新型高性能水泥基灌漿料的配制研究

蘭春暉，延 茜，邢小茹

（山西大學(xué)土木工程系 太原 030013）

0 引言

水泥基灌漿材料是由水泥、骨料、礦物參合料、外加劑等材料經(jīng)過混合生產(chǎn)出的具有合理級配的干混料，加水?dāng)嚢杈鶆蚝缶哂写罅鲃有?、早強、高強、可灌注性、微膨脹的特性。水泥基灌漿料主要在機械修補、加固、安裝工程中具有應(yīng)用價值。如今高強灌漿材料多用于地腳螺栓的錨固，混凝土結(jié)構(gòu)改造，加固及后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)留孔道灌漿與封錨，鋼結(jié)構(gòu)柱腳底板的二次灌漿等新領(lǐng)域，不僅局限于傳統(tǒng)的機械設(shè)備安裝的二次灌漿。隨著我國綜合國力日益增強，經(jīng)濟建設(shè)不斷加快，石化、冶金、電力等涉及到大大型設(shè)備安裝的企業(yè)以及公路，橋梁的建設(shè)都對灌漿材料提出了更高的性能要求。目前使用的灌漿材料耐久性較差，體積收縮較大，強度發(fā)展較慢，影響到使用壽命和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，因而研究高性能的水泥基灌漿材料具有很強的現(xiàn)實意義。

1 實驗用原材料及其配制

1.1 水泥

實驗選用山西某公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥和山西某某公司生產(chǎn)的快硬硫鋁酸鹽水泥。水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量按《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量凝結(jié)時間安定性檢驗方法：GB/T1346-2011》［1］中規(guī)定的步驟進行，凝結(jié)時間按文獻［1］中規(guī)定的步驟完成，測定兩種水泥的凝結(jié)時間和標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量（見表1）。

表1 水泥物理性能指標(biāo)Tab.1 The Physical Index of the Cement

1.2 硅灰

為減少水泥顆粒間的孔隙率，可在水泥中加入具有較小顆粒粒徑特征的硅灰，利用硅灰和水泥加水拌合后水化產(chǎn)物反應(yīng)生成的凝膠體的特點，可以顯著改善灌漿材料的抗?jié)B、抗折以及抗壓性能。硅灰性能等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)滿足《高強高性能混凝土用礦物外加劑：GB-T18736-2002》的要求。

1.3 膨脹劑

U 型膨脹劑具有多種組合成分，主體包括氧化鋁、硫酸鋁、硫酸鋁鉀等，每一時期能起到膨脹作用的組成成分是有差別的。本實驗選用的膨脹劑是山西某某公司生產(chǎn)的高效U 型混凝土膨脹劑，性能符合《混凝土膨脹劑：GB 23439-2009》［2］的要求。

1.4 減水劑

實驗選用聚羧酸高效減水劑，減水率為25%～30%?？蓽p小水泥顆粒間摩擦阻力，減弱顆粒間凝聚作用，可以使包裹在絮狀結(jié)構(gòu)水泥中的自由水釋放而出，分散水泥顆粒，進而大大改善水泥漿的流動性能。

1.5 砂

本實驗采用3 種不同粒徑的干砂，其中A 類砂為粗砂，B 類砂為中砂，C 類砂為細(xì)砂，分別取500 g 砂進行顆粒級配試驗，所用篩孔尺寸分別為：4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm。根據(jù)細(xì)度模數(shù)計算公式：

計算出其3 種砂的細(xì)度模數(shù)分別為：

3 種砂顆粒級配均不滿足規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)范圍。對3 種砂進行級配組合優(yōu)選出符合級配的砂（見表2）。

表2 3 種砂級配比例Tab.2 The Graduation Ratio of Three Sands

按比例混合篩分計算，確定級配為A：15%，B：65%，C：20%為最優(yōu)級配，其級配符合混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，顆粒級配如圖1所示。

圖1 石英砂的顆粒級配Fig.1 The Grain Composition of Quartz Sand

2 試驗方法

2.1 灌漿料抗壓、抗折試驗［3］

本實驗依次加入水泥、快硬水泥、硅灰、膨脹劑，利用行星式膠砂攪拌機充分?jǐn)嚢杈鶆蛑笤賹p水劑和水加入攪拌，待均勻后再加入砂拌和至均勻。實驗?zāi)Ｐ统叽缡牵?0 mm×40 mm×160 mm；裝模時自然成型并養(yǎng)護：灌漿料防放置進模具后靜置24 h，隨即拆模，對試塊按照規(guī)范在標(biāo)準(zhǔn)條件下按規(guī)定齡期進行養(yǎng)護，完成后進行強度測試。

抗折強度：放置時應(yīng)將試件沿著實驗中澆筑的側(cè)面放入抗折實驗機，并讀取數(shù)值，轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的抗折強度，實驗結(jié)果取3 個試塊抗折強度的平均值，若有一個試塊的抗折強度高于平均值的±10%時，取剩余兩個抗折強度的平均值作為實驗結(jié)果，若有兩個試塊的抗折強度超過平均值的±10%時，應(yīng)重做實驗。

抗壓強度：將抗折實驗結(jié)束后的斷塊進行抗壓強度試驗，受壓面為試塊的側(cè)面，加載速率為2.0 kN/s±0.2 kN/s，直至試塊破壞。

折強度按下式計算：

式中：R 為抗壓強度（MPa）；P為試件破壞荷載（N）；A為試件受壓面積（m2）。

取6 個實驗結(jié)果的平均值作為試件的抗壓強度。

2.2 灌漿料流動度試驗

流動度測試方法：所用的儀器是高度為60 mm±0.5 mm，上口內(nèi)徑為70 mm±0.5 mm，下口內(nèi)徑為100 mm±0.5 mm，下口外徑為120mm 的截錐圓模。操作過程：首先將截錐形模相切，之后緩緩提拉起截錐圓，確保灌漿料能夠在玻璃板上無阻流動，分別用直尺測量玻璃板流動范圍內(nèi)灌漿料互相垂直方向直徑的最大值，取其均值視作灌漿料初始流動度。完成測量后靜置30 min，再次重新攪拌灌漿料并測其流動度，計作30min 流動度最終值。

2.3 豎向膨脹率計算

灌漿料還有一個極為重要的技術(shù)指標(biāo)：膨脹率。豎向膨脹率按下式計算：

實驗結(jié)果取3 個試件豎向膨脹率的算術(shù)平均值，計算結(jié)果精確至0.01。

3 膠凝材料配合比

3.1 膠凝材料正交試驗［4］

采用三因素（快硬鋁酸鹽水泥，膨脹劑，硅灰），三水平進行正交試驗，按膠砂強度標(biāo)準(zhǔn)制作試件，養(yǎng)護28 d，分別進行1 d、3 d、28 d 齡期抗壓強度試驗。因素水平如表3所示，抗折抗壓強度試驗結(jié)果如表4所示。

3.2 正交試驗數(shù)據(jù)分析處理［5］

采用方差齊性檢驗分析方法分別計算統(tǒng)計3 個齡期下各因素的K 值（K 為表4任意列水平號為i 時所對應(yīng)的實驗結(jié)果之和），極差R 值。。

表3 因素水平表Tab.3 The Factor Level of Orthogonal Experiment

表4 正交試驗方案及結(jié)果Tab.4 The Plan and Consequence of Orthogonal Experiment

從表4中看出：在 A，B，C 三個因素中，不論是1 d、3 d 還是 28 d 強度，B 因素的極差在同等天數(shù)強度三個因素中最大，其次是A 因素，最后是C 因素，說明膨脹劑用量對膠凝材料強度影響最為顯著。根據(jù)極差大小排列，有：B＞A＞C，可知三因素對膠凝材料1 d、3 d、28 d 抗壓強度影響由大到小排序均為：BAC。

綜合分析因素 A、B、C 對 1 d、3 d、28 d 強度的影響強度作用，最終選擇膠凝材料最佳配比為：B2A3C3。

4 膠砂比，水膠比和外加劑配比

水膠比和膠砂比的大小，將會極大影響著灌漿材料的強度，收縮及流動性。膠砂比較大時，在用水量相同，減水劑用量相同的條件下會減小其流動度，提高早期強度。同時伴隨著灌漿材料收縮的增加。隨著水膠比的增加，灌漿料的流動性增強，灌漿后的強度降低［6］（見表5～表6）。

實驗分別選取3 種梯度的水膠比和膠砂比，每組水膠比下對應(yīng)3 種膠砂比，外加劑含量通過試驗定為0.3%。分別分析在這些配比之下灌漿料的流動性，強度，豎向膨脹率，收縮率等相關(guān)試驗指標(biāo)，得出最佳性能的灌漿料配比［7］，分析如表7所示。

在不同的膠砂比和水膠比條件下，配置灌漿料測定其初始和30 min 流動度［8］，試驗中發(fā)現(xiàn)水膠比為0.36 的灌漿料泌水現(xiàn)象嚴(yán)重，泌水率為0.7%，遠(yuǎn)超規(guī)范要求，因此不予考慮。選取其余梯度制作膠砂條并進行相應(yīng)試驗。試驗抗壓強度變化規(guī)律如圖2所示，收縮率變化規(guī)律如圖3所示。

表5 抗壓強度K 值與方差R 統(tǒng)計Tab.5 Statistics of K Value and Variance R of Compressive Strength

表6 1d、3d、28d 方差齊性檢驗分析結(jié)果Tab.6 The Analysis Consequence of 1 Day，3 Day and 28 Days Homogeneity Test of Variance

5 結(jié)論

由實驗結(jié)果可知，隨著水膠比增加，灌漿料試塊抗折抗壓強度降低，流動性增大。

在相同水膠比情況下，隨著膠砂比的增大，灌漿料試塊抗折抗壓強度增加，流動性下降。在水膠比為0.34，膠砂比為1.2 的配比下，抗折抗壓強度高，流動性較大且在合理范圍內(nèi)。因此判定以水膠比0.34 和膠砂比1.2 的水泥基灌漿料為最佳配比，在此配比下，測得水泥基灌漿料的3h 豎向膨脹率0.05%，24h 與3h豎向膨脹率之差為0.08%，均在規(guī)范要求的范圍之內(nèi)，可以認(rèn)為在0.34 的水膠比，1.2 的膠砂比和0.3%的減水劑摻量下對應(yīng)下的配比為高性能水泥基灌漿料的最佳配比，在此配比下的水泥基灌漿料具有高抗折強度，高抗壓強度，較高的流動性，微膨脹的特點［9］。

本實驗通過正交試驗，結(jié)合方差分析等統(tǒng)計學(xué)［10］知識確定出具有高強度的膠凝材料最佳配合比，以此膠凝材料分別加入水、骨料、外加劑，對膠砂比和水膠比進行試驗分析，最終得出最佳膠砂比和水膠比配比從而制備具有新配方比例的高性能水泥基灌漿料。

表7 不同水膠比和膠砂比下抗折抗壓強度和流動度Tab.7 The Flexural and Compressive Strength and Fluidity in Different Water to Binder Ratio and Mortar Paste

圖2 不同膠砂比抗壓強度Fig.2 Different Mortar Paste Ratio Compressive Strength