低溫灌漿料工作性影響因素試驗研究

薛傳琦，李志新，車萬通

(黑龍江省龍建路橋第五有限公司，黑龍江 哈爾濱 150070)

1 低溫灌漿料的原材料與制備

1.1 引言

由于各地區(qū)原材料不同，施工環(huán)境不同，導(dǎo)致灌漿料的配合比與制備方法在各地域也不相同。本文基于本地原材料，模擬低溫環(huán)境，應(yīng)用致密堆積理論，結(jié)合經(jīng)驗類比法確定灌漿料的配合比和制備方法。

1.2 原材料的選用

(1)原材料的選擇

由于灌漿料要以高強(qiáng)度材料作為骨料，以水泥作為膠凝材料，要具有自流性好、早強(qiáng)、高強(qiáng)、無收縮、微膨脹等特點。因此灌漿料原材料的選用有一定要求。要使用高強(qiáng)度水泥，聚羧酸減水劑以及高效減水劑防凍劑。

(2)原材料的性質(zhì)和參數(shù)

①硅酸鹽水泥

選用P·O52.5普通硅酸鹽水泥，其性能和化學(xué)成分見表1、表2。

表1 硅酸鹽水泥性能

表2 硅酸鹽水泥的化學(xué)成分

②硫鋁酸鹽水泥

硫鋁酸鹽水泥主要是以無水硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為主要礦物組成的新型水泥。其化學(xué)成分與礦物見表3。

表3 硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)成分與礦物

③砂子

砂子，是用1.18 mm口徑篩子篩出的，用于增強(qiáng)水泥的水化作用。

表4 1.18 mm孔徑砂的顆粒級配表

④膨脹劑

可以通過理化反應(yīng)引起體積膨脹的材料。

⑤硼砂

硼砂即四硼酸鈉，是非常重要的含硼礦物及硼化合物。通常為含有無色晶體的白色粉末，易溶于水。本實驗硼砂含量Na2B4O7·10H2O不少于99.57%。

⑥石膏

石膏是單晶體系礦物，是主要化學(xué)成分為硫酸鈣的水合物。本試驗用的是無水石膏即無水硫酸鈣，分子式CaSO4含量不少于97.0%。

⑦減水劑

減水劑的使用能減少混凝土的拌合用水量，所以會選用減水劑來降低對灌漿料流動性影響。

試驗選用黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院提供的聚羧酸系高性能減水劑(粉體)，其參數(shù)見表5。

表5 聚羧酸減水劑(粉體)

⑧防凍劑

根據(jù)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC475-2004(代替JC/T475-1992)防凍劑定義：能讓混凝土在負(fù)溫下硬化，并在規(guī)定養(yǎng)護(hù)條件下達(dá)到預(yù)期性能與足夠防凍強(qiáng)度的外加劑。它是一種能在低溫下防止物料中水分結(jié)冰的物質(zhì)。

1.3 制備設(shè)備、攪拌工藝

(1)灌漿料的制備設(shè)備

灌漿料的主要制備設(shè)備有2種。

JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)，主要規(guī)格及技術(shù)參數(shù)：

①攪拌葉自轉(zhuǎn)時速度為285±10 140±5(r/min)，公轉(zhuǎn)時速度為125±1 062±5(r/min)。

②攪拌葉寬度135 mm。

③攪拌鍋容積5L，壁厚1.5 mm。

④攪拌葉與攪拌鍋之間的工作間隙為3±1 mm。

⑤外形尺寸：長×寬×高為600×320×660(mm)

b截錐圓模，上口內(nèi)徑70 mm±0.5 mm，下口內(nèi)徑100 mm±0.5 mm，高度60 mm±0.5 mm。

(2)灌漿料制備的攪拌工藝

①稱取原材料，精確至5 g；用水量精確至1 g。

②用濕潤的毛巾把攪拌鍋和攪拌葉濕潤一下，不能在上面出現(xiàn)明水。將普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、膨脹劑、石膏、水和減水劑加入攪拌器中，先緩慢攪拌，攪拌成漿體后加速攪拌3 min，攪拌均勻。(添加減水劑是應(yīng)注意勿使粉劑散落鍋外)。

③所有的膠凝材料成漿狀流動后加入砂子，攪拌3 min。最后根據(jù)混合物的工作性能出料。

1.4 試驗操作

(1)灌漿料流動性試驗操作

①提前把玻璃板和測量用的截錐圓模的內(nèi)壁用毛巾濕潤，但是不能在上面出現(xiàn)明水。然后把截錐圓模放到玻璃板的中間位置再進(jìn)行測量。

②把水泥基灌漿料倒入截錐圓模里，倒?jié)M直到與上口水平；緩緩提起截錐圓模，讓灌漿料在無影響情況下自由流動直到靜止。

③量出灌漿料流動到最大時，灌漿料的直徑及和它垂直方向的直徑，將兩組數(shù)據(jù)記錄并計算平均值，要求精確到1 mm，作為灌漿料流動度測量的初始值；

④將玻璃板上的灌漿料裝進(jìn)攪拌鍋內(nèi)，從加水?dāng)嚢栝_始計時，30 min時把攪拌鍋里的灌漿料重新試驗，測出的結(jié)果為流動度的30 min保留值。

2 膠凝材料對灌漿料流動性影響試驗研究

2.1 水泥品種摻量對灌漿料流動性影響

(1)試驗參數(shù)

為研究灌漿料流動性，根據(jù)水泥品種摻量不同，進(jìn)行了共五組不同配合比試驗。具體參數(shù)見表6。

表6 不同硫鋁酸鹽水泥摻量灌漿料配合比設(shè)計方案(單位：g)

(2)試驗與分析

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，測量流動性灌漿料在無影響情況下自由流動直到靜止。量出灌漿料流動最大直徑及和它垂直方向的直徑，記錄初始值和30 min時的值。具體試驗結(jié)果流動度(流動性的一種量度)如表7所示。

表7 流動度(單位：mm)

由表7可知，本實驗所測得的初始流動度在310 mm到260 mm之間，30 min時的流動度只有第一組還存在，二到四組基本失去流動度。

根據(jù)水泥摻量對灌漿料流動性影響測得的灌漿料流動度，計算平均值繪制圖表，如圖1所示。

圖1 水泥品種摻量對灌漿料流動性的影響

普通硅酸鹽水泥存在著配制灌漿料所不允許的缺點：凝結(jié)時間長、早期強(qiáng)度較低，很難都符合灌漿的要求。而硫鋁酸鹽水泥則有早凝，早強(qiáng)的特點，與普通硅酸鹽水泥復(fù)合使用，灌漿料性能可以提高。

由實驗數(shù)據(jù)得出：硫鋁酸鹽水泥摻量增加，會降低灌漿料流動性；灌漿料的初始流動度只是逐漸降低，而30 min后的流動度，當(dāng)硫鋁酸鹽水泥摻量達(dá)到20%時，基本失去。

2.2 膠砂比對灌漿料流動性影響

(1)試驗參數(shù)

為研究灌漿料流動性，根據(jù)膠砂比不同，進(jìn)行了共五組不同配合比試驗。具體參數(shù)見表8。

表8 不同膠砂比灌漿料配合比設(shè)計方案(單位：g)

(2)實驗與分析

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，測量流動性灌漿料在無影響情況下自由流動直到靜止。量出灌漿料流動最大直徑及和它垂直方向的直徑，記錄初始值和30 min時的值。具體試驗結(jié)果如表9所示。

表9 流動度(單位：mm)

由表9可知，本實驗所測得的初始流動度在230 mm到302 mm之間，30 min時的流動度第一組基本失去流動度。

根據(jù)膠砂比對灌漿料流動性影響測得的灌漿料流動度，計算平均值繪制圖表，如圖2所示。

圖2 膠砂比對灌漿料流動性的影響

在膠砂比試驗中，可以由表9直觀的看出隨著膠砂比增大，流動度增大。當(dāng)膠砂比為1.0/0.90時，30 min時基本失去流動性，當(dāng)膠砂比為1.0/0.70時，流動度最優(yōu)，灌漿料的狀態(tài)最佳。

2.3 水膠比對灌漿料流動性影響

(1)試驗參數(shù)

為研究灌漿料流動性，根據(jù)水膠比不同，進(jìn)行了共五組不同配合比試驗。具體參數(shù)見表10。

表10 不同水膠比灌漿料配合比設(shè)計方案(單位：g)

(2)實驗與分析

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，測量流動性灌漿料在無影響情況下自由流動直到靜止。量出灌漿料流動最大直徑及和它垂直方向的直徑，記錄初始值和30 min時的值。具體試驗結(jié)果如表11所示。

表11 流動度(單位：mm)

由表11可知，本實驗所測得的初始流動度在290 mm到360 mm之間，初始流動度都較好，而30 min時的流動度第一組、第二組流動度較小。

根據(jù)水膠比對灌漿料流動性影響測得的灌漿料流動度，計算平均值繪制圖表，如圖3所示。

圖3 水膠比對灌漿料流動性的影響

相關(guān)研究表明，水膠比小，水泥漿少，導(dǎo)致灌漿料沒有良好的流動性。在本試驗中，水膠比為0.24時，灌漿料的流動性不好，整個漿體變現(xiàn)為粘稠的狀態(tài)。隨著水膠比增大，流動性明顯增大，在水膠比為0.30時，流行性達(dá)到最好，漿體倒出后在玻璃板上呈現(xiàn)出一個均勻的圓餅形狀。由圖7能夠看出，水膠比與灌漿料流動度成正比，且水膠比越大，初始流動度和30 min流動度之間的損失越小。

3 外加劑對灌漿料流動性影響試驗研究

3.1 減水劑對灌漿料流動性影響

(1)試驗參數(shù)

為研究灌漿料流動性，根據(jù)減水劑用量不同，進(jìn)行了共四組不同配合比試驗。具體參數(shù)見表12。

表12 不同減水劑用量灌漿料配合比設(shè)計方案(單位：g)

(2)試驗與分析

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，測量流動性灌漿料在無影響情況下自由流動直到靜止。量出灌漿料流動最大直徑及和它垂直方向的直徑，記錄初始值和30 min時的值。具體試驗結(jié)果如表13所示。

表13 流動度(單位：mm)

由表13可知，本實驗所測得的流動度出現(xiàn)兩種狀態(tài)，在減水劑加入少于等于1‰時灌漿料沒有流動性。當(dāng)減水都到千分之三時流動性已經(jīng)達(dá)到較好狀態(tài)。

根據(jù)減水劑用量不同對灌漿料流動性影響測得的灌漿料流動度，計算平均值繪制圖表，如圖4所示。

圖4 減水劑用量對灌漿料流動性的影響

減水劑的性能對水泥砂漿的加水率、流動度有很大作用，本試驗采用的是聚羧酸類減水劑。

由表13可以看出減水劑用量過小，灌漿料失去流動性；水的摻量不變時，減水劑對流動性起到絕對的影響，當(dāng)減水劑用量小于千分之三時灌漿料基本沒流動性，隨著減水劑摻量增加，灌漿料流動性增大，而且增大趨勢明顯。

3.2 膨脹劑對灌漿料流動性的影響

(1)試驗參數(shù)

為研究灌漿料流動性，根據(jù)膨脹劑用量不同，進(jìn)行了共五組不同配合比試驗。具體參數(shù)見表14。

表14 不同膨脹劑用量灌漿料配合比設(shè)計方案(單位：g)

(2)試驗與分析

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，測量流動性灌漿料在無影響情況下自由流動直到靜止。量出灌漿料流動最大直徑及和它垂直方向的直徑，記錄初始值和30 min時的值。具體試驗結(jié)果如表15所示。

表15 流動度(單位：mm)

由表15可知，本實驗所測得的初始流動度在320 mm到299 mm之間，30 min時的流動度在311 mm到297 mm之間，流動度的處于上下浮動。

根據(jù)膨脹劑用量不同對灌漿料流動性影響測得的灌漿料流動度，計算平均值繪制圖表，如圖5所示。

圖5 膨脹劑用量對灌漿料流動性的影響

由圖5可以分析：灌漿料的流動度隨膨脹劑用量的增加在一定范圍內(nèi)出現(xiàn)上下浮動，但浮動的范圍不是很大，這樣可以分析出膨脹劑對灌漿料的流動性還是影響很小的。

3.3 防凍劑對灌漿料流動性影響

(1)試驗參數(shù)

為研究灌漿料流動性，根據(jù)防凍劑劑用量不同，進(jìn)行了共四組不同配合比試驗。具體參數(shù)見表16。

表16 不同防凍劑用量灌漿料配合比設(shè)計方案(單位：g)

(2)試驗與分析

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，測量流動性灌漿料在無影響情況下自由流動直到靜止。量出灌漿料流動最大直徑及和它垂直方向的直徑，記錄初始值和30 min時的值。具體試驗結(jié)果如表17所示。

表17 流動度(單位：mm)

由表17可知，本實驗所測得的初始流動度前三組處于遞增第四組略微降低，30 min時的流動度呈遞增趨勢。

根據(jù)防凍劑用量不同對灌漿料流動性影響測得的灌漿料流動度，計算平均值繪制圖表，如圖6所示。

圖6 防凍劑用量對灌漿料流動性的影響

當(dāng)溫度降低，達(dá)到灌漿料冰點時，漿體中的水會出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象。加入防凍劑后，由灌漿料漿體的冰點下降，灌漿料漿體中水未全部結(jié)冰，這樣可以保證水泥的水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，降低溫度對水化過程的影響。

由圖6分析，防凍劑用量增加，在-5 ℃的環(huán)境中試驗，灌漿料初始流動度在第四組出現(xiàn)小幅波動，前三組呈增加趨勢，但30 min后的流動度一直在增加。

4 溫度對灌漿料流動性影響試驗研究

4.1 試驗參數(shù)

為研究灌漿料流動性，根據(jù)溫度不同，進(jìn)行了共四組不同配合比試驗。具體參數(shù)見表18。

表18 不同溫度灌漿料配合比設(shè)計方案(單位：g)

4.2 試驗與分析

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，測量流動性灌漿料在不同環(huán)境溫度，無外界影響情況下自由流動直到靜止。量出灌漿料流動最大直徑及和它垂直方向的直徑，記錄初始值和30 min時的值。具體試驗結(jié)果如表19所示。

由表19可知，本實驗所測得的初始流動度和30 min時的流動度都呈遞增趨勢。

表19 流動度(單位：mm)

根據(jù)溫度不同對灌漿料流動性影響測得的灌漿料流動度，計算平均值繪制圖表，如圖7所示。

圖7 溫度對灌漿料流動性的影響

由圖10看出，溫度對灌漿料流動性的影響較大，在其他摻量一定時，灌漿料流動性隨環(huán)境溫度降低而增大。在低溫環(huán)境下灌漿料初始流動性與30 min后的流動度相差不是很大。

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

(1)灌漿料的流動性隨著水泥摻量中硫鋁酸鹽水泥摻量的增加而減小。

(2)隨著膠砂比的增大，灌漿料流動性增大，當(dāng)膠砂比達(dá)到1.0/0.70時流動度最優(yōu)。

(3)水膠比與灌漿料流動度成正比，達(dá)到0.30時流動度最優(yōu)。

(4)減水劑對灌漿料流動度有很大的影響，減水劑用量增加灌漿料流動度增加。

(5)膨脹劑對灌漿料的流動性基本無影響。

(6)低溫環(huán)境下流動度會比標(biāo)溫環(huán)境下流動度要好。灌漿料流動度隨溫度降低而增大。

5.2 展望

通過對灌漿料流動度的試驗研究，得到了大量的試驗數(shù)據(jù)與理論成果，為了促進(jìn)低溫灌漿料的深入發(fā)展，使低溫灌漿料能更早成熟的運(yùn)用到施工中去，還需要進(jìn)行更全面的研究：

(1)由于試驗過程中存在著一定的誤差，一定程度上影響了對灌漿料流動度的研究，試驗環(huán)境不穩(wěn)定，試驗儀器操作的熟練程度需要增加，數(shù)據(jù)也不夠達(dá)到很精確，希望以后的試驗?zāi)芨晟啤?/p>

(2)本研究未加入硅灰，由于硅灰質(zhì)量輕提高整體的密實度和強(qiáng)度，L.G.Baltazar等研究表明硅灰對漿體流動度有促進(jìn)作用。硅灰表面覆蓋了一層表面活性物質(zhì)，這種活性物質(zhì)使顆粒間的靜電斥力大于硅灰顆粒之間的凝聚力，使水泥顆粒進(jìn)一步分散。由于水泥顆粒的粒徑遠(yuǎn)大于硅灰的粒徑，所以硅灰在水泥之間起到了潤滑作用。以上兩點原因都增加了水泥漿體的流動度。