新型高流動性注漿材料抗凍性能試驗研究

畢曉茜，孟咸明，于洋，張志軍，呂芳禮，王闖

（1.徐州工程學院 土木工程學院，江蘇 徐州 221000；2.徐州工潤建筑科技有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 引言

凍融破壞是影響材料耐久性的主要原因之一，相關調(diào)查顯示，超過50%的大型工程都受到不同程度的凍融破壞[1]。我國凍融破壞主要發(fā)生在東北地區(qū)，建筑物受到凍融破壞也最為嚴重。隨著新型注漿材料應用范圍的不斷擴展，對它的環(huán)境適應性提出了更高的要求。盡管新型注漿材料的性能已經(jīng)大大改進，但由于環(huán)境復雜惡劣，實際工程中的使用壽命往往與預期相差甚遠，不僅造成巨額的維護經(jīng)費，危害性更大的是有時還造成重大災害，危及人的生命安全。因此對注漿材料在特殊環(huán)境下性能穩(wěn)定性研究是十分必要的[2]。

新型注漿材料因其含水量高，相較于普通水泥基材料，凍融性能改良的需求更大，在現(xiàn)今對新型注漿材料抗凍融性能分析還在初級探索階段的情況下，新型注漿材料在凍融環(huán)境下的損傷機理尚不明了。能否通過實驗率先找到一種改良新型注漿材料抗凍融性能的途徑或者方法，成為制約新型注漿材料能否在凍融環(huán)境下得到推廣應用的關鍵。 本文通過研究水膠比對新型注漿材料凍融性能的影響和摻入引氣劑后注漿材料凍融性能的表現(xiàn)，旨在為進一步研究新型注漿材料凍融性能和耐久性提供一定的幫助[3]。

1 試驗內(nèi)容及方法

1.1 試驗材料和配比

新型高流動度注漿材料通常由甲料和乙料兩個部分組成，甲料由硫鋁酸鹽水泥燒結料、懸浮劑、緩凝劑和分散劑組成，乙料由石膏、石灰與復合速凝、早強劑和懸浮分散劑組成。

試驗配比見表1。

表1 試驗配比

表2 材料流動度

1.2 試塊制作和循環(huán)制度

拌制前，應將拌合鐵板、拌鏟、抹刀等工具表面用水潤濕，檢查拌和鐵板上是否有水存在。首先將稱量好的材料倒在拌和板上用拌鏟拌和至混合物顏色均勻為止。將混合物堆成堆，在中間作一凹坑，將稱好的水倒入凹坑中 ，慢慢拌和，逐次加水，仔細拌和均勻。每翻拌一次，需用鐵鏟將全部材料壓切一次。拌和應迅速高效，直至拌和物顏色均勻。之后將拌和好的材料裝入已刷油的三聯(lián)試模。裝模應迅速且盡量均勻密實。裝模后將試模放到振動臺上進行震動5～10秒，之后將試模拿下放至適宜位置。24 h后拆模將試塊編號放入養(yǎng)護箱進行標準養(yǎng)護。養(yǎng)護到7天齡期。

快速凍融為每8個小時進行兩次凍融循環(huán)。具體水膠比和凍融次數(shù)如下表3（凍融循環(huán)0次的為對照組），其中9組為對照組，每三組與經(jīng)過不同循環(huán)次數(shù)的試塊對照。另外9組每三組進行不同程度的凍融循環(huán)。水膠比1.0、1.5、2.0、2.5首字母分別為A、B、C、D，AK代表1.0水膠比未加入引氣劑的組。

表3 引氣劑指標

結合之前的試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，過高的水膠比材料表現(xiàn)的抗凍性能不理想，2.0水膠比的材料抗凍性能表現(xiàn)相對較好，因此引氣劑的添加因素只選取了2.0水膠比的材料作為對象，具體方案如下表，凍融循環(huán)制度與表3一致。

表4 凍融循環(huán)制度

1.3 試驗儀器

（1）KDS60型凍融試驗箱（該凍融試驗箱采取空氣中降溫凍結，升溫溶解的方法進行周期性的凍融試驗，一次設置能自動完成最多999次凍融循環(huán)試驗的功能）；（2）TYE-300C型壓力試驗機；（3）電子磅秤（感應量1g）；（4）壓力試驗機（精度1%）。

表5 引氣劑添加方案

1.4 試驗內(nèi)容

依據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ／T70-2009進行試驗。

首先應從養(yǎng)護箱內(nèi)取出試樣，進行外觀檢查并記錄原始狀況，隨后放入15-20℃的水中浸泡，浸泡水面應至少高出試樣頂面20 mm。凍融試樣應在浸泡兩天后取出，并用擰干的濕毛巾輕輕擦去表面的水分，之后對其進行編號、稱重，最后放入凍融試驗機進行相應條件的凍融，凍融溫度最低-5℃，最高20℃。對照試樣則放回養(yǎng)護箱繼續(xù)養(yǎng)護，直到完成凍融循環(huán)后與凍融試樣同時試壓。相應凍融結束后，將試樣從試驗機取出，用擰干的濕布輕輕擦去試樣表面的水分，之后稱重。對照試樣應提前2天從養(yǎng)護箱拿出浸水。之后計算凍融與未凍融試樣的質(zhì)量損失和強度損失，并對其他指標進行對比分析和觀測。

2 結果與討論

2.1 凍融對不同配比成品試塊的影響

（1）未加入引氣劑的試塊在受到不同程度凍融作用后的質(zhì)量和強度損失情況

圖2 凍融對不同水膠比材料強度影響情況

水膠比作為影響無機膠凝材料的主要因素，對新型高流動度注漿材料的影響也是十分巨大的[4]。不同水膠比的新型注漿材料，凍融前后的質(zhì)量損失隨凍融次數(shù)的增加而增加。從圖1可以看出，2.5水膠比的新型注漿材料在凍融過程中質(zhì)量損失最敏感，1.0水膠比的新型注漿材料的質(zhì)量損失隨著凍融的進行反應較不敏感。可見，水膠比在凍融過程中對材料質(zhì)量損失的影響是比較明確的。水膠比越大，凍融過程中強度和質(zhì)量損失率越高。但是，因為新型注漿材料的特點需要較高的水膠比保證，無限制地降低水膠比將失去研究的意義[5]。

從強度方面的影響進行分析，因強度的測定伴隨材料的破壞，因此，研究強度損失無法保證每次用到的試塊是同一試塊。即強度差在凍融前就已經(jīng)存在。排除個別問題，從實驗的整體數(shù)據(jù)上分析，在一定范圍內(nèi)，隨著水膠比的增加，強度的損失敏感性會增大。即水膠比越大，經(jīng)過同一凍融循環(huán)后，強度損失愈發(fā)劇烈。但從數(shù)據(jù)也可以看出，1.0水膠比的材料和1.5水膠比的材料在凍融循環(huán)后強度損失較為接近，且幅度較小，一旦水膠比繼續(xù)增加，強度損失就產(chǎn)生了指數(shù)倍的增加。原因主要是隨著水膠比增加，新型注漿材料的水化產(chǎn)物的濃度隨之降低，試塊的密實程度降低。試塊的毛細孔洞會增多，凍融循環(huán)作用會使之產(chǎn)生較多微小的裂紋。另外，隨著水膠比的增加，自由水比例更大。由結晶壓力學說解釋，結晶壓力直接引發(fā)體積的膨脹，造成試塊的強度降低[6-7]。

根據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》JGJ／T70-2009之規(guī)定，2.5水膠比材料在20次凍融后強度損失已經(jīng)超過了25%。因此在滿足材料基本特性的狀態(tài)下，合理的水膠比應該不超過2.5，應在2.0～2.5為宜[8]。

（2）加入引氣劑的試塊在受到不同程度凍融作用后的質(zhì)量和強度損失情況

從上述數(shù)據(jù)不難看出，加入引氣劑的量直接決定了凍融后試塊強度損失的大小，在一定凍融次數(shù)內(nèi)，加入0.05%的引氣劑時，對材料的凍融性能略有提升，10次凍融后強度損失減小。20次凍融循環(huán)后，加入0.05%的引起劑的材料的強度下降劇烈，反而不如未加入引氣劑的注漿材料結石體。但加入0.1%的引氣劑時，凍融性能最初出現(xiàn)了下降的情況，20次凍融后加入引氣劑的材料比未加入的強度高出了24.3%?？箖鲂阅芟陆祫×?。

圖3 不同摻量引氣劑凍融后的質(zhì)量損失率

圖4 不同摻量引氣劑凍融后的強度損失率

圖5 未添加和添加引氣劑后的微觀形貌

新型高流動度注漿材料是一種非均質(zhì)多相多尺度的復合材料，從以上圖像不難看出，引氣劑的加入增加了試塊的空隙[9]。右圖的黑色區(qū)域明顯較多。但是鈣礬石晶體的空間鏈接則依舊緊密，甚至有些部位變得更加緊密，雖然孔隙率的增加影響了材料的抗凍性能，但引氣劑加入后更加充分的水化反應則又提升了材料的部分抗凍性[10]。這與實際得到的實驗結果基本契合。

3 結語

本文從水膠比、凍融次數(shù)和引氣劑等方面，詳細分析了影響新型注漿材料凍融性能的因素，探索其影響因素的一般規(guī)律，觀測和記錄了影響因素對凍融前后結石體的微結構的影響，對新型注漿材料的凍融性能做了一次初探性的研究。

（1）水膠比是影響材料凍融性能的最關鍵因素。水膠比的增加伴隨流動度的增加。在滿足材料基本性能特點的前提下，存在一個水膠比的臨界點為較優(yōu)的凍融性能的水膠比。由本次實驗的數(shù)據(jù)得出，存在的抗凍融性能的較優(yōu)水膠比在2.0～2.5之間。

（2）同等水膠比的情況下，凍融循環(huán)次數(shù)越多，材料的強度和質(zhì)量損失越劇烈。2.5水膠比的新型注漿材料抗凍融循環(huán)的臨界次數(shù)在20次左右。與其他水泥基材料如混凝土相比，材料能抵抗的凍融循環(huán)次數(shù)較少。這與材料本身的含水量較高和骨料的缺失有較大的關系。

（3）摻入外加劑引氣劑，引氣劑的摻入改善了材料的孔洞分布，但隨之而來的孔洞增加，空隙中結晶凍脹加劇，也犧牲了結石體的部分強度?？傊?，微量地摻入引氣劑，對新型注漿材料前期的抗凍性能還是有所提升的。