基于緊密堆積理論水泥基灌漿料配合比研究

覃 森 沙吾列提·拜開依,2 仲 源

(1.新疆大學 建筑工程學院,烏魯木齊 830017;2.新疆建筑結(jié)構(gòu)與抗震重點實驗室(新疆大學),烏魯木齊 830017;3.新疆機場(集團)有限責任公司,烏魯木齊 830016)

高強水泥基灌漿料是一種具備高流態(tài)、強度高和微膨脹性的特殊水泥基灌漿料.高流態(tài)可減少施工難度且易于操作,高強度可以給予結(jié)構(gòu)可靠的安全保障,提高建筑的整體性,微膨脹性可以改善硬化后漿體干縮引起的裂縫及耐久性問題,降低灌漿料內(nèi)部孔隙率.灌漿料被廣泛應用于混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件缺陷部位的加固及修復[1]、設備基礎的二次灌漿、搶修搶建工程等領域,是結(jié)構(gòu)加固工程材料發(fā)展的新途徑.

Shannag等[2]利用普通硅酸鹽水泥為原料,摻入一定量的硅灰與火山灰復配高性能減水劑,達到了流動性、強度以及耐久性之間的平衡,制備出了抗壓強度高、抗硫酸鹽侵蝕好、體積收縮小的灌漿材料.Siong等[3]通過研究表明水膠比較小時使用粗砂級配的灌漿料后期強度高于使用細砂級配,且達到同樣的流動性時細砂需水量較高.徐長偉等[4]利用一升的容器對不同目數(shù)的石英砂進行堆積密度測量,最終試驗得出當石英砂的比例為20～40 目∶40～70 目=1∶0.798時,混合石英砂的堆積質(zhì)量達到最大.Schutter等[5]研究了不同類型砂的需水量變化,表明砂的類型對水泥基材料的工作性能有重要影響,砂的表觀干密度對于灌漿材料的需水量、流動性、抗壓強度等影響很大.J Mirza等[6]研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰可以在水泥顆粒之間進行填充,提高灌漿料的密實性,減少干燥收縮,但摻入過量的粉煤灰會使試件表面泛黑有損美觀,并影響灌漿料的強度.吳開勝等[7]研究發(fā)現(xiàn),采用最大粒徑小于2.0 mm、細度模數(shù)在2.2～2.4之間的石英砂作為鋼筋套筒灌漿料的細骨料,可以得到1 d強度42.1 MPa、3 d強度71.5 MPa、28 d強度可達到102.6 MPa的灌漿材料.

大量的研究表明：利用普通硅酸鹽水泥,摻入適宜的的外加劑與礦物摻和料,可以研發(fā)出流動性好、強度高、微膨脹的灌漿材料.高強度水泥基灌漿料在實際工程中需要有較高的流動性,并且對細骨料的最大粒徑有限制.目前在復合材料顆粒級配的研究中,水泥基材料級配的研究主要集中在對超細礦物摻合料對水泥的填充機理和作用的探究,對于細骨料顆粒級配的研究卻很少.因此本研究旨在利用緊密堆積理論對灌漿材料中細骨料進行設計,通過改變不同目數(shù)的石英砂和沙漠砂之間的比例,調(diào)整石英砂和沙漠砂的顆粒級配,研究不同級配的混合砂對灌漿料工作性能和力學性能的影響規(guī)律,通過試驗確定最趨近于緊密堆積曲線的級配,為今后的深入研究提供試驗基礎和參考意見.

1 試驗原材料與方法

1.1 試驗原材料

試驗中所用的水泥為新疆某水泥廠生產(chǎn)的P.O 42.5R 普通硅酸鹽水泥,細骨料是在烏魯木齊華凌市場采購的石英砂以及新疆托克遜地區(qū)的天然沙漠砂,其中石英砂的最大粒徑為2 mm,沙漠砂的最小粒徑為0.075 mm,減水劑是西安某廠家生產(chǎn)具有37%減水率的高性能聚羧酸系減水劑,消泡劑是DX-03 型有機硅消泡劑,膨脹劑采用UEA 和CSA 膨脹劑混合使用.

1.2 試驗方案設計

本研究采用Andreasen 方程與Dinger-Funk 方程對灌漿料細骨料顆粒級配進行優(yōu)化,探究不同堆積方式對水泥基灌漿料性能的影響.以不同比例的石英砂與沙漠砂進行混合,改變灌漿料混合骨料的顆粒級配后測試灌漿料的性能.水泥基灌漿料中的細骨料由6種粒徑(即10～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～120)的石英砂和沙漠砂構(gòu)成,研究方程優(yōu)化后不同分布模數(shù)下混合砂的變化規(guī)律.利用低水膠比凈漿包裹骨料的方法,以灌漿料的表觀密度、工作性能以及抗壓強度作為評價指標,最后通過對比試驗得出細骨料堆積結(jié)構(gòu)最密實顆粒級配下的分布模數(shù).

1.3 試驗檢測方法

1.3.1 表觀密度檢測

試驗稱取烘干試樣300 g,裝入盛有半瓶水的容量瓶,輕輕搖晃容量瓶,排出試樣中的氣泡,塞緊瓶塞；靜置24 h后,用膠頭滴管將容量瓶中的水加滿至刻度線,塞緊瓶塞,擦干瓶子外表水分,稱其質(zhì)量(m1).倒出瓶中的試樣以及水,將瓶子內(nèi)外清洗干凈,再向瓶中注水至刻度線,塞緊瓶塞,稱其質(zhì)量(m2).試驗溫度應在15～25℃的范圍內(nèi)進行,試樣加水至試驗結(jié)束其溫差不得超過2℃.表觀密度見公式(1).

式中：m0為試樣的烘干質(zhì)量；m1為試樣、水、容量瓶的總質(zhì)量；m2為水、容量瓶的總質(zhì)量；ρ為砂的表觀密度(kg/cm3)；αt為水溫對表觀密度影響的修正系數(shù)(g/cm3).

1.3.2 流動度檢測

試驗采用行星式膠砂攪拌機拌合水泥基材料,采用截錐圓模測量水泥基材料流動度,測試中測量漿體水平方向及垂直方向最大擴展度,取平均值作為初始流動值,自加水攪拌30 min后重新攪拌測量其流動度作為30 min保留值.

1.3.3 抗壓強度檢測

試驗試件采用40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體測量試件強度,養(yǎng)護至1、3、28 d后進行抗折強度、抗壓強度試驗.

2 緊密堆積理論

2.1 連續(xù)顆粒尺寸的分布與堆積—Andreasen方程

Andreasen方程(公式(2))是經(jīng)典連續(xù)顆粒尺寸堆積與分布理論方程,該方程的特點在于Andreasen認為一個系統(tǒng)內(nèi)大粒徑材料與小粒徑材料的比例是一個定值,即材料的緊密堆積形式總是相同的,并且該方程對最小粒徑?jīng)]有限制性要求,他認為最小顆粒的尺寸是無限小還是有限小對實驗的結(jié)果并無太大影響[8-9].

Andreasen根據(jù)試驗結(jié)果得出：方程中顆粒分布系數(shù)n的減小可以使得混凝土骨料實現(xiàn)更加緊密的堆積效果,孔隙率大幅下降.當顆粒分布系數(shù)n的取值位于0.33～0.5之間可以得到堆積效果最佳的試驗結(jié)果.

式中：VCPFT為篩孔徑為D時篩析通過量的累計體積比例(%)；DL為體系中最大顆粒的粒徑(μm)；D為各分級粒徑(μm)；n為顆粒分布系數(shù).

2.2 Dinger-Funk方程

在經(jīng)典的顆粒緊密堆積理論中,傳統(tǒng)上經(jīng)驗認為顆粒的粒徑范圍越廣,越容易滿足致密堆積對顆粒級配的要求.但Dinger和Funk考慮到骨料在真實狀態(tài)下的堆積情況,通過在分布中引入了有限最小顆粒尺寸[10],對Andreasen方程進行了修正,但是當最小顆粒尺寸接近無窮小時,兩者的公式又是相統(tǒng)一的[11],其顆粒分布符合公式(3).

式中：Ds為最小顆粒粒徑尺寸(μm).

該方程及相應的模型可計算顆粒的理論堆積率、水泥漿中的顆粒間距,從而達到調(diào)控顆粒材料的密實度,Dinger等通過計算機模擬得出,當分布模數(shù)為0.37時,球形連續(xù)分布的顆粒堆積密度最大[8],堆積體系可獲得最小的孔隙率.

分布系數(shù)n在0.4～0.7的范圍時,適用于粗粒徑比例較大的顆粒級配情況,n≤0.4時適用于細粒徑比例較大的顆粒級配情況.Hunger在文章中指出當n=0.22～0.25時可配制出細粒徑較多、流動性較好的自密實混凝土[9],n＜0.25時適用于富含微顆粒堆積的混凝土設計.王謙等通過試驗研究發(fā)現(xiàn)：按照Dinger-Funk方程設計混凝土配合比試驗,當分布模數(shù)n=0.37時,RPC(活性粉末混凝土)達到最緊密堆積狀態(tài),并且抗折強度和抗壓強度達到最高[12].

3 堆積模型結(jié)果與分析

3.1 Andreasen方程下n 對顆粒級配的影響

Andreasen方程優(yōu)化后的細骨料理論篩過率相較為離散,故分布模數(shù)的公差取0.05,其方程優(yōu)化后的理論篩過率見圖1,方程優(yōu)化后的實際表觀密度見表1.

表1 Andreasen方程優(yōu)化后細骨料的表觀密度

圖1 Andreasen方程優(yōu)化后細骨料的理論篩過率

在經(jīng)典的顆粒緊密堆積理論中,傳統(tǒng)經(jīng)驗認為顆粒的粒徑范圍越廣,越容易滿足致密堆積對顆粒級配的要求,而水泥基灌漿材料一般對骨料有最大粒徑的限制.由圖1可以看出,Andreasen方程優(yōu)化后的細骨料在0～0.125 mm 范圍內(nèi)顆粒細的砂子含量較高,曲線增長速度較快,這一范圍內(nèi)細骨料是由沙漠砂組成的,意味著該方程的特點是沙漠砂占總體砂子的比例較高,沙漠砂細度模數(shù)小、級配差,摻量過高會影響灌漿料的強度.當分布模數(shù)n=0.3時,沙漠砂占該分布模數(shù)計算下總體砂子的43.53%,但隨著分布模數(shù)的增大該粒徑范圍內(nèi)沙漠砂的含量占總體砂子的比例呈現(xiàn)遞減的現(xiàn)象,粗顆粒砂子的含量占總體砂子的比例呈現(xiàn)遞增現(xiàn)象,當分布模數(shù)n=0.65 時,10～20目石英砂占該分布模數(shù)計算下總體砂子的43.06%.

由表1可知,Andreasen方程優(yōu)化后細骨料的表觀密度隨著分布模數(shù)的增大而遞減,這是因為隨著細度模數(shù)n的增加,細粒徑砂所占質(zhì)量分數(shù)逐漸減少,粗粒徑砂所占質(zhì)量分數(shù)逐漸增加,故而表觀密度呈現(xiàn)不斷減小的趨勢.

3.2 Dinger-Funk方程下n 對顆粒級配的影響

Dinger-Funk方程優(yōu)化后的細骨料理論篩過率相較于Andreasen方程分布范圍較為窄,為了能夠進行較為準確的比較,Dinger-Funk分布模數(shù)的公差取0.02,其方程優(yōu)化后的理論篩過率如圖2所示,表觀密度見表2.

表2 Dinger-Funk方程優(yōu)化后細骨料的表觀密度

圖2 Dinger-Funk方程優(yōu)化后細骨料的理論篩過率

由圖2可以看出經(jīng)Dinger-Funk方程計算得出的細骨料整體分布較為集中,每組細骨料之間的占比存在著細微差異,但總體分布變化趨勢和Andreasen方程一致,隨著分布模數(shù)的增加曲線整體右移,出現(xiàn)細顆粒范圍內(nèi)砂的含量占總體砂的比例呈現(xiàn)遞減的現(xiàn)象.當分布模數(shù)n=0.33時,沙漠砂占該分布模數(shù)計算下總體砂子的9.39%,10～20目石英砂占該分布模數(shù)計算下總體砂子的37.58%；當n=0.47時,沙漠砂占該分布模數(shù)計算下總體砂子的7.37%,10～20目石英砂占該分布模數(shù)計算下總體砂子的42.54%.說明Dinger-Funk方程優(yōu)化后細粒徑砂子的含量較低,粗粒徑砂子的含量較高.

由表2可知,經(jīng)過Dinger-Funk方程優(yōu)化后的變化趨勢和Andreasen方程相同,隨著分布模數(shù)n的增加,粗顆粒砂的含量占總體砂的比例遞增,表觀密度呈現(xiàn)減小的趨勢.

4 緊密堆積理論設計水泥基灌漿材料配合比及驗證

上述內(nèi)容對依據(jù)緊密堆積理論計算的細骨料進行了表觀密度測試,接下來對優(yōu)化后的細骨料進行配合比設計.在高強度水泥基灌漿料配合比設計中,粗顆粒比例過大會造成灌漿料有害孔增多,級配不均勻,成型不密實,造成后期強度降低.細顆粒所占比例過大會造成漿體流動性差,且后期強度不高.因此粗細顆粒必須保持一定的比例才能使水泥基材料早中晚期強度達到有效的平衡,符合實際使用性能要求.

本試驗著重研究緊密堆積理論對灌漿料性能的影響,最終確定一個合適的理論模型以及分布模數(shù)對水泥基灌漿料進行設計.試驗采用水膠比0.28、膠砂比1∶1、減水劑0.8%、消泡劑0.06%、膨脹劑2%進行驗證.

4.1 Andreasen方程下n 對灌漿材料性質(zhì)的影響

Andreasen方程的特點是計算的結(jié)果會隨著骨料最大粒徑的改變?nèi)フ{(diào)整整個體系中各個粒徑含量的質(zhì)量分數(shù),使得理論計算結(jié)果更加符合小粒徑骨料對大粒徑骨料空隙的填充需求,進而形成一種相對密實的狀態(tài),試驗結(jié)果見表3.Andreasen方程對灌漿料流動性和抗壓強度的影響分別如圖3～4所示.

表3 Andreasen方程對灌漿料性能的影響

由圖3可知,水泥基灌漿材料的流動度隨著分布模數(shù)的增大呈現(xiàn)增大趨勢,且隨著分布模數(shù)的增大,細顆粒所占質(zhì)量分數(shù)也越來越大.當n=0.3時,新拌漿體流動性較差,漿液黏稠.此時細骨料體系中沙漠砂的含量占到整體的43.53%,大量的沙漠砂會占用較多的水泥漿液包裹自身,導致新拌漿體沒有足夠的水泥漿液去減少骨料之間的摩擦力,從而影響了新拌漿體的流動性能,而流動性越差,則會導致在攪拌過程中容易生成有害氣孔.這些有害氣孔在試件成型時會影響其抗壓強度.當n=0.65時,粗顆粒質(zhì)量分數(shù)過大,造成流動度下降,有害氣孔增多,造成后期強度降低.而在相同質(zhì)量下,砂越細,顆粒總表面積越大,需水量越大,導致新拌漿體的流動性越差；相比較細砂而言,粗砂級配的砂流動性更好.

圖3 Andreasen方程對灌漿料流動性的影響

當分布模數(shù)n在0.35～0.65范圍內(nèi)時,沙漠砂含量不斷減小,粗骨料所占質(zhì)量分數(shù)不斷增加,能有效改善灌漿料的流動性、和易性和黏聚性,其中無論初始流動度還是30 min后的流動度均能滿足規(guī)范要求,石英砂均勻地懸浮在水泥漿液中.但由于沙漠砂粒徑較小,摻量較高時會影響新拌砂漿的流動性能,適當?shù)纳衬皳搅靠梢蕴畛湓诖诸w粒的空隙間,使灌漿料內(nèi)部達到一種密實狀態(tài),在新拌灌漿料中起到滾珠的作用,有助于減小內(nèi)部摩擦力,提高灌漿材料的工作性能.

由圖4可知,抗壓強度受水膠比過大和沙漠砂摻量的影響較多.水膠比過大漿體在硬化的過程中就會有過多的自由水,這些水分在蒸發(fā)的過程中就會在漿體內(nèi)部留下許多孔隙,成型的試件不夠密實造成宏觀缺陷,導致抗壓強度降低.隨著分布模數(shù)的增加,沙漠砂的摻量逐漸減小,抗壓強度表現(xiàn)為先增大后減小.這是由于沙漠砂顆粒尺寸較小,表面較為圓滑,摻量過高時顆粒之間不能形成較為良好的咬合結(jié)構(gòu),導致優(yōu)化后的細骨料級配不良,造成試件抗壓強度降低.

圖4 Andreasen方程對灌漿料抗壓強度的影響

4.2 Dinger-Funk方程下n 對灌漿料性質(zhì)的影響

根據(jù)試驗探索和文獻研究確定了分布模數(shù)的范圍,當n=0.33～0.47 時,試驗結(jié)果見表4,Dinger-Funk方程對水泥基材料流動性的影響如圖5所示,Dinger-Funk方程對水泥基材料抗壓強度的影響如圖6所示.

圖6 Dinger-Funk方程對灌漿料抗壓強度的影響

表4 Dinger-Funk方程對灌漿料性能的影響

圖5 Dinger-Funk方程對灌漿料流動性的影響

由圖5可知,水泥基灌漿材料的流動度隨分布模數(shù)的增大呈現(xiàn)遞減趨勢.當分布模數(shù)在0.33～0.41之間時,灌漿料的和易性較好,漿體倒出后能夠在玻璃板上形成一個均勻的圓餅,無離析泌水現(xiàn)象.當分布模數(shù)n≥0.43時,灌漿料黏稠,流動性變差,因為石英砂是機制砂,比起圓滑的河砂,棱角分明的石英砂之間的摩擦力較大,隨著分布模數(shù)的增大,粗粒徑砂子的比例上升細粒徑砂子的比例下降,骨料之間的摩擦力隨之增大,流動性變差.

由圖6可知,由Dinger-Funk方程優(yōu)化后灌漿料的抗壓強度比Andreasen方程優(yōu)化后的灌漿料抗壓強度有明顯提升,其中灌漿料1 d的抗壓強度基本達到50 MPa以上.當分布模數(shù)n=0.37時,該組試驗的抗壓強度高于其他試驗組,其中3 d抗壓強度為59.8 MPa,28 d抗壓強度為79.4 MPa.通過本節(jié)試驗可以確定在滿足套筒灌漿料流動性的前提下,Dinger-Funk方程優(yōu)化后灌漿材料的抗壓強度明顯高于Andreasen方程優(yōu)化后灌漿料的抗壓強度,當分布模數(shù)n=0.37時,Dinger-Funk方程優(yōu)化后灌漿料的抗壓強度表現(xiàn)最優(yōu).

5 水泥基灌漿料配合比設計

灌漿料配合比設計中水膠比對灌漿料性能的影響至關重要,水膠比過大雖然可以使灌漿料具有較好的流動性,但是在很大程度上影響灌漿料的強度和耐久性；過小的水膠比則會導致新拌漿體流動性變差,灌入試模中時難以成型,且規(guī)范要求不能振搗,故灌漿料試件硬化后內(nèi)部孔隙率較大.

試驗中采用水膠比為0.24～0.28進行灌漿料配合比設計,通過改變水膠比快速實現(xiàn)灌漿料配合比的設計優(yōu)化.不同水膠比試驗結(jié)果見表5,水膠比對灌漿料流動性的影響如圖7所示,水膠比對灌漿料抗壓強度的影響如圖8所示.

圖8 水膠比對灌漿料抗壓強度的影響

表5 水膠比對灌漿料性能的影響

由圖7可知,套筒灌漿料的流動度隨水膠比的減小呈現(xiàn)遞減趨勢,當水膠比在0.26～0.28之間時,灌漿料的工作性能表現(xiàn)良好,且均滿足《水泥基灌漿材料應用技術規(guī)范》[13]要求,當水膠比＜0.26 時,30 min流動度與初始流動度的差值變大,且初始流動度和30 min流動度已不滿足國家規(guī)范的要求,在水膠比減小的過程中漿體開始變得粘稠、和易性變差,并且氣泡消失速度變慢,拆模后試件表面的孔隙以及缺陷也相應增多,對表觀質(zhì)量造成不利影響,嚴重時會影響灌漿料的施工質(zhì)量.

由圖8可知,灌漿料各齡期的抗壓強度和水膠比呈反比,隨著水膠比的減小套筒灌漿料各齡期的抗壓強度呈上升趨勢,當水膠比為0.24～0.28時,其1 d、3 d、28 d抗壓強度均滿足規(guī)范要求,抗壓強度和之前試驗組相對比也有較為明顯的提升.

6 結(jié)論

本文基于緊密堆積理論,研究了不同的堆積方程下灌漿料的力學性能,得出以下結(jié)論：

1)根據(jù)對Andreasen方程和Dinger-Funk 方程致密堆積模型進行研究,在使用緊密堆積理論時,模型的分布系數(shù)n對顆粒級配分布有較大的影響,且高性能水泥基材料與傳統(tǒng)的混凝土相比,具有較高的流動性能和抗壓強度.

2)Andreasen方程優(yōu)化后的套筒灌漿料配合比中沙漠砂含量過高,細骨料級配較差,抗壓強度低；而經(jīng)Dinger-Funk方程優(yōu)化后的灌漿料的強度表現(xiàn)最優(yōu),且當分布模數(shù)n=0.37時,顆粒級配良好且成型密實.

3)以砂為骨架的顆粒堆積中,粗顆粒所占的比例和分布影響水泥基灌漿料的宏觀性能,砂子越粗,水泥基后期力學性能越優(yōu).

4)根據(jù)緊密堆積理論對高性能水泥基材料的研究,經(jīng)過Dinger-Funk模型優(yōu)化的水泥基配合比具有良好的工作性能和力學性能,可快速實現(xiàn)水泥基灌漿材料的配合比設計優(yōu)化.