養(yǎng)護(hù)溫度對水泥基灌漿料強(qiáng)度發(fā)展影響研究

吳興杰

(滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000)

灌漿料作為一類常用的土木工程材料，被廣泛應(yīng)用于補(bǔ)強(qiáng)、加固、防水、鋼筋套筒連接等多種工程中.其中水泥基灌漿料由于強(qiáng)度高、耐久性好、污染小等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代注漿材料中受到極大的重視[1].水泥基灌漿料利用水泥作為主要膠凝材料制成灌漿材料，在注漿施工過程中一般要求溫度不得低于5 ℃，低溫(溫度低于5 ℃)及負(fù)溫(溫度低于0 ℃)環(huán)境會嚴(yán)重影響水泥基灌漿料的強(qiáng)度發(fā)展，從而影響灌漿效果.我國北方大部分地區(qū)冬季氣溫低，持續(xù)時間長，東北和西北部分寒冷地區(qū)低溫持續(xù)時間接近5 個月，青藏高原地區(qū)平均氣溫為(?6.9～?4) ℃[2].為應(yīng)對低負(fù)溫環(huán)境的不利影響，朱清華等[3]利用快硬水泥作為膠凝材料配制了低溫型灌漿料，發(fā)現(xiàn)灌漿料在較短時間內(nèi)能夠獲得較高的強(qiáng)度，但其凝結(jié)速度過快，允許注漿施工操作時間較短.王燕謀等[4]、董淑慧等[5]和謝松等[6]在普通硅酸鹽水泥的基礎(chǔ)上摻加硫鋁酸鹽水泥作為灌漿料的膠凝材料，發(fā)現(xiàn)在低溫環(huán)境下灌漿料抗壓強(qiáng)度有一定的增長，但增長幅度較小.馬正先等[7]在灌漿料中添加礦物摻合料，發(fā)現(xiàn)隨礦物摻合料摻量的增加，灌漿料抗壓和抗折強(qiáng)度都呈先增加后減小的趨勢.同時，很多學(xué)者針對低負(fù)溫環(huán)境下混凝土的物理力學(xué)性能進(jìn)行了深入的研究.Karag?l 等[8]對負(fù)溫環(huán)境下混凝土性能進(jìn)行了研究，探究了負(fù)溫環(huán)境下新拌混凝土的受凍機(jī)理與水泥的水化過程.Kotwa[9]針對負(fù)溫環(huán)境和預(yù)養(yǎng)時間2 個因素對新拌混凝土的影響進(jìn)行了研究.黃煜鑌等[10]研究了養(yǎng)護(hù)齡期和養(yǎng)護(hù)方式對混凝土力學(xué)性能影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)混凝土力學(xué)性能隨養(yǎng)護(hù)條件的改變發(fā)生變化.李治等[11]對高性能混凝土在不同溫度下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，研究其強(qiáng)度與耐久性.董淑慧等[12]針對負(fù)溫混凝土的微觀形貌與孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析其宏觀性能與早期養(yǎng)護(hù)溫度的關(guān)系.

從已有文獻(xiàn)可知，對于低負(fù)溫環(huán)境，很多學(xué)者從養(yǎng)護(hù)溫度出發(fā)對混凝土材料物理力學(xué)性能進(jìn)行了較多研究，但對于灌漿料則主要從改變其材料組成成分的角度進(jìn)行改性研究.對于低負(fù)溫環(huán)境下灌漿料物理力學(xué)性質(zhì)的研究，尤其是強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的研究還較少.本文從養(yǎng)護(hù)溫度的角度入手，分析不同養(yǎng)護(hù)溫度對不同齡期灌漿料抗壓和抗折強(qiáng)度的影響，尤其對低負(fù)溫環(huán)境下水泥基灌漿料的抗壓和抗折強(qiáng)度演化規(guī)律進(jìn)行了研究.

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)灌漿料采用滁州中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的M32.5 型水泥，與河砂和水進(jìn)行配制，其質(zhì)量配合比為水泥∶河砂∶水=1∶1∶0.56.根據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO 法)》[13](GB/T17671—1999)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，將灌漿料制作成40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體，并將其置于常溫(20 ℃)和低負(fù)溫(5，0，?5 和?10 ℃)環(huán)境中，利用養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行常溫養(yǎng)護(hù)，利用環(huán)境溫度箱進(jìn)行低負(fù)溫養(yǎng)護(hù).不同養(yǎng)護(hù)溫度的試樣見圖1.試樣養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期，利用抗壓抗折一體試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓和抗折試驗(yàn)，并分別測試了各齡期試樣的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度.

圖1 不同溫度養(yǎng)護(hù)成型試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 養(yǎng)護(hù)溫度對灌漿料抗壓強(qiáng)度影響

不同養(yǎng)護(hù)溫度(20，5，0，?5 和?10 ℃)下，灌漿料試樣抗壓強(qiáng)度隨齡期(1，3，5，7，14，21和28 d)的發(fā)展見圖2；相同齡期試樣抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度變化見圖3.

圖2 不同養(yǎng)護(hù)溫度下灌漿料抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

圖3 不同齡期灌漿料抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度變化

由圖2 可知，對于不同養(yǎng)護(hù)溫度下灌漿料試樣抗壓強(qiáng)度隨齡期增加均呈增長趨勢，且養(yǎng)護(hù)溫度越高，試樣最終獲得的抗壓強(qiáng)度越高.養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時，灌漿料試樣1 d 齡期時的抗壓強(qiáng)度為4.93 MPa，養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期時增長至19.86 MPa；養(yǎng)護(hù)溫度為?10 ℃時，灌漿料試樣1 d 齡期時的抗壓強(qiáng)度為1.06 MPa，養(yǎng)護(hù)至28 d 齡期時增長至3.96 MPa.同時還可知，灌漿料試樣的抗壓強(qiáng)度在前7 d 的增長幅度較快，?10～20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，其抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了28 d 齡期的57.07%，78.34%，62.80%，87.54%和58.91%.

在?5 和?10 ℃ 2 種養(yǎng)護(hù)溫度下，試樣抗壓強(qiáng)度明顯低于其他養(yǎng)護(hù)溫度.當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為0 ℃及以上時，灌漿料試樣中的拌合水全部或大部分以液態(tài)的形式存在于試樣中，有利于水泥的水化反應(yīng)，因而其強(qiáng)度較高；當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為?5 和?10 ℃時，試樣中的水結(jié)冰后以固態(tài)的形式存在于試樣中，能夠明顯降低水泥的水化反應(yīng)，試樣抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長較為緩慢.28 d 齡期時，?10 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下的試樣抗壓強(qiáng)度僅為20 ℃時的19.94%；同時，相比于?5 ℃，養(yǎng)護(hù)溫度為?10 ℃時，試樣中的水結(jié)冰更為充分，其水化過程更為緩慢，且水結(jié)冰后其體積膨脹又進(jìn)一步地?fù)p傷試樣.因此，在相同齡期下，養(yǎng)護(hù)溫度為?10 ℃時試樣的抗壓強(qiáng)度均略低于養(yǎng)護(hù)溫度為?5 ℃時的抗壓強(qiáng)度.

由圖3 可知，對于各養(yǎng)護(hù)齡期，養(yǎng)護(hù)溫度越高，灌漿料試樣抗壓強(qiáng)度越大；隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，養(yǎng)護(hù)溫度越高，抗壓強(qiáng)度增長幅度越大.當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為1 d 時，養(yǎng)護(hù)溫度從?10 ℃變化到20 ℃過程中，試樣抗壓強(qiáng)度從1.06 MPa 逐漸增加到4.93 MPa，最大值為最小值的4.65 倍；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 時，養(yǎng)護(hù)溫度從?10 ℃變化到20 ℃的過程中，試樣抗壓強(qiáng)度從3.96 MPa 逐漸增加到19.86 MPa，最大值為最小值的5.02 倍.

對于不同齡期試樣，能夠發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)溫度越高，其抗壓強(qiáng)度增長幅度越大，且隨著齡期的增長，這一變化趨勢更為明顯.對比20與5 ℃這2種養(yǎng)護(hù)溫度，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為1 d 時，20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度獲得的抗壓強(qiáng)度比5 ℃時大0.64 MPa；28 d 齡期時，20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度獲得的抗壓強(qiáng)度比5 ℃時大11.51 MPa.產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)楫?dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時，試樣的水化反應(yīng)比 5 ℃時更為迅速，相同齡期下試樣也能夠獲得更高的抗壓強(qiáng)度.隨著水泥水化的不斷發(fā)展，因養(yǎng)護(hù)溫度而導(dǎo)致的水泥水化程度差異越來越大，因此，隨養(yǎng)護(hù)齡期增長，20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下試樣抗壓強(qiáng)度增長幅度越明顯.

2.2 養(yǎng)護(hù)溫度對灌漿料抗折強(qiáng)度影響

對不同養(yǎng)護(hù)溫度下，不同齡期試樣進(jìn)行抗折試驗(yàn).圖4 為不同養(yǎng)護(hù)溫度下試樣抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律；圖5 為各養(yǎng)護(hù)齡期、不同養(yǎng)護(hù)溫度時試樣抗折強(qiáng)度對比.

圖4 不同養(yǎng)護(hù)溫度下灌漿料抗折強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

圖5 不同齡期灌漿料抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)溫度變化曲線

由圖4 可知，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加，不同養(yǎng)護(hù)溫度時試樣的抗折強(qiáng)度逐漸增長，且在20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，試樣的抗折強(qiáng)度最高，?10 ℃時最低.養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時，養(yǎng)護(hù)齡期從1 d 增長到28 d過程中，抗折強(qiáng)度從1.51 MPa 逐漸增加到4.45 MPa；養(yǎng)護(hù)溫度為?10 ℃、養(yǎng)護(hù)齡期為1 d 時，由于試樣抗折強(qiáng)度過低，未能測得抗折強(qiáng)度值；養(yǎng)護(hù)齡期從3 d 增長到28 d 過程中，試樣抗折強(qiáng)度從1.63 MPa 逐漸增長到2.73 MPa.還可以看出，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到5 d 以后，養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時的抗折強(qiáng)度明顯高于低負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下試樣的抗折強(qiáng)度，而各低負(fù)溫養(yǎng)護(hù)條件下，試樣的抗折強(qiáng)度相差不大.對比抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，抗折強(qiáng)度的增長對于養(yǎng)護(hù)溫度的要求更高；20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度時試樣抗折強(qiáng)度發(fā)展較快，5 ℃及以下養(yǎng)護(hù)溫度時，試樣抗折強(qiáng)度增長明顯減慢.

由圖5 可知，在各養(yǎng)護(hù)齡期，均呈現(xiàn)出養(yǎng)護(hù)溫度越高試樣抗折強(qiáng)度越大的變化趨勢；隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下試樣的抗折強(qiáng)度相比其他養(yǎng)護(hù)溫度時增長幅度越來越大.3 d 齡期時，20 ℃養(yǎng)護(hù)溫度達(dá)到的抗折強(qiáng)度是?10℃時的1.22 倍；養(yǎng)護(hù)齡期28 d 時，該比值達(dá)到1.63 倍.這說明隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，養(yǎng)護(hù)溫度越高越能夠促進(jìn)試樣抗折強(qiáng)度的增長.

3 結(jié)論

1)對于不同養(yǎng)護(hù)溫度，試樣抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而逐漸增加，且前7 d 養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度增長較快；養(yǎng)護(hù)溫度越高，隨養(yǎng)護(hù)齡期增加，抗壓強(qiáng)度增長幅度越大.

2)養(yǎng)護(hù)溫度為?5 和?10 ℃時，試樣的抗壓強(qiáng)度明顯小于其他養(yǎng)護(hù)溫度.造成這種現(xiàn)象的原因是試樣中的水凍結(jié)為冰導(dǎo)致的.一方面，水結(jié)冰降低了水泥的水化反應(yīng)；另一方面，水結(jié)冰后其體積膨脹損傷了試樣.

3)對于各養(yǎng)護(hù)溫度，試樣抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長均呈逐漸增加的趨勢.養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃時，試樣的抗折強(qiáng)度明顯高于其他養(yǎng)護(hù)溫度試樣的抗折強(qiáng)度；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，養(yǎng)護(hù)溫度越高，試樣抗折強(qiáng)度增長幅度越大.由此認(rèn)為，抗折強(qiáng)度的增長對養(yǎng)護(hù)溫度的要求更高.