高性能水泥基灌漿料的試驗(yàn)研究

□□ 滕 飛 (遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

引言

以水泥、礦物摻合料、骨料(或不含骨料)、外加劑等作為原材料，按照合理的配比進(jìn)行干混制備而成的水泥基灌漿料在當(dāng)今的建筑工程中應(yīng)用非常廣泛，其主要特點(diǎn)是具有高強(qiáng)度、可灌注流動(dòng)度、微膨脹等。影響水泥基灌漿料性能的因素很多，單就其組成材料來說，種類、性能就不盡相同，因此現(xiàn)以粉體聚羧酸高性能減水劑系的水泥基灌漿料為主要研究對(duì)象，通過性能試驗(yàn)結(jié)果來優(yōu)化各組分的配比，為該體系的水泥基灌漿料制備提供參考。

1 試驗(yàn)原材料

水泥：沈陽(yáng)冀東水泥有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5 MPa的普通硅酸鹽水泥；唐山北極熊建材有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級(jí)為42.5 MPa的快硬硫鋁酸鹽水泥，主要性能指標(biāo)見表1，主要礦物組成見表2。

礦物摻合料：沈陽(yáng)沈海熱電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰，化學(xué)成分見表3。

骨料：采用40～80目(180～380 μm)、100～120目(120～150 μm)二級(jí)配石英砂。

表1 水泥主要性能指標(biāo)

表2 水泥主要礦物組成 %

表3 粉煤灰化學(xué)成分 %

外加劑：減水劑為遼寧省建設(shè)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司自研納米改性粉體聚羧酸高性能減水劑，主要性能指標(biāo)見表4；膨脹劑為UEA。

2 性能測(cè)試方法及結(jié)果分析

流動(dòng)度測(cè)試方法按照GB/T 2419—2016《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試方法》進(jìn)行。強(qiáng)度測(cè)試方法按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，采用灌入成型代替振動(dòng)成型。

2.1 不同水膠比對(duì)灌漿料性能的影響

固定減水劑摻量為0.1%；膠砂比為1∶1.2；UEA摻量為10%(等量取代水泥)，僅用固定質(zhì)量的普通硅酸鹽水泥，通過改變水膠比來制備灌漿料，并對(duì)其進(jìn)行流動(dòng)度和強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

表4 粉體聚羧酸高性能減水劑主要性能指標(biāo)

圖1 不同水膠比的灌漿料流動(dòng)度

圖2 不同水膠比的灌漿料抗折強(qiáng)度

圖3 不同水膠比的灌漿料抗壓強(qiáng)度

由圖1可以看出，不同的水膠比對(duì)灌漿料的流動(dòng)度影響是比較明顯的，隨著用水量的增加，灌漿料的流動(dòng)度也隨之增加，而其30 min流動(dòng)度也基本符合該變化規(guī)律；除去水膠比為0.12時(shí)灌漿料流動(dòng)度較小(初始流動(dòng)度未超過300 mm)，以及水膠比為0.16時(shí)灌漿料出現(xiàn)泌水離析的情況外，水膠比在0.13～0.15時(shí)，灌漿料的流動(dòng)度均呈現(xiàn)較為理想的狀態(tài)。從圖2和圖3的試驗(yàn)結(jié)果來看，灌漿料的水膠比增加(即用水量增加)，會(huì)使其各齡期的強(qiáng)度逐漸下降，特別是對(duì)灌漿料早期強(qiáng)度影響尤為明顯。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來看，使用聚羧酸高性能減水劑制備的灌漿料工作性對(duì)用水量變化表現(xiàn)的較為敏感，在保證灌漿料具有良好工作性的前提下應(yīng)該盡量選擇適合水膠比范圍內(nèi)較小的水膠比，以確保灌漿料各齡期強(qiáng)度較高。因此，選用0.13的水膠比作為后續(xù)研究的固定條件之一。

2.2 不同摻量的粉煤灰對(duì)灌漿料性能的影響

在灌漿料中摻入一定量的粉煤灰可以改善其流動(dòng)性，提高灌漿料的可灌性；同時(shí)還能夠提高灌漿料的強(qiáng)度和抗化學(xué)腐蝕能力，降低泌水率和沉降作用，而且還能夠有效降低灌漿料硬化后的收縮[1-4]。在2.1試驗(yàn)研究所用配比的基礎(chǔ)上，選取水膠比為0.13，改變粉煤灰等量取代水泥的摻量，對(duì)所制備灌漿料的流動(dòng)度和強(qiáng)度性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 不同摻量粉煤灰的灌漿料流動(dòng)度

圖5 不同摻量粉煤灰的灌漿料抗折強(qiáng)度

圖6 不同摻量粉煤灰的灌漿料抗壓強(qiáng)度

從圖4可以看出，摻入粉煤灰能夠略微提升漿體的流動(dòng)度，隨著粉煤灰摻量的遞增，灌漿料的初始流動(dòng)度也隨之增加，但當(dāng)摻量10%以后，漿體的初始流動(dòng)度開始下降；而粉煤灰摻量的變化對(duì)灌漿料的30 min流動(dòng)度影響也大致如此，但效果不是很明顯。這是因?yàn)榉勖夯逸^水泥而言具有更多表面光滑的微小球體顆粒，這些球體顆粒發(fā)揮類似滾珠的作用，使?jié){體的流變性增加，但當(dāng)粉煤灰摻量增大后，其微集料填充效應(yīng)占據(jù)了主導(dǎo)地位，降低了滾珠效應(yīng)，因而此時(shí)漿體的流動(dòng)性能開始下降。

由圖5、圖6可以看出，隨著粉煤灰摻入量的增加，灌漿料7 d強(qiáng)度隨之升高，而1 d、3 d強(qiáng)度逐漸下降，28 d強(qiáng)度下降明顯。其中原因是由于粉煤灰較水泥的活性要小，等量取代摻入粉煤灰會(huì)降低整體膠凝材料的活性，減緩整個(gè)水化過程，導(dǎo)致灌漿料早期強(qiáng)度略有下降；而粉煤灰的加入?yún)s又可以在一定程度上改善膠凝材料的級(jí)配，發(fā)揮微集料填充作用，使其密實(shí)程度有所增加，但這一過程較為緩慢，到了7 d齡期的時(shí)候才能夠有一定的顯現(xiàn)，但到了28 d齡期時(shí)這一作用已經(jīng)不明顯了；粉煤灰取代了一部分水泥，使得水泥中發(fā)揮強(qiáng)度作用的水化產(chǎn)物總量下降，到了28 d齡期時(shí)整個(gè)膠凝材料結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度較低，表現(xiàn)為增加粉煤灰摻量會(huì)使灌漿料28 d強(qiáng)度下降明顯。綜合灌漿料流動(dòng)性能考慮，灌漿料摻入10%粉煤灰較為合適。

2.3 不同摻量的硫鋁酸鹽水泥對(duì)灌漿料性能的影響

在硅酸鹽水泥中采用等量取代的方式摻入硫鋁酸鹽水泥，在固定的條件下，即水膠比為0.13；膠砂比為1∶1.2；減水劑摻量為0.1%；FA摻量為10%；UEA摻量為10%；改變硫鋁酸鹽水泥的摻量，測(cè)試灌漿料初始流動(dòng)度、30 min流動(dòng)度及1 d、3 d、28 d強(qiáng)度，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 不同摻量硫鋁酸鹽水泥的灌漿料流動(dòng)度

圖8 不同摻量硫鋁酸鹽水泥的灌漿料抗折強(qiáng)度

圖9 不同摻量硫鋁酸鹽水泥的灌漿料抗壓強(qiáng)度

由圖7可以看出，隨著硫鋁酸鹽水泥的摻入量增加會(huì)導(dǎo)致灌漿料的流動(dòng)度下降，其中初始流動(dòng)度下降幅度較小，但是30 min流動(dòng)度下降十分明顯。這是由于硫鋁酸鹽水泥的主要礦物硫鋁酸鈣在水化過程的早期就能夠形成大量的鈣礬石和Al(OH)3凝膠；而C2S活性較高，也可以在較早期就形成水化硅酸鈣凝膠，這些物質(zhì)都會(huì)使得水泥失去流動(dòng)性，因此，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加就會(huì)逐漸使得灌漿料的膠凝材料水化速度加快，進(jìn)而降低了灌漿料的流動(dòng)度。

結(jié)合圖8和圖9來看，逐漸增加硫鋁酸鹽水泥的摻量，灌漿料的1 d強(qiáng)度和3 d強(qiáng)度也會(huì)隨之增加，且增幅較大，而其7 d強(qiáng)度增加減緩，28 d強(qiáng)度則變化不明顯，也就是說明硫鋁酸鹽水泥的摻入可以提高灌漿料的早期強(qiáng)度，這是由于硫鋁酸鹽水泥早期水化產(chǎn)物鈣礬石的數(shù)量較大，另一方面其晶體骨架中又會(huì)被同樣是早期生成的水化硅酸鈣和Al(OH)3凝膠填充而形成致密結(jié)構(gòu)的水泥石，因而提高了灌漿料早期的強(qiáng)度。

單從硫鋁酸鹽水泥摻量對(duì)灌漿料流動(dòng)度的影響或是其對(duì)灌漿料強(qiáng)度的影響來看，很難判斷其較優(yōu)摻量，但對(duì)比流動(dòng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，雖然加入硫鋁酸鹽水泥會(huì)降低灌漿料的流動(dòng)度，但是在保證灌漿料工作性的前提下，硫鋁酸鹽水泥摻量≯4%的時(shí)候，灌漿料的30 min流動(dòng)度保留率仍可以達(dá)到90%，再結(jié)合其可使灌漿料早期強(qiáng)度提高的特點(diǎn)，可以在硅酸鹽水泥中等量摻入≯4%的硫鋁酸鹽水泥。另一方面，制備灌漿料時(shí)若是使用剛生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，就會(huì)由于具有較強(qiáng)正電性的水泥顆粒吸附減水劑而導(dǎo)致減水劑作用下降；即使使用不是新生產(chǎn)的普硅水泥，較硫鋁酸鹽水泥而言，普硅水泥中含量較大的C3A也會(huì)吸附較多的還沒發(fā)揮作用的減水劑[5-6]。所以綜合比較可知，用復(fù)配水泥的方法來提高水泥基灌漿料的早期強(qiáng)度是可行的，可以進(jìn)一步擴(kuò)大水泥基灌漿料的應(yīng)用范圍。

3 結(jié)論

3.1 使用粉體聚羧酸高性能減水劑制備的灌漿料，其工作性對(duì)用水量反應(yīng)敏感，應(yīng)將水膠比控制在0.13～0.15的范圍內(nèi)，選取下限水膠比能夠使得灌漿料獲得較高的強(qiáng)度。

3.2 在灌漿料中摻入10%的粉煤灰，可使其流動(dòng)性有一定程度的提高，7 d強(qiáng)度增加，同時(shí)使灌漿料的生產(chǎn)成本降低。

3.3 采用復(fù)配普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥的方法可提高灌漿料的早期強(qiáng)度，間接增大減水劑效果；當(dāng)硫鋁酸鹽水泥等量取代普硅水泥≯4%時(shí)，灌漿料可以保持較為良好的工作性。