膨脹劑對高強灌漿料體積穩定性的影響

葉 顯， 吳文選， 侯維紅， 雷 生， 周 壯

(武漢源錦建材科技有限公司， 湖北 武漢 430083)

由于具有流動性好、快硬、早強、高強、無收縮、微膨脹、自密實等特點，以及在施工方面具有工期短、使用方便等優點，灌漿料，特別是高強灌漿料隨著工民建、公路、水利建設的不斷發展，其市場需求不斷擴大，對灌漿料的研究也在不斷深入.但是研究人員在追求灌漿料的強度、施工性能的同時，往往會忽視灌漿料的耐久性能，尤其是其體積穩定性.

在高強灌漿體系中，降低水膠比是提高灌漿料強度的重要手段.有研究表明，砂漿或者混凝土水膠比越低，其內部相對濕度越小，并且隨著養護齡期的延長，其內部自干燥程度也會隨之增大[1].水泥石內部因自干燥作用而引起的毛細孔未飽和現象，會使水泥基材料內部產生負壓差，從而導致砂漿或混凝土產生自收縮[2]，因此低水膠比的高強灌漿料早期自收縮趨勢更明顯.除自收縮之外，受環境溫度、濕度變化和荷載等外部條件的作用而產生的應力也會對灌漿料體積穩定性造成影響[3].

GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應用技術規范》和JC/T 986—2005《水泥基灌漿材料》對水泥基灌漿料早期(24h內)的體積穩定性有一定要求，但是并未考慮到灌漿料后期的體積變化.灌漿料在塑性階段的微膨脹能夠保證充填的密實度，但如果后期產生體積收縮，則會造成灌漿料與基礎之間的脫空現象，導致灌漿料承載力削弱，嚴重的話甚至會產生裂縫，破壞建筑的結構穩定性[4].因此，在水泥基灌漿料硬化后期，膨脹劑能否提供一定的微膨脹來補償低水膠比引起的灌漿料自生體積收縮，使灌漿料在服役期間始終與基礎結合緊密，對建筑、設備的結構安全性和耐久性具有重要意義.

本試驗主要針對不同種類、不同摻量的膨脹劑在不同養護條件下對高強灌漿體系體積穩定性的影響進行了研究，以期改善高強灌漿料硬化后的體積穩定性，提高灌漿料的應用效果及服役壽命.

1 試驗

1.1 試驗材料

華新P·O 52.5水泥(C)，化學組成(質量分數，文中涉及的含量、摻量、減水率等除特別說明外均為質量分數或質量比)見表1；自來水(W)，滿足JGJ 63—2006《混凝土用水標準》；0.212～0.600mm石英砂(S)；膨脹劑(E)包括2類，一類為武漢三源特種建材有限責任公司生產的2種硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑，分別滿足GB 23439—2009《混凝土膨脹劑》中的Ⅰ 型和 Ⅱ 型要求，記為EA1和EA2，其化學組成見表1，水中7d限制膨脹率(體積分數)分別為0.037%和0.065%，推薦摻量為總膠凝材料質量的8%～12%；另一類為武漢三源特種建材有限責任公司生產，分別滿足CBMF 19—2017《混凝土用氧化鎂膨脹劑》R型、M型、S型要求的氧化鎂膨脹劑，記為MAC-R，MAC-M，MAC-S，其化學組成見表1，根據DL/T 5296—2013《水工混凝土摻用氧化鎂技術規范》測得MAC-R，MAC-M，MAC-S的活性反應時間分別為79，135，220s，推薦摻量為總膠凝材料質量的3%～7%；重鈣粉(HCP)粒徑為0.0750mm；功能改性助劑(FA)包括消泡劑、緩凝劑、保水劑、早強劑等；減水劑(WR)為蘇州弗克Talon101型，減水率為20%.

表1 水泥和幾種膨脹劑的化學組成

1.2 試驗方法

以滿足JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》要求的套筒灌漿料為基礎配方，將5個型號的2類膨脹劑分別按照推薦摻量采用內摻法取代配方中的礦物摻和料，并按照該標準測試灌漿料的初始流動度、30min流動度以及1，3，28d抗壓強度.由于膨脹劑的摻入會影響灌漿料的工作性能，因此通過調節減水劑的用量將灌漿料初始流動度控制在320～340mm之間，最終確定的試驗配比見表2，各個配比的流動度及強度數據見表3.其中活性反應時間越短(即活性越大)的氧化鎂膨脹劑需水量越大，這與氧化鎂的煅燒溫度有關[5].煅燒溫度越高，得到的氧化鎂晶體缺陷越少，活性反應時間越長，因此氧化鎂活性反應時間越長、需水量越小[6-7].

按照JC/T 453—2004《自應力水泥物理檢驗方法》進行自由膨脹試件的成型和自由膨脹率的檢測.每種配方成型3組試件，拆模后分別置于干養(20℃，RH=65%)、水養(水溫20℃)和絕濕(拆模之后將試件用錫箔紙包裹嚴實后置于20℃恒溫養護室)環境中養護至規定齡期，測試其自由膨脹率.

表2 灌漿料配方

續表2

表3 不同配比灌漿料的流動度和強度

2 試驗結果及分析

2.1 膨脹劑摻量對自由膨脹率的影響

圖1，2分別為水養條件下氧化鎂膨脹劑和硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑對高強灌漿料自由膨脹率的影響.由圖1，2可以看出：無論是硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑還是氧化鎂膨脹劑，在高強灌漿料體系中都能顯示出膨脹效能，并且隨著2類膨脹劑摻量的提高，灌漿料自由膨脹率呈規律性遞增趨勢.在高強灌漿體系中，2類膨脹劑均呈現早期膨脹較快，后期膨脹減緩的趨勢.這是因為隨著反應的進行，膨脹劑顆粒參與水化而逐漸消耗，且隨著后期灌漿料彈性模量增大，膨脹阻力增大，膨脹速率降低.

從圖2(b)可以看出，在6%和8% EA2摻量下，灌漿料體積在60d就達到穩定狀態，而在10%摻量下要90d才能達到穩定狀態.從圖1中也可以看出，隨著氧化鎂膨脹劑摻量的增加，灌漿料膨脹率達到穩定的時間同樣也會增加.由此可以判斷，膨脹劑摻量越高，灌漿料體積趨于穩定的時間越長.

2.2 養護條件對自由膨脹率的影響

眾所周知，養護條件對水泥的水化進程及體積穩定性影響較大.圖3為水養、絕濕條件下2類膨脹劑對高強灌漿料自由膨脹率的影響.由圖3可以看出：水養條件下灌漿料自由膨脹率隨著護齡期的增加呈現上升的趨勢，而絕濕條件下的自由膨脹率均表現出負增長.由此可以看出，不論是氧化鎂膨脹劑還是硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑，其膨脹效能的發揮均與養護環境中的水含量有一定關系.

與空白組試件對比，在水養和絕濕養護條件下，氧化鎂膨脹劑和硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑都起到了補償收縮的作用.由圖3(a)可以看出，水養條件下，摻氧化鎂類膨脹劑的灌漿料自由膨脹率在180d內都呈現持續穩定增長的趨勢，而硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑的膨脹效能在14d以內發揮迅速，60d之后膨脹效能不再明顯.這主要是由于硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑的膨脹產物為 Ca(OH)2和鈣礬石，該反應較快，因而膨脹主要發生在14d之前[8].而氧化鎂膨脹劑主要以氧化鎂水化產生的微小Mg(OH)2顆粒晶體生長或者吸水腫脹為膨脹源，反應較緩慢，并且持續時間可長達1～2a[9].

絕濕條件下，雖然摻氧化鎂膨脹劑和硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑的高強灌漿料試件都呈現出收縮的趨勢，但是由圖3(b)可以看出，雖然氧化鎂膨脹劑前期補償收縮效果不明顯，但90d后試件的自由膨脹率出現增長趨勢，而硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑雖在絕濕條件下也能起到補償收縮的作用，但是180d后試件的自由膨脹率總體上仍呈現出負增長.由此可以判斷，氧化鎂膨脹劑補償收縮作用的發揮對水和空氣的依賴比較小，而硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑發揮膨脹作用時需水量較大.從機理上說，生成鈣礬石所消耗的水遠遠多于氧化鎂膨脹劑反應生成Mg(OH)2所消耗的水.

為了比較2類膨脹劑對水的依賴程度，設定了以下公式來計算膨脹劑對水的依賴程度隨著養護齡期t(d)的發展趨勢：

圖1 水養條件下氧化鎂類膨脹劑對灌漿料體積穩定性的影響Fig.1 Effect of different MgO expansive agents on the volume stability of grouting material under water conservation condition

圖2 水養條件下硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑對灌漿料體積穩定性的影響Fig.2 Effect of different calcium sulphoaluminate-calcium oxide expansive agents on the volume stability of grouting material under water conservation condition

圖3 養護條件對膨脹劑作用效果的影響Fig.3 Effect of curing conditions on the efficiency of expansive agents

(1)

式中：It為濕度對試件體積穩定性的影響因子；ΔLw為水養條件下試件的長度變化，mm；ΔLwm為絕濕條件下試件的長度變化，mm.

計算不同膨脹劑在不同齡期下的It，結果見圖4.由于水養14d前，摻氧化鎂膨脹劑的試件ΔLw<0，按式(1)計算得到的It均小于零，不具有參考價值，因此舍去該段齡期的數據.由圖4可以看到：摻硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑試件的It值前期較大，并且養護后期仍呈現增大的趨勢，而摻氧化鎂膨脹劑試件的It值隨養護齡期的延長而持續降低.由此可以判斷，水對硫鋁酸 鈣-氧化鈣膨脹劑膨脹效能的發揮影響比較大，而隨著養護齡期的增加，氧化鎂膨脹劑膨脹能的發揮對水的依賴程度逐漸降低.

圖4 濕度影響因子隨著齡期發展的變化趨勢Fig.4 Development of It with curing ages

2.3 膨脹劑種類對自由膨脹率的影響

不同養護條件下2類膨脹劑對高強灌漿料體積穩定性的影響見圖5.由圖5(a)可以看到，水養條件下，早期硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑能讓高強灌漿料產生明顯體積膨脹，后期作用減緩，而氧化鎂類膨脹劑對高強灌漿料后期體積增長貢獻更為明顯.由圖5(b)可以看到，絕濕條件下摻硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑的灌漿料在180d時仍呈現體積收縮的趨勢，而摻MAC-M和MAC-R的灌漿料分別在21d和90d就達到了體積穩定期.由圖5(c)可以看到，干養條件下2類的膨脹劑對高強灌漿料體積穩定性的影響趨勢類似，均在90d左右就達到體積穩定.

由圖5(a)對比摻氧化鎂膨脹劑MAC-R,MAC-M的灌漿料在水養條件下膨脹率的發展變化，可以看到 28d 之前，摻MAC-R組的膨脹率高于摻MAC-M組，而60d之后，摻MAC-M組膨脹率反超摻MAC-R組.由此可以推斷出氧化鎂活性反應時間越短(活性越高)，MgO水化反應越快，發揮膨脹性能越早，而活性反應時間越長(活性越低)，MgO早期水化反應越慢，但是后期卻呈現出更強的膨脹效能[10].由圖5(b)，(c)對比干養和絕濕條件下氧化鎂膨脹劑對高強灌漿體積穩定性的影響，可以看到MAC-M在絕濕條件下的補償收縮效果較好，在干養條件下表現卻較差，而MAC-R在干養條件下的補償收縮效果更明顯.可以判斷不同活性的氧化鎂膨脹劑在不同環境下作用的效果差別較大.

圖5 膨脹劑種類對灌漿料體積穩定性的影響Fig.5 Effect of different kinds of expansive agents on the volume stability of grouting material

3 結論

(1)高強灌漿料體系中，膨脹劑摻量越高，水養條件下的自由膨脹率越高，灌漿料達到體積穩定所需的時間越長.

(2)在不同養護條件下，氧化鎂膨脹劑和硫鋁酸鈣-氧化鈣膨脹劑在高強灌漿料體系中均能發揮補償收縮的作用.2類膨脹劑膨脹效能的發揮均與水有一定關系，但是氧化鎂類膨脹劑對水的依賴小于硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑，并且隨著養護齡期的延長，氧化鎂類膨脹劑對水的依賴減小.

(3)高強灌漿料體系中，水養條件下，硫鋁酸鈣-氧化鈣類膨脹劑早期膨脹效能發揮明顯，但氧化鎂類膨脹劑的中后期膨脹效能更佳.絕濕條件下摻氧化鎂類膨脹劑的灌漿料能較快達到體積穩定期，而摻硫鋁酸鈣-氧化鈣類灌漿料在180d時仍呈現持續收縮.因此，可以根據灌漿料使用部位和外部環境的不同，選擇不同類型的膨脹劑來達到補償收縮的目的，從而改善灌漿料應用效果.