硫鋁酸鹽水泥在灌漿料中的應(yīng)用研究

汪宣乾 章 鵬

（華新水泥股份有限公司，湖北 武漢430000）

0 引言

灌漿作為水泥混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)加固最廣泛的工藝之一，其灌漿材料的選擇成為灌漿工藝的核心所在。灌漿料應(yīng)具備流動性良好、凝結(jié)迅速、早期強(qiáng)度高以及后期強(qiáng)度穩(wěn)定等特點(diǎn)。高性能水泥基灌漿料主要由水泥、細(xì)集料、水以及實(shí)現(xiàn)某種功能而加入的外加劑或摻合料按一定比例配制，經(jīng)攪拌后澆筑無需振搗便可自由流變并達(dá)到均勻密實(shí)狀態(tài)的灌漿材料，常被用于大中型設(shè)備的二次灌漿、建筑結(jié)構(gòu)加固或工程緊急搶修等領(lǐng)域[1-3]。

本文以硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料，探討Li2CO3、Ca(NO2)2、超細(xì)CaCO3粉、硅灰和可再分散膠粉等外加劑對其性能的影響，以尋找一種或配制一種外加劑來制備一種凝結(jié)快、早期強(qiáng)度高、工作性能好和后期強(qiáng)度穩(wěn)定的硫鋁酸鹽水泥基灌漿料，使之更好地服務(wù)于灌漿工程。

1 理想的灌漿材料應(yīng)具備的特征

理想的灌漿材料應(yīng)具備以下幾個特征∶（1）較高的流動性，保水性能好，利于泵送灌漿操作；（2）凝結(jié)硬化時間要短，初終凝間隔時間小，利于提高施工作業(yè)效率；（3）早期強(qiáng)度高，且后期強(qiáng)度持續(xù)增長；（4）更小的收縮和更好的耐久性；（5）廢料少，無毒性，使用方便，安全環(huán)保[4]。

因此，工作性能好、快硬早強(qiáng)且后期強(qiáng)度穩(wěn)定的灌漿材料是灌漿工程的首要選擇。而硫鋁酸鹽水泥具有早期強(qiáng)度高、抗?jié)B抗凍性能優(yōu)良、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，是制備該類灌漿材料的理想膠凝材料[4、5]，但其初終凝時間難以調(diào)節(jié)、后期強(qiáng)度出現(xiàn)倒縮現(xiàn)象，若直接用于灌漿施工會削弱實(shí)際灌漿效果，因此，通過外加組分來調(diào)控硫鋁酸鹽水泥的性能，以解決上述問題。目前，國內(nèi)外不少學(xué)者對硫鋁酸鹽水泥基灌漿材料的配制、機(jī)理和性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究：Krishnamoorthy研究了水泥基灌漿料的流動性、強(qiáng)度、收縮以及耐久性；Huang研究了含有有機(jī)纖維的水泥-粉煤灰灌漿料的力學(xué)性能和耐久性；戴民等研究了硅灰、雙飛粉和輕質(zhì)碳酸鈣等礦物摻合料對硫鋁酸鹽水泥基灌漿料性能的影響[6-8]。

2 外加劑對硫鋁酸鹽水泥性能的影響試驗(yàn)

2.1 水泥基灌漿料的原材料及配比

硫鋁酸鹽水泥：化學(xué)組成見表1；砂：普通河砂；減水劑：奈系高效減水劑；碳酸鋰：工業(yè)級別；亞硝酸鈣：工業(yè)級別；超細(xì)CaCO3粉：工業(yè)級別，平均粒徑3μm；硅灰：平均粒徑80nm；可再分散膠粉：固含量大于98%。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥的化學(xué)組成（單位：%）

2.2 試驗(yàn)工藝方案

主要研究Li2CO3、Ca(NO2)2、超細(xì)CaCO3粉、硅灰和可再分散性乳膠粉等外加劑對硫鋁酸鹽水泥的影響，并在選用最優(yōu)組分制備改性硫鋁酸鹽水泥基灌漿料，試驗(yàn)主要流程如圖1所示。

圖1 灌漿料制備工藝流程圖

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 早強(qiáng)組分對水泥性能的影響

3.1.1 早強(qiáng)組分對水泥凝結(jié)時間的影響

早強(qiáng)組分對水泥凝結(jié)時間的影響見圖2。

圖2 早強(qiáng)組分對水泥凝結(jié)時間的影響

由圖2可知，Li2CO3和Ca(NO2)2的摻入都能加速硫鋁酸鹽水泥漿體的凝結(jié)，并且Li2CO3的效果更加明顯，當(dāng)其摻量為0.01%時，初凝縮短至12min，終凝縮短至23min，但若摻量繼續(xù)加大，硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時間繼續(xù)縮短但幅度較為平緩，說明對于Li2CO3而言，要想實(shí)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥的快速凝結(jié)，該摻量較為經(jīng)濟(jì)合理。Ca(NO2)2的摻入雖然也能縮短水泥的凝結(jié)時間，但作用效果有限，摻量為0.9%時，初凝為30min，終凝為75min，凝結(jié)時間較長。由此看出Li2CO3的作用效果都要好于Ca(NO2)2，作為早強(qiáng)組分更能縮短灌漿料的施工周期。

3.1.2 早強(qiáng)組分對水泥抗折強(qiáng)度的影響

Li2CO3作為一種早強(qiáng)組分，除了能夠加速硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)以外，還可以提高其早期強(qiáng)度，早強(qiáng)組分對水泥抗折強(qiáng)度的影響見圖3。從圖3可以看出，隨著Li2CO3摻量的增加，1d和3d強(qiáng)度逐步增長至10.8MPa和11.5MPa，說明Li2CO3能夠顯著促進(jìn)硫鋁酸鹽水泥的水化反應(yīng)。但Li2CO3的摻入對硫鋁酸鹽水泥后期強(qiáng)度的增長優(yōu)勢不明顯，基本維持在9MPa左右。Ca(NO2)2對硫鋁酸鹽水泥的早期強(qiáng)度作用不大，當(dāng)摻量從0.3%增加到0.9%時，1d、3d強(qiáng)度仍然在7.0～7.5MPa范圍內(nèi)，但28d強(qiáng)度卻有較大幅度增長，達(dá)到11.4MPa。可以看出，雖然Li2CO3和Ca(NO2)2都能作為早強(qiáng)組分，但兩者的作用效果卻差異較大。

圖3 早強(qiáng)組分對水泥抗折強(qiáng)度的影響

3.2 摻合料對水泥性能的影響

3.2.1 摻合料對水泥擴(kuò)展度的影響

摻合料對水泥擴(kuò)展度的影響見圖4。從圖4可以看出，超細(xì)CaCO3粉和硅灰這兩種摻合料的加入都在一定程度上降低了硫鋁酸鹽水泥漿體的流動性，但超細(xì)CaCO3粉的影響較小，擴(kuò)展度仍然在185mm左右。而對于硅灰而言，其摻量越大，水泥漿體的流動性越差，當(dāng)摻加量為3%時，擴(kuò)展度降低至160mm，這對于灌漿材料施工是極為不利的。因此超細(xì)CaCO3粉更適合作為摻合料組分來提高灌漿料的綜合性能。

圖4 摻合料對水泥擴(kuò)展度的影響

3.2.2 摻合料對水泥抗折強(qiáng)度的影響

超細(xì)CaCO3粉和硅灰對硫鋁酸鹽水泥抗折強(qiáng)度的影響見圖5。從圖5中可以看出，在超細(xì)CaCO3粉摻加量變化的時候，硫鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，當(dāng)摻加量達(dá)到3%時，其各齡期強(qiáng)度均達(dá)到最大值，尤其是28d強(qiáng)度為11.5MPa，說明超細(xì)CaCO3粉的微集料填充效果很好，能夠使水化凝結(jié)后水泥石漿體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度上升，但若摻加量過大，反而阻隔了水泥石漿體的連接，強(qiáng)度下降。對于硅灰而言，其作用效果與超細(xì)CaCO3粉類似，摻加量在3%時硫鋁酸鹽水泥各齡期強(qiáng)度達(dá)到峰值，但是當(dāng)添加量進(jìn)一步增大后雖然強(qiáng)度有所下降，但略高于摻加超細(xì)CaCO3粉時水泥石的強(qiáng)度，這可能是由于硅灰除了有微細(xì)粉填充效應(yīng)外，還與它自身的反應(yīng)活性效應(yīng)有關(guān)。

圖5 摻合料對水泥抗折強(qiáng)度的影響

3.3 可再分散膠粉對水泥性能的影響

膠粉對水泥擴(kuò)展度和抗折強(qiáng)度的影響見圖6。由圖6可知，隨著可再分散膠粉摻入量的增加，硫鋁酸鹽水泥的擴(kuò)展度不斷提高，當(dāng)膠粉摻入量達(dá)到2.5%時，擴(kuò)展度達(dá)到208mm，較空白樣對比提高了12%，之后隨著摻入量的增加，擴(kuò)展度提高幅度明顯降低，基本不再提高。摻入膠粉后各齡期抗折強(qiáng)度均有增長，但強(qiáng)度增加最多的是硫鋁酸鹽水泥的11d和28d強(qiáng)度，并且當(dāng)添加量在2.5%時，達(dá)到最高，分別是10.5MPa和11.1MPa。但若其添加量再進(jìn)一步增加，硫鋁酸鹽水泥的強(qiáng)度反而呈現(xiàn)下降趨勢，說明膠粉在硫鋁酸鹽水泥中的摻加量不宜過多。

圖6 膠粉對水泥擴(kuò)展度和抗折強(qiáng)度的影響

4 改性硫鋁酸鹽水泥基灌漿料的制備

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果與理論分析,采用Li2CO3、超細(xì)CaCO3和可再分散性乳膠粉等外加劑來提高灌漿料的綜合性能，配比見表2，基本性能試驗(yàn)測試結(jié)果見表3。

表2 灌漿料的配比

表3 灌漿料的基本性能

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，經(jīng)過改性硫鋁鹽水泥基灌漿料的初凝時間為35min，終凝時間為63min，對于灌漿工程中快速施工極為有利，其擴(kuò)展度也提高到194mm，工作性能優(yōu)良。與A灌漿料相比，A1的1d、28d抗折強(qiáng)度提高了37.8%、26.1%，早期和后期強(qiáng)度均得到明顯提高，并且通過外加組分的摻入也消除了硫鋁酸鹽水泥所固有的后期強(qiáng)度倒縮的問題。從圖7和圖8也可以看出，經(jīng)過改性后的硫鋁酸鹽水泥基灌漿料內(nèi)部有害氣孔數(shù)更少，水化產(chǎn)物彼此連接更加緊密，內(nèi)部生成鈣礬石的數(shù)量更多，這些鈣礬石晶體細(xì)小并且交錯生長，提高了灌漿料的密實(shí)度和后期強(qiáng)度。

圖7 水泥砂漿試塊斷面圖

圖8 水泥石28d掃描電鏡圖

5 結(jié)束語

（1）Li2CO3和Ca(NO2)2作為早強(qiáng)組分摻入硫鋁酸鹽水泥中，都能夠快速縮短水泥的凝結(jié)時間，促進(jìn)水泥的凝結(jié)硬化，進(jìn)而提高早期強(qiáng)度，但對于灌漿工程而言，Li2CO3的早強(qiáng)促凝效果要比Ca(NO2)2更具優(yōu)勢，更有利于縮短灌漿材料的施工周期。

（2）適量的超細(xì)CaCO3粉和硅灰都能夠促進(jìn)硫鋁酸鹽水泥后期強(qiáng)度的穩(wěn)步增長，但硅灰的摻入會導(dǎo)致灌漿料漿體的擴(kuò)展度有所降低，對工作性能不利，而超細(xì)CaCO3粉卻對漿體的流動性無明顯影響，因此更適合作為摻合料組分來提高灌漿料的綜合性能。

（3）摻入可再分散膠粉后各齡期抗折強(qiáng)度均有增長，但強(qiáng)度增加最多的是硫鋁酸鹽水泥的11d和28d強(qiáng)度，當(dāng)添加量在2.5%時，抗折強(qiáng)度達(dá)到最高，分別是10.5MPa和11.1MPa，此時硫鋁酸鹽水泥的流動性最好。

（4）與純硫鋁酸鹽水泥漿體相比，改性后灌漿料具備快凝早強(qiáng)、工作性能優(yōu)良，后期強(qiáng)度穩(wěn)定等特點(diǎn)，較好地滿足了灌漿工程的實(shí)際需要。