水泥基材料膨脹率與力學性能的試驗研究*

蔣首超，劉仁勇，王 震

（同濟大學土木工程防災國家重點試驗室，上海200092）

近20年來，世界各國相繼開展了海洋平臺受損構件維修與加固的研究工作并取得了顯著進展。國內的龔順風、石湘、蔣首超等［1－3］對海洋平臺的灌漿卡箍和灌漿套管技術進行了研究。其中漿體對整個系統的結構性能起著關鍵性的作用。

眾所周知，普通的水泥基材料在水化反應時，由于自收縮和干縮等原因，體積會產生一定收縮。由于其體積的收縮，會使漿體與卡箍本身相脫離，大大降低了其承載能力。而如果向水泥基材料中摻加一定量的膨脹劑，使其產生一定的預應力，就可以增大周圍結構與水泥漿的握裹力，提高黏結強度。關于膨脹劑在水泥基材料中的作用，國內的孟志良、藺喜強［4－5］等人做了許多有益研究，研究發現膨脹劑摻量為8%～10%時，膨脹率和強度的協調性最好。

水泥基材料具有脆性大、易開裂等特點，水泥基材料破壞的主要原因是其抗折強度低［6］，導致卡箍加固時，往往加固段較長，經濟性不夠。在普通水泥基材料中加入纖維，能夠起到提高其韌性和抗折強度等作用［7］。本文在漿體配制的過程中，通過向水泥基材料中摻加碳纖維、鋼纖維，在不改變其工作性能的前提下，嘗試提高其強度。

本文所研究的水泥基材料有流動性大，有一定的膨脹，強度高等特點。試驗主要研究了養護條件、纖維及石英砂的加入對水泥基材料膨脹率的影響，另外對于纖維對水泥基材料的力學性能的影響做了一定研究。

1 試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

水泥：海螺牌42.5級普通硅酸鹽水泥，其比表面積為360m2／kg，28d抗折強度為8.3MPa，抗壓強度為51.7MPa。

石英砂：細度40～70目，直徑0.3mm以內，二氧化硅含量≥98%。

膨脹劑：采用硫鋁酸鈣類膨脹劑，其化學成分如表1所示。

碳纖維：長度為3mm，技術指標如表2所示。

表1 試驗用膨脹劑化學成分Table 1 Chemical component of expanding agent ／%

表2 試驗用碳纖維技術指標Table 2 Technical index of carbon fiber

鋼纖維：鋼絲剪斷型微細鋼纖維，具體技術參數如表3所示。

減水劑：采用非引氣型萘系減水劑，其主要技術指標如表4所示。

表3 試驗用鋼纖維技術指標Table 3 Technical index of steel fiber

1.2 試驗方法

膨脹率試驗：參照《膨脹水泥膨脹率試驗方法》（JC／T 313—2009）。強度試驗：參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》（GB／T 17671—1999）。

表4 試驗用減水劑技術指標Table 4 Technical index of water reducing agent

1.3 配合比設計

為了對比纖維和石英砂加入對漿體膨脹率及力學性能的影響，本試驗共設計水泥基材料四組：水泥凈漿（O）、加碳纖維水泥漿（C）、加鋼纖維水泥漿（S）和水泥砂漿（SD）各一組，纖維和石英砂摻量參考文獻［8－10］。具體配比見表5所示。

表5 試驗配合比Table 5 Mix proportion of cement grout

1.4 纖維的分散

為使碳纖維能夠均勻分散，本試驗采用強制攪拌的方法，攪拌時間為2min。

鋼纖維在膨脹水泥漿中易存在沉淀現象見（見圖1a）。為使鋼纖維分散均勻，本文通過若干嘗試發現先將除鋼纖維外的干料加水攪拌后再摻入鋼纖維可減輕鋼纖維的沉淀，改進后鋼纖維在膨脹水泥漿中分布均勻見（圖1b）。

圖1 a 鋼纖維沉淀Fig.1a Precipitation of steel fiber

圖1 b 鋼纖維分布均勻Fig.1b Distribution uniformity of steel fiber

1.5 水泥基材料的流動性

為了滿足水泥基材料的工程應用需要，即其要灌注到卡箍、套管等空間較小的空隙中，而且在大面積應用時可能會有泵送需求，因此對灌漿料流動性有一定要求。

水泥基材料的流動性與水膠比、砂膠比、纖維摻量和減水劑的量有關。相同條件下，水膠比越大、砂膠比越小、減水劑摻量越多，水泥基材料的流動性越大。但水膠比過大，會降低材料強度；減水劑摻量過多，易造成漿體離析。由于本文所采用的纖維均為短切纖維，試驗過程中發現纖維的加入對漿體的流動性沒有明顯影響。

為使本試驗水泥基材料滿足實際工程中的灌注要求，本文參考《水泥基灌漿材料應用技術規范》GB／T 50448—2008提出的性能指標。保持水膠比0.36不變的情況下，在水泥凈漿和加纖維漿體中添加0.2%的高效減水劑，在水泥砂漿中將減水劑摻量增加到0.25%，漿體流動性均能滿足指標要求。

另外，本文還對漿體進行了灌注試驗，試驗表明本文所配制的漿體滿足灌注需要。

1.6 養護條件

由于卡箍系統所處環境較為復雜，濕度差異較大，為研究不同環境下漿體的性能差異，本試驗養護條件共有4種：

恒溫水養護 即將試塊沒入溫度為（20±3）℃的水中養護，代號W。

恒溫濕氣養護 即前3d將試塊沒入溫度為（20±3）℃的水中養護，之后放入恒溫濕氣養護室內（溫度（20±3）℃，相對濕度≥90%）養護，代號C。

混合養護 即前28d沒入溫度為（20±3）℃的水中養護，之后放置于恒溫室內（溫度（20±3）℃）進行養護，濕度不進行控制，代號M。

保鮮膜養護 即試塊拆模后用保鮮膜包裹，之后置于恒溫（溫度（20±3）℃）普通室內進行養護，濕度不進行控制，代號P。

其中，對水泥凈漿，加碳纖維水泥漿和加鋼纖維水泥漿都進行前3種養護，第四種養護僅針對水泥凈漿和水泥砂漿2種配比。

2 膨脹率試驗結果與分析

2.1 養護條件對水泥基材料膨脹率的影響

水泥基材料的最終膨脹值是膨脹劑膨脹和水泥漿體收縮共同作用的結果。黃國興［11］指出：水泥基材料的收縮變形主要有塑性收縮、干燥收縮、自生收縮、溫度收縮和碳化收縮5種。而不同的養護條件主要是對水泥基材料的干燥收縮有影響。環境中的相對濕度越大，材料的干燥收縮值就越小，甚至在相對濕度達到100%時會產生濕脹現象。為了分析養護條件對水泥基材料膨脹率的影響，圖2a～c比較了幾種養護條件下試件的膨脹率。

根據圖2a～c可以看出：

（1）所有試件的膨脹主要發生在前3天，3d后膨脹率增長緩慢。這是由于前期膨脹劑的水化反應較快，膨脹率發展較迅速造成的。（2）在各種配比中，恒溫水養護（W）的試件膨脹率總是最大。

試件處于水中養護時，相對濕度達到100%，水泥石本身不會產生收縮，甚至還有濕脹作用；同時，研究表明［10］：充足的水份供給能使膨脹劑膨脹性能充分發揮。因此這兩種因素的共同作用，使水泥基材料在這種養護條件下的膨脹率最大。

（3）恒溫濕氣養護時（C），在第7天時，膨脹率有所下降，其余時間段其膨脹率的發展趨勢與恒溫水養護時基本相同。

由于前3天養護環境與恒溫水養護相同，因此前3天二者的膨脹率基本相同（差別在10%以內）。但在第7天時，由于之前試塊已經從水中轉移到濕氣環境中，雖然濕度仍然很大，但濕脹作用已經減小，而且此時膨脹劑的水化反應放緩，濕脹的逆作用大于膨脹劑的膨脹作用，因此試件的第7天膨脹率比第3天的膨脹率有所降低。之后由于溫度與恒溫水養護相同，而且相對濕度仍然很大。所以，7d后試件的膨脹率發展趨勢與恒溫水中的試件類似。（4）混合養護時（M），由于在前28天養護環境與恒溫水養護相同，因此前28天二者的膨脹率基本相同（差別在15%以內）。但在28d后，從水中取出，環境濕度變為空氣濕度，其膨脹率開始急劇下降，甚至加纖維的試件第90天時變成了收縮。

圖2 a 水泥凈漿膨脹率變化Fig.2a Expansion rate of cement paste

圖2 b 加碳纖維水泥漿膨脹率變化Fig.2b Expansion rate of cement grout with carbon fiber

圖2 c 加鋼纖維水泥漿膨脹率變化Fig.2c Expansion rate of cement grout with steel fiber

水泥基材料的水和周圍空氣處于一種平衡狀態［11］，當環境濕度降低時，水泥基材料中的水份減少，吸附水和層間水丟失，使表面張力和膠粒間的引力增加，引起水泥基材料急劇收縮；而此時膨脹劑的膨脹作用已經進入后期，起不到補償收縮的作用，所以水泥石表現為膨脹率的逐漸降低。Yoshida［12］等人指出，隨著在水中養護時間的延長，水泥石中的孔隙數量會增多。同時，劉建忠等指出隨著水養時間的延長，水泥的水化產物增多，水泥基材料內部孔隙的孔徑逐漸降低。因此可以得出水中養護時間延長，會使水泥基材料的細孔隙大大增多，從而使收縮變形急劇增大，甚至導致收縮量抵消了膨脹劑的膨脹作用，使水泥石整體表現為收縮。

（5）從圖2a中可看出，保鮮膜養護的試件的膨脹主要發生在前2天，而且試件的膨脹率遠遠低于其他養護條件下的試件，3d后試件膨脹率緩慢降低。

保鮮膜的包裹可以有效的延緩試塊水份的蒸發［14］，但這種養護條件下提供的水分遠遠不及其他幾種養護條件。由于膨脹劑在水化過程中需水量大［15］，水分不足會導致膨脹劑的水化反應速度緩慢，且水化不夠充分，因此保鮮膜養護的試件膨脹率較低。由于保險膜僅僅是延緩試塊的水分蒸發，水泥試塊實際還是處于一種緩慢失水的狀態，因此試件膨脹率在緩慢地降低。

2.2 骨料及纖維對水泥基材料膨脹率的影響

纖維和骨料是影響水泥基材料體積穩定性的主要因素之一。圖3a～c對比了水泥凈漿、加碳纖維水泥漿和加鋼纖維水泥漿分別在恒溫水中養護、在恒溫空氣養護和混合養護的條件下，膨脹率隨齡期的變化。圖3d對比了水泥凈漿和水泥砂漿在保鮮膜養護下的膨脹率變化。

由圖3a～c可以看出，在各種養護條件下，水泥凈漿的膨脹率均為最大，但各種配比的膨脹率變化趨勢基本相同。在恒溫水養護條件下，28d齡期時加鋼纖維水泥漿的膨脹率比水泥凈漿低17.4%，加碳纖維水泥漿膨脹率比水泥凈漿低29.6%。在恒溫濕氣養護條件下，2種加纖維水泥漿的膨脹率相差不大，28d齡期時加鋼纖維水泥漿膨脹率比水泥凈漿低27.2%，加碳纖維水泥漿膨脹率比水泥凈漿低24.1%。在混合養護條件下，28d齡期時加鋼纖維水泥漿膨脹率比水泥凈漿低10.2%，加碳纖維水泥漿膨脹率比水泥凈漿低18.9%；56d齡期時加鋼纖維水泥漿膨脹率比水泥凈漿低34%，加碳纖維水泥漿膨脹率比水泥凈漿低78.8%。

纖維在水泥基材料中能夠形成均勻分布、互相搭接的纖維網格，當水泥漿體因膨脹劑膨脹產生膨脹應力時，這種搭接的纖維網格可以起到分散應力的作用，從而降低了漿體的膨脹［16］。因此加纖維水泥漿的膨脹率小于水泥凈漿。纖維在水泥基材料中不僅有分散應力的作用，還可以承擔部分應力，而且纖維的彈性模量越大，其可承擔的應力就越大，對分布在纖維網格中漿體的限制作用就越強，從而限制整個漿體的變形。本文所用碳纖維彈性模量為230GPa，比鋼纖維的彈性模量（200GPa左右）略高。因此碳纖維的約束作用略強，表現為加碳纖維水泥漿的膨脹率最低。加纖維水泥基材料的體積變形還與纖維的分散狀況、纖維直徑、摻量和纖維根數等纖維性狀有關，試驗變量較多，這可能也是造成在濕氣養護時，加碳纖維水泥漿和加鋼纖維水泥漿膨脹率接近的原因。關于纖維性狀對加纖維水泥基材料膨脹率的影響，本文不再作專門研究。

圖3 a 恒溫水養護膨脹率變化Fig.3a Expansion rate of cement grout in Constant temperature water

圖3 b 恒溫濕氣養護膨脹率變化Fig.3b Expansion rate of cement grout in constant temperature and humidity

圖3 c 混合養護膨脹率變化Fig.3c Expansion rate of cement grout in mixed curing condition

圖3 d 保鮮膜養護膨脹率變化Fig.3d Expansion rate of cement grout wrapped by plastic wrap

由圖3d可以看出，水泥砂漿28d的膨脹率僅為水泥凈漿的47.2%。在保鮮膜養護的條件下，2種水泥漿的膨脹都主要發生在前2天，第3天之后，漿體的膨脹率慢慢降低。但水泥砂漿28d時的膨脹率回縮量（即膨脹率的最大值減去28d時的膨脹率）為0.025 625%，水泥凈漿28d的回縮量為0.046 25%。由此可見雖然水泥砂漿膨脹率較低但其后期的回縮量同樣也較低。

同纖維的作用類似，石英砂的存在也會限制水泥基材料的膨脹。同時由于石英砂的摻加量相對較大，也就在一定程度上減小了膨脹劑的相對含量，使膨脹作用降低。石英砂的摻加同樣也減小了水泥石的相對含量，由于水泥基材料中發生收縮的主要組分是水泥石，所以，石英砂的摻加會減小水泥基材料的回縮。

對比圖3c和圖3d可以看出，石英砂的摻入可以降低水泥基材料的后期回縮量，但纖維的加入卻對回縮沒有抑制作用。本文認為可能是纖維的摻入量相對石英砂太低，起不到降低水泥石相對含量的作用，因此也就沒有對回縮的抑制作用。切應變在0～1.2范圍內時，其剪切模量為0.73MPa；當膠片的剪切應變在1.2～2.0范圍內時，其剪切模量為2.18MPa。

3 力學性能試驗結果與分析

為了考察纖維對水泥漿強度增強效應，本文選擇水泥凈漿（O）、加碳纖維水泥漿（C）、加鋼纖維水泥漿（S）3種配比進行試驗，養護條件為恒溫水養護，實驗結果如表6、7所示。

表6 水泥基材料抗折強度試驗結果Table 6 Flexural strength of the expansive cement grout

表7 水泥基材料抗壓強度試驗結果Table 7 Compression strength of the expansive cement grout

表6與7中的影響系數欄為各水泥漿在相應齡期的強度與配合比O的強度之比。

由表6可以看出，由于纖維的加入，水泥基材料的抗折強度有所增強。加碳纖維水泥漿的28d抗折強度比水泥凈漿高31%，90d抗折強度比水泥凈漿高28%；加鋼纖維水泥漿的28d抗折強度比水泥凈漿高31%，90d抗折強度比水泥凈漿高23%。在試驗過程中還發現，水泥凈漿在斷裂過程中，承載力會發生突然的下降；而加纖維水泥漿在斷裂的過程中，承載能力不會突然消失，而是緩慢下降。由此可見纖維的加入提高了水泥基材料的延性。

由表7可以看出，纖維的加入對水泥基材料抗壓強度也有一定增強作用，但作用遠遠小于纖維對水泥漿抗折作用的增強。加碳纖維水泥漿的28d抗壓強度比水泥凈漿高18%，而90d抗壓強度僅比水泥凈漿高12%；加鋼纖維水泥漿的28d抗壓強度比水泥凈漿高15%，而90d抗壓強度幾乎與水泥凈漿相同。

水泥基材料在加入纖維后，可以提高抗折強度。這是因為在水泥基材料破壞初期［17］，水泥漿和纖維材料共同受力，在裂縫出現的過程中，纖維起到了增強作用，延緩了裂縫的擴展；而在材料開裂后，部分水泥漿退出了工作，此時纖維成為主要受力部分，直到纖維斷裂或者被拔出。而水泥基材料抗壓破壞時，由于其破壞形式為剪切破壞或剪拉破壞，纖維的阻裂作用并不明顯，因此纖維對其抗壓強度的提高作用不大。

4 結論

本文研究了養護條件、纖維及石英砂的加入對水泥基材料膨脹率的影響，另外對于纖維對水泥基材料的增強作用做了一定研究。由試驗結果可以得出以下結論：

（1）養護條件會影響無收縮水泥基材料的膨脹率，其中恒溫水養護的試件膨脹率最大。

（2）纖維和骨料的加入會降低水泥基材料的膨脹率，但加入骨料可以減小水泥基材料后期的回縮。

（3）纖維的加入可以提高水泥基材料的抗折強度，但對其抗壓強度影響不明顯。

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