正交試驗下水泥基灌漿料力學試驗研究

張凱峰，任慧超，耿飛，趙世冉，姚源，劉磊

（中建西部建設北方有限公司，陜西　西安　710116）

正交試驗下水泥基灌漿料力學試驗研究

張凱峰，任慧超，耿飛，趙世冉，姚源，劉磊

（中建西部建設北方有限公司，陜西西安710116）

本文通過正交試驗及極差分析，研究了水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量、減水劑含量以及膨脹劑對水泥基灌漿料抗折、抗壓強度的影響。試驗研究表明：正交試驗方案能有效地找到比較好的配比方案，使得試驗過程更加有效率；水膠比0.35、粉煤灰摻量10%、減水劑含量1.4%、膠砂比控制在1∶1.2時，可以得到初始流動度300mm、28d 抗折強度9.49MPa、抗壓強度43.30MPa 的水泥基灌漿料。

水泥基灌漿料；正交試驗；粉煤灰；抗折強度；抗壓強度

0　引言

水泥基灌漿料是以水泥為基材，適量加入細骨料和其他一些摻合料、外加劑等組成的干混材料，加水拌合后具有高流動度、早強、高強、微膨脹等特性[1]。它廣泛用于設備基礎的二次灌漿，鋼結構柱基礎灌漿，軌道基礎等小縫隙粘結灌漿，地鐵、隧道、地下工程逆打法施工縫嵌固，地腳螺栓錨固，混凝土梁、柱、板、墻的加固修補灌漿，其他普通混凝土難以澆注的不規則死角、邊角及混凝土空洞補灌修復[2-3]等。

近年來，國內也有越來越多的機構和人員對水泥基灌漿料進行了全方位的研究。冷達[4]總結了減水劑和早強劑對干粉水泥基灌漿砂漿新拌性能和力學性能的影響影響規律；徐國強[5]則通過灌漿料配比的正交試驗發現硅灰等摻合料對灌漿料的流動度及抗壓強度有較大影響；吳元等人[6]基于試驗數據，給出了水泥基灌漿料的尺寸效應、強度轉化及齡期強度的計算公式。本次試驗結合正交試驗方案，欲以復合硅酸鹽水泥為主，探討水膠比、膠砂比、粉煤灰摻量、減水劑含量以及膨脹劑對水泥基灌漿料流動度及力學性能的影響，進而篩選出一種強度高、經濟性好的水泥基灌漿料。

1　試驗原材料及正交方案

1.1試驗原材料

水泥分別采用陜西某有限公司 P·C32.5R 水泥；粉煤灰采用銅川某電廠Ⅱ級粉煤灰，45μm 篩余為13.5%，需水量比為99%，燒失量為4.3%；細集料采用灞河河砂，用篩子去除2.5mm 以上顆粒，細度模數為2.1，屬于 Ⅱ 區細砂，級配良好；膨脹劑為西安某外加劑廠 UEA-S 型高效混凝土膨脹劑；減水劑采用西安某建筑科技有限公司提供的聚羧酸減水劑，固含量為20%。

1.2正交方案選取

本次試驗方案，為了解每個因素的影響大小，采用三個水平位級。膠砂比選取1∶1、1∶1.2、1∶1.4三種；水膠比采用0.35、0.36、0.37三種；減水劑（聚羧酸高效減水劑）采用1.2%、1.3%、1.4% 三種；膨脹劑摻量控制在10%；粉煤灰（Ⅱ級）摻量采用10%、15%、20% 三種；膠體采用定量850g，以上百分比均指膠體總量。其中水、粉煤灰、減水劑、砂試驗時采用正交表格設計，正交試驗表格如表1所示。

表1　正交試驗設計　kg/m3

2　試驗內容

2.1水泥基灌漿料流動性研究

流動度試驗采用上端直徑為70mm、下端直徑為100mm、高為60mm 的圓臺體試模，試驗室溫度為 (20±2)℃，按照 GB/T2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》[7]規范進行試驗，在攪拌結束后應立即進行測試。

2.2水泥基灌漿料抗折試驗研究

水泥基灌漿料抗折試驗參照 GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》[8]進行，試件尺寸為40mm×40mm×160mm，試驗所用儀器為 DKZ-5000電動抗折試驗機。

2.3抗壓試驗研究

水泥基灌漿料抗壓試驗以抗折強度測定后的兩個斷塊進行抗壓強度測定，試驗時須用抗壓夾具固定，使試件受壓面積為 (40×40)mm2。試驗所用儀器為華龍 WAW-1000C 微機電液伺服萬能試驗機，最大試驗力1000kN，試驗力測試范圍50～1000kN。

3　結果與分析

3.1流動度測試結果

經過測試，各配合比下的流動度指標及極差分析如表2、3所示。

表2　流動度測試指標　mm

表3　流動度極差分析

由表3可知，膠砂比、水膠比對灌漿料流動度影響較大，是其最重要影響因素，減水劑含量次之，粉煤灰摻量影響最小；由表2可以看出，在1、8、9配合比下，灌漿料流動度均達到300mm 以上，在水膠比0.37，粉煤灰摻量20%，減水劑含量1.4%，膠砂比1∶1的情況下，灌漿料流動度最大能達到320mm。

3.2力學性能試驗結果

灌漿料各齡期強度結果如表4所示，各齡期強度極差分析如表5、6所示，各配合比不同齡期強度發展趨勢如圖1、2所示。

表4　灌漿料各齡期力學試驗結果　MPa

由表4、5及圖1可以看出，灌漿料各配合比組抗折強度均隨齡期的增大而有所增長。水膠比是影響灌漿料各齡期抗折強度的最重要因素，粉煤灰摻量、減水劑含量次之，膠砂比為最不重要影響因素。3d 時9個配合比除 P9外抗折強度均在5MPa 左右；7d 時，所有配合比組基本都在6MPa 以上，P1組甚至達到了7.34MPa；28d 時，除 P3、P9外，其余幾組抗折強度均在9MPa 以上。

圖1　抗折強度趨勢圖

圖2　抗壓強度趨勢圖

表5　抗折強度極差分析

表6　抗壓強度極差分析

由表4、6和圖2可以看出各配比下灌漿料的抗壓強度均隨齡期的增長而提高，但由極差分析可知不同齡期時各影響因素發揮的重要性有所不同。3d 時，粉煤灰摻量為最重要的影響因素，膠砂比和水膠比次之，減水劑含量影響最小；7d時，粉煤灰仍影響最大，水膠比次之，減水劑含量和膠砂比影響較弱；28d 時，粉煤灰摻量和減水劑含量影響較大，膠砂比次之，水膠比為最不重要影響因素。9組配合比抗壓強度3d 齡期時均在20MPa 以上，7d 在30MPa 以上，28d 除 P5、P6外基本都在40MPa 左右，P9組抗壓強度接近44MPa。另外 P1～P6在3～7d 齡期強度發展較快，7d 以后較為緩慢，P7～P9前期強度一般，但則在7d 以后仍有較好的強度發展。

綜合考慮灌漿料流動性，各齡期抗折抗壓強度，最終選擇適合的方案為水膠比為0.35，粉煤灰摻量10%，減水劑含量1.4%，膠砂比控制在1∶1.2，膨脹劑摻量為10%。由此可得到初始流動度300mm，28d 抗折強度9.49MPa，3d、7d、28d抗壓強度分別為27.93MPa、38.30MPa、43.30MPa 的水泥基灌漿。

3.3水泥基灌漿料力學性能影響因素分析

（1）試驗用砂選用直徑2.5mm 以下的細骨料，使得基體的缺陷減少，骨料和水泥基體之間的薄弱過渡區得到增強，同時還能夠細化定向晶體結構。

（2）提高低需水量比的礦物摻合料（粉煤灰）摻量以及高效減水劑，從而在達到相同工作性能基礎上減少用水量，從而降低灌漿料內部孔隙率。

（3）采用常溫水養護的養護方法，最大限度抑制由于低水膠比產生的收縮。

（4）試驗中10% 的 UEA-S 型高效混凝土膨脹劑，其內部含有硅鋁復鹽、氧化鋁、硫酸鈣等無機化合物，早期能與試件中的硅酸三鈣、硅酸二鈣等反應生成水化硅酸鈣、鐵鋁酸四鈣等膠凝產物，提高了其早期強度。

（5）粉煤灰具有三大效應，有效改善了灌漿料內部的孔結構，增大密實度，從而使灌漿料的強度有所提高。

4　結論

（1）除 P4、P5、P7組外，其他6組灌漿料流動度均在270mm 以上，其中膠砂比和水膠比對流動度影響較大，膠砂比越小，水膠比越大，流動度越大。

（2）在不同齡期時各影響因素所發揮的程度有所不同，試驗過程中，粉煤灰摻量對灌漿料各齡期抗折及抗壓強度均發揮著重要作用。

（3）當水膠比為0.35，粉煤灰摻量10%，減水劑含量1.4%，膠砂比控制在1∶1.2時，可以得到初始流動度300mm，28d 抗折強度9.49MPa，3d、7d、28d 抗壓強度分別為27.93MPa、38.30MPa、43.30MPa 的水泥基灌漿。

[1] GB/T50448—2008．水泥基灌漿料應用技術規范[S]．

[2] 涂勝強，鄒小衛．水泥基灌漿料的發展情況[J]．科技信息，2013(3)∶371-371．

[3] 朱衛華．水泥基灌漿料的發展[J]．施工技術，2009,38(6)∶76-80．

[4] 冷達，張雄，沈中林．減水劑和早強劑對水泥基灌漿材料性能的影響[J]．新型建筑材料，2008,35(11)∶21-25．

[5] 徐國強，張靜．高強水泥基灌漿料配合比的正交試驗研究[J]．混凝土，2015(3)∶149-151．

[6] 吳元，王凱，楊曉婧，等．水泥基灌漿料基本力學性能試驗研究[J]．建筑結構，2014(19)∶95-98．

[7] GB/T2419—2005．水泥膠砂流動度測定方法[S]．

[8] GB/T17671—1999．水泥膠砂強度檢驗方法[S]．

［通訊地址］陜西省西安市長安區王寺西街中建西部建設北方有限公司研發中心（710116）

張凱峰（1986—），男，中建西部建設北方有限公司研發中心負責人。