抗裂型高強灌漿料的研發(fā)

徐立斌 ，汪繼超 ，陳尚偉 ，朱國良 ，周靈 ，丁銀仙

（1.貴州中建建筑科研設計院有限公司，貴州 貴陽 550006；2.貴州超亞納米科技有限公司，貴州 貴陽 550006）

目前，C80以上的高強高性能混凝土已用于超高層建筑中的核心筒、鋼管巨柱等結(jié)構(gòu)中，相應的鋼管底座、后澆帶等部位需要80 MPa以上的灌漿料進行填充[1]，由于鋼管和地面的約束，用高強灌漿料加固后易出現(xiàn)收縮開裂。分析開裂原因主要是高強灌漿料的水泥用量較多，膠凝材料中一般使用活性較高的硅粉等增強材料，早期自收縮較大、水化熱較高，加之后期養(yǎng)護不佳等因素導致。而國內(nèi)有關灌漿料的研究也主要集中在強度、工作性和塑性階段變形等方面[2-4]，關于高強灌漿料自收縮的研究較少。硬化后期材料的體積變形是引起開裂的主要原因，因此，配制高強灌漿料存在的技術難點是如何解決高抗壓強度與大流動度、開裂風險大之間的矛盾。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：清鎮(zhèn)海螺 P·O42.5，28 d 抗壓強度 47.2 MPa。

（2）石英砂：白色，0～2 mm。

（3）超細復合粉：貴州超亞納米科技有限公司，主要由磷渣經(jīng)超細粉磨與硅粉按約9.5∶0.5的質(zhì)量比復合而成，粒徑0～10 μm，平均粒徑 3 μm，10%摻量時 28 d 活性指數(shù) 110%，需水量比95%，SEM照片如圖1所示，主要化學成分如表1所示。

圖1 超細復合粉的微觀結(jié)構(gòu)

（4）復合膨脹劑：武漢三源特種建材有限責任公司，氧化鈣-硫鋁酸鈣系雙膨脹源高性能膨脹劑，7 d砂漿限制膨脹率0.07%，主要化學成分見表1。

（5）沸石粉：浙江省金華市欣生沸石開發(fā)有限公司，比表面積480 m2/kg，20%摻量時28 d活性指數(shù)85%，主要化學成分見表1。

表1 原材料的主要化學成分 %

（6）聚丙烯纖維：廊坊晨坤化工建材有限公司產(chǎn)，長度12 mm，抗拉強度≥400 MPa，彈性模量≥3850 MPa。

（7）粉煤灰：貴州名川粉煤灰有限公司，Ⅱ級，28 d活性指數(shù)82%。

（8）消泡劑：深圳市吉鵬硅氟材料有限公司，主要由聚醚改性聚硅氧烷和微量分散劑復配而成，白色粉末固體。

（9）流化劑：江蘇兆佳建材科技有限公司，聚羧酸粉劑ZJPM109，砂漿減水率≥20%。

1.2 試驗方法

抗裂型高強灌漿料的技術指標主要包括截錐流動度、抗壓強度，具體試驗方法參照GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應用技術規(guī)范》的相關規(guī)定，主要性能參數(shù)以Ⅲ型灌漿料作為參照。

超細復合粉對灌漿料性能的影響所用收縮試驗方法參考GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的接觸法，測試時溫度為（20±2）℃、相對濕度為（60±5）%。

自收縮測試方法：采用接觸法，參照文獻[5]中早期收縮的試驗方法，測試溫度為（20±2）℃、相對濕度為（60±5）%，如圖2所示。

圖2 灌漿料自收縮試驗

圓環(huán)抗裂試驗方法：將配制的灌漿料灌入試模中，待終凝硬化后拆除外模，然后放置在與實際工程養(yǎng)護條件相似的場地，觀察開裂情況。試件平面尺寸如圖3所示，試件高度為15 cm。

圖3 灌漿料圓環(huán)開裂試驗

本研究主要考慮灌漿料硬化后的性能，因此在配方中未使用塑性膨脹劑，實際應用過程中可根據(jù)工程需求適當添加塑性膨脹劑。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 超細復合粉對灌漿料性能的影響

目前，國內(nèi)有關超細粉的研究主要集中在超細石灰石粉、超細粉煤灰、硅灰等材料[6-7]，但收集難度大、粉磨效率低、價格貴、不易散裝運輸?shù)葐栴}限制了其大量應用。本文所涉及的超細粉主要以貴州開磷、甕福2家磷化工廠的廢渣——磷礦渣為主要原材料，配以一定量的硅粉進行復合，粒徑在10 μm以下，是水泥顆粒的1/6左右，理論上可以發(fā)揮很好的“填充”、“潤滑”作用。因此，本階段的試驗主要以超細復合粉的摻量為變量，配合比中流化劑、消泡劑用量分別為2.5、0.01 kg/t保持不變，水料比固定為0.14，研究超細復合粉用量對灌漿料物理性能的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 超細復合粉用量對灌漿料物理性能的影響

由表2可知，隨著超細復合粉用量的增加，灌漿料的截錐流動度先增大后減小，在超細復合粉用量為10 kg/t時，灌漿料的流動度最大。這是由于超細復合粉的粒度較小，平均粒徑在3 μm左右，在外加劑的作用下填充在水泥顆粒（平均粒徑在30～40 μm）之間，釋放出更多的自由水，在用量低時可以起到“物理”減水的效果。但隨著復合超細粉用量的增加，比表面的增大使得顆粒表面附著水膜變薄，導致流動性變差。在強度方面，摻入適量的超細復合粉可獲得較高的早期強度和后期強度，分析原因是所用的超細粉體以磷渣和硅粉為主要原材料，早期強度發(fā)展是硅粉發(fā)揮了作用，后期強度增長是磷渣起到了二次水化的作用。

根據(jù)上述試驗結(jié)果，超細復合粉可以起到降粘、增強的雙重效果，經(jīng)過反復試驗，確定了使用超細復合粉減少總膠材用量的技術路線，達到增大流動性和強度的同時，減小高強灌漿料的收縮。配合比優(yōu)化前后灌漿料的性能見表3，灌漿料的28 d自由收縮值見圖4。

表3 配合比優(yōu)化前后灌漿料性能對比

由表3可以看出，摻加粒徑為0～10 μm的超細復合粉后，灌漿料的配合比設計可降低總膠材用量，即使用20 kg/t的超細復合粉，可使水泥用量減小30 kg/t，同時使總膠材用量減小30 kg/t；摻加超細復合粉后，灌漿料的初始流動度提高了20 mm，28 d抗壓強度提高了8 MPa。

圖4 配合比優(yōu)化前后灌漿料的收縮值

由圖4可以看出，配合比優(yōu)化后，灌漿料的28 d自由收縮由4.02×10-4降低至3.28×10-4。分析原因：使用超細粉達到了降膠材、降水泥、降單方水用量的效果。因此，超細復合粉可以作為高強灌漿料的新組分。

2.2 復合膨脹劑和沸石粉對高強灌漿料自收縮的影響

高強灌漿料需滿足高強度、高流動性、高填充性等性能要求，其配制機理與高強混凝土有類似之處，早期變形仍以自收縮為主[8]。實際工程中，筆者發(fā)現(xiàn)鋼管下端用灌漿料填充，后期出現(xiàn)開裂的時間集中在澆筑硬化后的前7 d，也證明了自收縮是高強灌漿料開裂的主要原因。另外，GB/T 50448—2015中的豎向膨脹率主要檢測灌漿料在加水至硬化3～24 h內(nèi)的體積變形，主要體現(xiàn)填充密實的考慮。而硬化后的體積變形，標準中未提及。因此，參照文獻[5]中早期收縮的試驗方法進行自收縮的測量。試驗設計配合比如表4所示，自收縮試驗結(jié)果如圖5所示。

表4 摻復合膨脹劑和沸石粉灌漿料的配比 kg/t

圖5 高強灌漿料的自收縮

由圖5可見：加入復合膨脹劑和沸石粉均可以減小灌漿料的早期收縮，但其原理不相同。復合膨脹劑在灌漿料中主要產(chǎn)生鈣礬石，減小灌漿料的收縮。摻入復合膨脹劑的試樣在7～12 h的收縮速率較快，其收縮值接近基準的0.3×10-4，12 h后才有明顯抑制收縮的效果，分析原因可能是膨脹劑促進水泥水化，造成12 h之前收縮速率較快，因此，在使用摻有（氧化鈣-硫鋁酸鈣系雙膨脹源）復合膨脹劑的灌漿料時一定要加強早期養(yǎng)護，在澆筑完畢后盡快覆蓋塑料薄膜或噴灑養(yǎng)護液。

沸石粉由于其多孔結(jié)構(gòu)[9]，可以吸附灌漿料中的自由水分，待灌漿料硬化后，再釋放自由水，減小灌漿料的自收縮。與有機類的保水劑相比，沸石粉作為無機類保水劑的最大優(yōu)點是其可以參與灌漿料的水化，提高灌漿料的強度。因此，本研究選用復合膨脹劑和沸石粉復摻作為高強灌漿料早期自收縮的抑制劑，灌漿料的72 h自收縮由4.02×10-4減小至2.16×10-4，減小了46%。

2.3 纖維對灌漿料抗裂性能的影響

在灌漿料中使用纖維的主要目也是提高抗裂性能，但使用纖維會降低灌漿料的流動性和填充性。通過試驗，優(yōu)選聚丙烯短切纖維在灌漿料中使用，摻量分別為0、0.3、0.6 kg/t。試驗中，聚丙烯纖維摻量在0.6 kg/t以下時，灌漿料的流動性變化不明顯，通過調(diào)整流化劑用量，便可滿足施工要求。但摻量超過0.9 kg/t時，由于纖維間的纏繞，降低了灌漿料的流動性。聚丙烯纖維摻入灌漿料后的抗裂效果見圖6。

圖6 聚丙烯纖維摻入灌漿料后的抗裂效果

由圖6可以看出，未摻聚丙烯纖維的空白樣，灌漿料與鋼管接觸處出現(xiàn)裂紋嚴重；摻加0.3 kg/t聚丙烯纖維，灌漿料與鋼管接觸處少量裂紋；摻加0.6 kg/t聚丙烯纖維，灌漿料與鋼管接觸處無裂紋。因此，高強灌漿料在摻入纖維后與鋼管的粘和度有所提高，在摻量達到0.6 kg/t時可以很好的粘和，沒有發(fā)現(xiàn)裂縫產(chǎn)生。

3 結(jié)論

（1）使用粒徑為0～10 μm的超細復合粉后，灌漿料的配合比設計中可使總膠材用量減小，即使用20 kg/t超細復合粉，可使總膠材用量減小30 kg/t，同時水泥用量節(jié)約30 kg/t。

（2）使用20 kg/t復合膨脹劑和10 kg/t沸石粉，硬化后的漿體72 h收縮值比空白樣減小46%。

（3）在采用上述方法后，摻加0.6 kg/t聚丙烯纖維，配制的高強灌漿料28 d抗壓強度達到86 MPa，初始截錐流動度達到300 mm以上，其余性能符合GB/T 50448—2015標準要求。

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