新型高性能水泥基灌漿料的配制研究

蘭春暉,延 茜

(山西大學土木工程系,山西 太原 030013)

水泥基灌漿材料是由水泥、骨料、礦物摻合料、外加劑等材料經過混合生產出的具有合理級配的干混料,加水攪拌均勻后具有大流動性、早強、高強、可灌注性、微膨脹的特性。水泥基灌漿料主要在機械修補、加固、安裝工程中具有應用價值。如今高強灌漿材料多用于地腳螺栓的錨固,混凝土結構改造,加固及后張預應力混凝土結構預留孔道灌漿與封錨,鋼結構柱腳底板的二次灌漿等新領域,不僅僅局限于傳統的機械設備安裝的二次灌漿。隨著我國綜合國力日益增強,經濟建設不斷加快,石化、冶金、電力等涉及到大型設備安裝的企業以及公路、橋梁的建設都對灌漿材料提出了更高的性能要求。目前使用的灌漿材料耐久性較差,體積收縮較大,強度發展較慢,從而影響到使用壽命和結構穩定性,因此研究高性能的水泥基灌漿材料具有很強的現實意義。

1 實驗用原材料及其配制

1.1 水泥

實驗選用山西吉港水泥有限公司生產的普通硅酸鹽水泥和山西陽泉天隆工程材料有限公司生產的快硬硫鋁酸鹽水泥。水泥標準稠度用水量按《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法(GB/T 1346—2011)》中規定的步驟進行,凝結時間按《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法(GB/T 1346—2011)》中規定的步驟完成,測定兩種水泥的凝結時間和標準稠度用水量。水泥的物理性能指標見表1。

表1 水泥物理性能指標

1.2 硅灰

為減小水泥顆粒間的孔隙率,可在水泥中加入具有較小顆粒粒徑特征的硅灰,利用硅灰和水泥加水拌合后水化產物反應生成凝膠體的特點,可以顯著改善灌漿材料的抗滲、抗折以及抗壓性能。硅灰性能等相關技術指標滿足《高強高性能混凝土用礦物外加劑(GB/T 18736—2002)》的要求。

1.3 膨脹劑

U型膨脹劑具有多種組合成分,主體包括氧化鋁、硫酸鋁、硫酸鋁鉀等,每一時期能起到膨脹作用的組成成分是有差別的。本實驗選用的高效U型混凝土膨脹劑,性能符合《混凝土膨脹劑(GB 23439—2009)》[1]的要求。

1.4 減水劑

實驗選用聚羧酸高效減水劑,減水率為25%～30%，可減小水泥顆粒間的摩擦阻力,減弱顆粒間的凝聚作用,可以使包裹在絮狀結構水泥中的自由水釋放而出,分散水泥顆粒,進而大大改善水泥漿的流動性能。

1.5 砂

本實驗采用3種不同粒徑的干砂,其中A類砂為粗砂,B類砂為中砂,C類砂為細砂,分別取500 g砂進行顆粒級配試驗,所用篩孔尺寸各為：4.75、 2.36、1.18、0.6、0.3、 0.15 mm。根據細度模數計算公式：

分別計算3種砂的細度模數各為：

MA=4.93,MB=4.06,MC=2.19。

3種砂顆粒級配均不滿足規定的標準范圍。對其3種砂進行級配組合優選出符合級配的砂，級配比例見表2。

表2 3種砂級配比例

按比例混合篩分計算,確定級配為A: 15%, B: 65%, C: 20%為最優級配,其級配符合混凝土用砂質量標準,顆粒級配見圖1。

圖1 石英砂的顆粒級配

2 試驗方法

2.1 灌漿料抗壓、抗折試驗

本實驗依次加入水泥、快硬水泥、硅灰、膨脹劑,利用行星式膠砂攪拌機充分攪拌均勻之后再將減水劑和水加入攪拌,待均勻后再加入砂拌和至均勻。實驗模型尺寸為：40 mm×40 mm×160 mm；裝模時自然成型并養護：灌漿料放置進模具后靜置24 h,隨即拆模,對試塊按照規范在標準條件下按規定齡期進行養護,完成后進行強度測試[2]。

抗折強度：放置時應將試件沿著實驗中澆筑的側面放入抗折實驗機,并讀取數值,轉化成相應的抗折強度。實驗結果取3個試塊抗折強度的平均值,若有一個試塊的抗折強度高于平均值的±10%時,取剩余兩個抗折強度的平均值作為實驗結果；若有兩個試塊的抗折強度超過平均值的±10%時,應重做實驗。

抗壓強度：將抗折實驗結束后的斷塊進行抗壓強度試驗,受壓面為試塊的側面,加載速率為(2.0±0.2)kN/s,直至試塊破壞。

抗折強度按下式計算：

R=P/A

式中：R為抗壓強度,MPa；

P為試件破壞荷載,N；

A為試件受壓面積,m2。

取6個實驗結果的平均值作為試件的抗壓強度。

2.2 灌漿料流動度試驗

流動度測試方法：所用的儀器是高度為(60±0.5) mm,上口內徑為(70±0.5) mm,下口內徑為(100±0.5) mm,下口外徑為120 mm的截錐圓模。操作過程：首先將截錐形模相切,之后緩緩提拉起截錐圓,確保灌漿料能夠在玻璃板上無阻流動,分別用直尺測量玻璃板流動范圍內灌漿料互相垂直方向直徑的最大值,取其均值視作灌漿料初始流動度。完成測量后靜置30 min,再次重新攪拌灌漿料并測其流動度,計作30 min流動度最終值。

2.3 豎向膨脹率計算

灌漿料還有一個極為重要的技術指標：膨脹率。豎向膨脹率按下式計算：

式中：εt為豎向膨脹率；

ht為試件齡期為t時的高度讀數，mm;

h0為試件高度的初始讀數，mm;

h為試件基準高度100，mm。

實驗結果取3個試件豎向膨脹率的算術平均值,計算結果精確至0.01。

3 膠凝材料配合比

3.1 膠凝材料正交試驗

采用三因素(快硬硫鋁酸鹽水泥,膨脹劑,硅灰)三水平進行正交試驗[3],按膠砂強度標準制作試件,養護28 d,分別進行1、3、28 d齡期抗壓強度試驗。因素水平表見表3,抗折抗壓強度試驗結果見表4。

表3 因素水平表

3.2 正交試驗數據分析處理

采用方差齊性檢驗分析方法分別計算統計3個齡期下各因素的K值,極差R值[4]。K代表表4任意列水平號為i時所對應的實驗結果之和。正交試驗方案及結果見表4。

表4 正交試驗方案及結果

從正交試驗數據統計中可以看出：在A、B、C三個因素中,不論是1、3、28 d強度,B因素的極差在同等天數強度中是最大的,其次是A因素,最后是C因素。具體數據分析見表5;1、3、28 d方差齊性檢驗結果見表6～8。

說明膨脹劑用量對膠凝材料強度影響最為顯著，為：B>A>C。

根據極差大小排列,可知三因素對膠凝材料1、3、28 d抗壓強度影響由大到小排序均為B、A、C。

表5 抗壓強度K值與方差R統計

表6 1 d方差齊性檢驗分析結果

表7 3 d方差齊性檢驗分析結果

表8 28 d方差齊性檢驗分析結果

綜合分析因素A、B、C對1、3、28 d強度的影響,最終選擇膠凝材料最佳配比為B2A3C3。

4 膠砂比、水膠比和外加劑配比

水膠比和膠砂比的大小,將會極大影響著灌漿材料的強度、收縮及流動性。膠砂比較大時,在用水量相同,減水劑用量相同的條件下會減小其流動度,提高早期強度，同時伴隨著灌漿材料收縮的增加。隨著水膠比的增加,灌漿料的流動性增強,灌漿后的強度降低[5]。

實驗分別選取三種梯度的水膠比和膠砂比,每組水膠比下對應三種膠砂比,外加劑含量通過試驗定為0.3%。分別分析在這些配比之下灌漿料的流動性、強度、豎向膨脹率、收縮率等相關試驗指標,得出最佳性能的灌漿料配比[6],具體分析見表9。

表9 不同水膠比和膠砂比下抗折抗壓強度和流動度

在不同的膠砂比和水膠比條件下,配置灌漿料測定其初始和30 min流動度[7],試驗中發現水膠比為0.36的灌漿料泌水現象嚴重,泌水率為0.7%,遠超規范要求,因此不予考慮,選取其余梯度制作膠砂條并進行相應試驗。試驗抗壓強度變化規律見圖2、圖3；收縮率變化規律見圖4、圖5。

圖2 水膠比0.32下不同膠砂比抗壓強度

圖3 水膠比0.34下不同膠砂比抗壓強度

圖4 水膠比0.32下不同膠砂比收縮率

圖5 水膠比0.34下不同膠砂比收縮率

5 結 語

由實驗結果可知,隨著水膠比增加,灌漿料試塊抗折抗壓強度降低,流動性增大。在相同水膠比情況下,隨著膠砂比的增大,灌漿料試塊抗折抗壓強度增加,流動性下降。在水膠比為0.34,膠砂比為1.2的配比下,抗折抗壓強度高,流動性較大且在合理范圍內。因此判定以水膠比0.34和膠砂比1.2的水泥基灌漿料為最佳配比,在此配比下,測得水泥基灌漿料的3 h豎向膨脹率為0.05%,24 h與3 h豎向膨脹率之差為0.08%,均在規范要求的范圍之內。故可以認為在0.34的水膠比,1.2的膠砂比和0.3%的減水劑摻量下對應的配比為高性能水泥基灌漿料的最佳配比,在此配比下的水泥基灌漿料具有高抗折強度、高抗壓強度、較高的流動性、微膨脹的特點[8]。

本實驗通過確定進行正交試驗,結合方差分析等統計學[9]知識確定出具有高強度的膠凝材料最佳配合比。以此膠凝材料分別加入水、骨料、外加劑,對膠砂比和水膠比進行試驗分析,最終得出最佳膠砂比和水膠比配比從而制備得到具有新配方比例的高性能水泥基灌漿料。