.35、粉煤灰摻量10%、減水劑含量1.4%、膠砂比控制在1∶1.2時(shí)，可以得到初始流動(dòng)度300mm、28d 抗折強(qiáng)度9.49MPa、抗壓強(qiáng)度43.30MPa 的水泥基灌漿料。

水泥基灌漿料；正交試驗(yàn)；粉煤灰；抗折強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度

0　引言

水泥基灌漿料是以水泥為基材，適量加入細(xì)骨料和其他一些摻合料、外加劑等組成的干混材料，加水拌合后具有高流動(dòng)度、早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹等特性[1]。它廣泛用于設(shè)備基礎(chǔ)的二次灌漿，鋼結(jié)構(gòu)柱基礎(chǔ)灌漿，軌道基礎(chǔ)等小縫隙粘結(jié)灌漿，地鐵、隧道、地下工程逆打法施工縫嵌固，地腳螺栓錨固，混凝土梁、柱、板、墻的加固修補(bǔ)灌漿，其他普通混凝土難以澆注的不規(guī)則死角、邊角及混凝土空洞補(bǔ)灌修復(fù)[2-3]等。

近年來，國內(nèi)也有越來越多的機(jī)構(gòu)和人員對(duì)水泥基灌漿料進(jìn)行了全方位的研究。冷達(dá)[4]總結(jié)了減水劑和早強(qiáng)劑對(duì)干粉水泥基灌漿砂漿新拌性能和力學(xué)性能的影響影響規(guī)律；徐國強(qiáng)[5]則通過灌漿料配比的正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)硅灰等摻合料對(duì)灌漿料的流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度有較大影響；吳元等人[6]基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了水泥基灌漿料的尺寸效應(yīng)、強(qiáng)度轉(zhuǎn)化及齡期強(qiáng)度的計(jì)算公式。本次試驗(yàn)結(jié)合正交試驗(yàn)方案，欲以復(fù)合硅酸鹽水泥為主，探討水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量、減水劑含量以及膨脹劑對(duì)水泥基灌漿料流動(dòng)度及力學(xué)性能的影響，進(jìn)而篩選出一種強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)性好的水泥基灌漿料。

1　試驗(yàn)原材料及正交方案

1.1試驗(yàn)原材料

水泥分別采用陜西某有限公司 P·C32.5R 水泥；粉煤灰采用銅川某電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰，45μm 篩余為13.5%，需水量比為99%，燒失量為4.3%；細(xì)集料采用灞河河砂，用篩子去除2.5mm 以上顆粒，細(xì)度模數(shù)為2.1，屬于 Ⅱ 區(qū)細(xì)砂，級(jí)配良好；膨脹劑為西安某外加劑廠 UEA-S 型高效混凝土膨脹劑；減水劑采用西安某建筑科技有限公司提供的聚羧酸減水劑，固含量為20%。

1.2正交方案選取

本次試驗(yàn)方案，為了解每個(gè)因素的影響大小，采用三個(gè)水平位級(jí)。膠砂比選取1∶1、1∶1.2、1∶1.4三種；水膠比采用0.35、0.36、0.37三種；減水劑（聚羧酸高效減水劑）采用1.2%、1.3%、1.4% 三種；膨脹劑摻量控制在10%；粉煤灰（Ⅱ級(jí)）摻量采用10%、15%、20% 三種；膠體采用定量850g，以上百分比均指膠體總量。其中水、粉煤灰、減水劑、砂試驗(yàn)時(shí)采用正交表格設(shè)計(jì)，正交試驗(yàn)表格如表1所示。

表1　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)　kg/m3

2　試驗(yàn)內(nèi)容

2.1水泥基灌漿料流動(dòng)性研究

流動(dòng)度試驗(yàn)采用上端直徑為70mm、下端直徑為100mm、高為60mm 的圓臺(tái)體試模，試驗(yàn)室溫度為 (20±2)℃，按照 GB/T2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測定方法》[7]規(guī)范進(jìn)行試驗(yàn)，在攪拌結(jié)束后應(yīng)立即進(jìn)行測試。

2.2水泥基灌漿料抗折試驗(yàn)研究

水泥基灌漿料抗折試驗(yàn)參照 GB/T17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》[8]進(jìn)行，試件尺寸為40mm×40mm×160mm，試驗(yàn)所用儀器為 DKZ-5000電動(dòng)抗折試驗(yàn)機(jī)。

2.3抗壓試驗(yàn)研究

水泥基灌漿料抗壓試驗(yàn)以抗折強(qiáng)度測定后的兩個(gè)斷塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測定，試驗(yàn)時(shí)須用抗壓夾具固定，使試件受壓面積為 (40×40)mm2。試驗(yàn)所用儀器為華龍 WAW-1000C 微機(jī)電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，最大試驗(yàn)力1000kN，試驗(yàn)力測試范圍50～1000kN。

3　結(jié)果與分析

3.1流動(dòng)度測試結(jié)果

經(jīng)過測試，各配合比下的流動(dòng)度指標(biāo)及極差分析如表2、3所示。

表2　流動(dòng)度測試指標(biāo)　mm

表3　流動(dòng)度極差分析

由表3可知，膠砂比、水膠比對(duì)灌漿料流動(dòng)度影響較大，是其最重要影響因素，減水劑含量次之，粉煤灰摻量影響最小；由表2可以看出，在1、8、9配合比下，灌漿料流動(dòng)度均達(dá)到300mm 以上，在水膠比0.37，粉煤灰摻量20%，減水劑含量1.4%，膠砂比1∶1的情況下，灌漿料流動(dòng)度最大能達(dá)到320mm。

3.2力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

灌漿料各齡期強(qiáng)度結(jié)果如表4所示，各齡期強(qiáng)度極差分析如表5、6所示，各配合比不同齡期強(qiáng)度發(fā)展趨勢如圖1、2所示。

表4　灌漿料各齡期力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果　MPa

由表4、5及圖1可以看出，灌漿料各配合比組抗折強(qiáng)度均隨齡期的增大而有所增長。水膠比是影響灌漿料各齡期抗折強(qiáng)度的最重要因素，粉煤灰摻量、減水劑含量次之，膠砂比為最不重要影響因素。3d 時(shí)9個(gè)配合比除 P9外抗折強(qiáng)度均在5MPa 左右；7d 時(shí)，所有配合比組基本都在6MPa 以上，P1組甚至達(dá)到了7.34MPa；28d 時(shí)，除 P3、P9外，其余幾組抗折強(qiáng)度均在9MPa 以上。

圖1　抗折強(qiáng)度趨勢圖

圖2　抗壓強(qiáng)度趨勢圖

表5　抗折強(qiáng)度極差分析

表6　抗壓強(qiáng)度極差分析

由表4、6和圖2可以看出各配比下灌漿料的抗壓強(qiáng)度均隨齡期的增長而提高，但由極差分析可知不同齡期時(shí)各影響因素發(fā)揮的重要性有所不同。3d 時(shí)，粉煤灰摻量為最重要的影響因素，膠砂比和水膠比次之，減水劑含量影響最小；7d時(shí)，粉煤灰仍影響最大，水膠比次之，減水劑含量和膠砂比影響較弱；28d 時(shí)，粉煤灰摻量和減水劑含量影響較大，膠砂比次之，水膠比為最不重要影響因素。9組配合比抗壓強(qiáng)度3d 齡期時(shí)均在20MPa 以上，7d 在30MPa 以上，28d 除 P5、P6外基本都在40MPa 左右，P9組抗壓強(qiáng)度接近44MPa。另外 P1～P6在3～7d 齡期強(qiáng)度發(fā)展較快，7d 以后較為緩慢，P7～P9前期強(qiáng)度一般，但則在7d 以后仍有較好的強(qiáng)度發(fā)展。

綜合考慮灌漿料流動(dòng)性，各齡期抗折抗壓強(qiáng)度，最終選擇適合的方案為水膠比為0.35，粉煤灰摻量10%，減水劑含量1.4%，膠砂比控制在1∶1.2，膨脹劑摻量為10%。由此可得到初始流動(dòng)度300mm，28d 抗折強(qiáng)度9.49MPa，3d、7d、28d抗壓強(qiáng)度分別為27.93MPa、38.30MPa、43.30MPa 的水泥基灌漿。

3.3水泥基灌漿料力學(xué)性能影響因素分析

（1）試驗(yàn)用砂選用直徑2.5mm 以下的細(xì)骨料，使得基體的缺陷減少，骨料和水泥基體之間的薄弱過渡區(qū)得到增強(qiáng)，同時(shí)還能夠細(xì)化定向晶體結(jié)構(gòu)。

（2）提高低需水量比的礦物摻合料（粉煤灰）摻量以及高效減水劑，從而在達(dá)到相同工作性能基礎(chǔ)上減少用水量，從而降低灌漿料內(nèi)部孔隙率。

（3）采用常溫水養(yǎng)護(hù)的養(yǎng)護(hù)方法，最大限度抑制由于低水膠比產(chǎn)生的收縮。

（4）試驗(yàn)中10% 的 UEA-S 型高效混凝土膨脹劑，其內(nèi)部含有硅鋁復(fù)鹽、氧化鋁、硫酸鈣等無機(jī)化合物，早期能與試件中的硅酸三鈣、硅酸二鈣等反應(yīng)生成水化硅酸鈣、鐵鋁酸四鈣等膠凝產(chǎn)物，提高了其早期強(qiáng)度。

（5）粉煤灰具有三大效應(yīng)，有效改善了灌漿料內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，增大密實(shí)度，從而使灌漿料的強(qiáng)度有所提高。

4　結(jié)論

（1）除 P4、P5、P7組外，其他6組灌漿料流動(dòng)度均在270mm 以上，其中膠砂比和水膠比對(duì)流動(dòng)度影響較大，膠砂比越小，水膠比越大，流動(dòng)度越大。

（2）在不同齡期時(shí)各影響因素所發(fā)揮的程度有所不同，試驗(yàn)過程中，粉煤灰摻量對(duì)灌漿料各齡期抗折及抗壓強(qiáng)度均發(fā)揮著重要作用。

（3）當(dāng)水膠比為0.35，粉煤灰摻量10%，減水劑含量1.4%，膠砂比控制在1∶1.2時(shí)，可以得到初始流動(dòng)度300mm，28d 抗折強(qiáng)度9.49MPa，3d、7d、28d 抗壓強(qiáng)度分別為27.93MPa、38.30MPa、43.30MPa 的水泥基灌漿。

[1] GB/T50448—2008．水泥基灌漿料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范[S]．

[2] 涂勝強(qiáng)，鄒小衛(wèi)．水泥基灌漿料的發(fā)展情況[J]．科技信息，2013(3)∶371-371．

[3] 朱衛(wèi)華．水泥基灌漿料的發(fā)展[J]．施工技術(shù)，2009,38(6)∶76-80．

[4] 冷達(dá)，張雄，沈中林．減水劑和早強(qiáng)劑對(duì)水泥基灌漿材料性能的影響[J]．新型建筑材料，2008,35(11)∶21-25．

[5] 徐國強(qiáng)，張靜．高強(qiáng)水泥基灌漿料配合比的正交試驗(yàn)研究[J]．混凝土，2015(3)∶149-151．

[6] 吳元，王凱，楊曉婧，等．水泥基灌漿料基本力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]．建筑結(jié)構(gòu)，2014(19)∶95-98．

[7] GB/T2419—2005．水泥膠砂流動(dòng)度測定方法[S]．

[8] GB/T17671—1999．水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法[S]．

［通訊地址］陜西省西安市長安區(qū)王寺西街中建西部建設(shè)北方有限公司研發(fā)中心（710116）

張凱峰（1986—），男，中建西部建設(shè)北方有限公司研發(fā)中心負(fù)責(zé)人。