養護溫度對水泥基灌漿料強度發展影響研究

吳興杰

(滁州學院 土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000)

灌漿料作為一類常用的土木工程材料，被廣泛應用于補強、加固、防水、鋼筋套筒連接等多種工程中.其中水泥基灌漿料由于強度高、耐久性好、污染小等優點，在現代注漿材料中受到極大的重視[1].水泥基灌漿料利用水泥作為主要膠凝材料制成灌漿材料，在注漿施工過程中一般要求溫度不得低于5 ℃，低溫(溫度低于5 ℃)及負溫(溫度低于0 ℃)環境會嚴重影響水泥基灌漿料的強度發展，從而影響灌漿效果.我國北方大部分地區冬季氣溫低，持續時間長，東北和西北部分寒冷地區低溫持續時間接近5 個月，青藏高原地區平均氣溫為(?6.9～?4) ℃[2].為應對低負溫環境的不利影響，朱清華等[3]利用快硬水泥作為膠凝材料配制了低溫型灌漿料，發現灌漿料在較短時間內能夠獲得較高的強度，但其凝結速度過快，允許注漿施工操作時間較短.王燕謀等[4]、董淑慧等[5]和謝松等[6]在普通硅酸鹽水泥的基礎上摻加硫鋁酸鹽水泥作為灌漿料的膠凝材料，發現在低溫環境下灌漿料抗壓強度有一定的增長，但增長幅度較小.馬正先等[7]在灌漿料中添加礦物摻合料，發現隨礦物摻合料摻量的增加，灌漿料抗壓和抗折強度都呈先增加后減小的趨勢.同時，很多學者針對低負溫環境下混凝土的物理力學性能進行了深入的研究.Karag?l 等[8]對負溫環境下混凝土性能進行了研究，探究了負溫環境下新拌混凝土的受凍機理與水泥的水化過程.Kotwa[9]針對負溫環境和預養時間2 個因素對新拌混凝土的影響進行了研究.黃煜鑌等[10]研究了養護齡期和養護方式對混凝土力學性能影響，結果發現混凝土力學性能隨養護條件的改變發生變化.李治等[11]對高性能混凝土在不同溫度下進行養護，研究其強度與耐久性.董淑慧等[12]針對負溫混凝土的微觀形貌與孔隙結構進行研究，分析其宏觀性能與早期養護溫度的關系.

從已有文獻可知，對于低負溫環境，很多學者從養護溫度出發對混凝土材料物理力學性能進行了較多研究，但對于灌漿料則主要從改變其材料組成成分的角度進行改性研究.對于低負溫環境下灌漿料物理力學性質的研究，尤其是強度發展規律的研究還較少.本文從養護溫度的角度入手，分析不同養護溫度對不同齡期灌漿料抗壓和抗折強度的影響，尤其對低負溫環境下水泥基灌漿料的抗壓和抗折強度演化規律進行了研究.

1 試驗材料及方法

試驗灌漿料采用滁州中聯水泥廠生產的M32.5 型水泥，與河砂和水進行配制，其質量配合比為水泥∶河砂∶水=1∶1∶0.56.根據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO 法)》[13](GB/T17671—1999)標準試驗方法，將灌漿料制作成40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體，并將其置于常溫(20 ℃)和低負溫(5，0，?5 和?10 ℃)環境中，利用養護箱進行常溫養護，利用環境溫度箱進行低負溫養護.不同養護溫度的試樣見圖1.試樣養護至預定齡期，利用抗壓抗折一體試驗機進行抗壓和抗折試驗，并分別測試了各齡期試樣的抗壓強度及抗折強度.

圖1 不同溫度養護成型試樣

2 試驗結果及分析

2.1 養護溫度對灌漿料抗壓強度影響

不同養護溫度(20，5，0，?5 和?10 ℃)下，灌漿料試樣抗壓強度隨齡期(1，3，5，7，14，21和28 d)的發展見圖2；相同齡期試樣抗壓強度隨養護溫度變化見圖3.

圖2 不同養護溫度下灌漿料抗壓強度發展規律

圖3 不同齡期灌漿料抗壓強度隨養護溫度變化

由圖2 可知，對于不同養護溫度下灌漿料試樣抗壓強度隨齡期增加均呈增長趨勢，且養護溫度越高，試樣最終獲得的抗壓強度越高.養護溫度為20 ℃時，灌漿料試樣1 d 齡期時的抗壓強度為4.93 MPa，養護至28 d 齡期時增長至19.86 MPa；養護溫度為?10 ℃時，灌漿料試樣1 d 齡期時的抗壓強度為1.06 MPa，養護至28 d 齡期時增長至3.96 MPa.同時還可知，灌漿料試樣的抗壓強度在前7 d 的增長幅度較快，?10～20 ℃養護溫度下，其抗壓強度分別達到了28 d 齡期的57.07%，78.34%，62.80%，87.54%和58.91%.

在?5 和?10 ℃ 2 種養護溫度下，試樣抗壓強度明顯低于其他養護溫度.當養護溫度為0 ℃及以上時，灌漿料試樣中的拌合水全部或大部分以液態的形式存在于試樣中，有利于水泥的水化反應，因而其強度較高；當養護溫度為?5 和?10 ℃時，試樣中的水結冰后以固態的形式存在于試樣中，能夠明顯降低水泥的水化反應，試樣抗壓強度隨齡期的增長較為緩慢.28 d 齡期時，?10 ℃養護溫度下的試樣抗壓強度僅為20 ℃時的19.94%；同時，相比于?5 ℃，養護溫度為?10 ℃時，試樣中的水結冰更為充分，其水化過程更為緩慢，且水結冰后其體積膨脹又進一步地損傷試樣.因此，在相同齡期下，養護溫度為?10 ℃時試樣的抗壓強度均略低于養護溫度為?5 ℃時的抗壓強度.

由圖3 可知，對于各養護齡期，養護溫度越高，灌漿料試樣抗壓強度越大；隨養護齡期增加，養護溫度越高，抗壓強度增長幅度越大.當養護齡期為1 d 時，養護溫度從?10 ℃變化到20 ℃過程中，試樣抗壓強度從1.06 MPa 逐漸增加到4.93 MPa，最大值為最小值的4.65 倍；當養護齡期為28 d 時，養護溫度從?10 ℃變化到20 ℃的過程中，試樣抗壓強度從3.96 MPa 逐漸增加到19.86 MPa，最大值為最小值的5.02 倍.

對于不同齡期試樣，能夠發現養護溫度越高，其抗壓強度增長幅度越大，且隨著齡期的增長，這一變化趨勢更為明顯.對比20與5 ℃這2種養護溫度，當養護齡期為1 d 時，20 ℃養護溫度獲得的抗壓強度比5 ℃時大0.64 MPa；28 d 齡期時，20 ℃養護溫度獲得的抗壓強度比5 ℃時大11.51 MPa.產生這種現象的原因為當養護溫度為20 ℃時，試樣的水化反應比 5 ℃時更為迅速，相同齡期下試樣也能夠獲得更高的抗壓強度.隨著水泥水化的不斷發展，因養護溫度而導致的水泥水化程度差異越來越大，因此，隨養護齡期增長，20 ℃養護溫度下試樣抗壓強度增長幅度越明顯.

2.2 養護溫度對灌漿料抗折強度影響

對不同養護溫度下，不同齡期試樣進行抗折試驗.圖4 為不同養護溫度下試樣抗折強度隨養護齡期的變化規律；圖5 為各養護齡期、不同養護溫度時試樣抗折強度對比.

圖4 不同養護溫度下灌漿料抗折強度發展規律

圖5 不同齡期灌漿料抗折強度隨養護溫度變化曲線

由圖4 可知，隨著養護齡期增加，不同養護溫度時試樣的抗折強度逐漸增長，且在20 ℃養護溫度下，試樣的抗折強度最高，?10 ℃時最低.養護溫度為20 ℃時，養護齡期從1 d 增長到28 d過程中，抗折強度從1.51 MPa 逐漸增加到4.45 MPa；養護溫度為?10 ℃、養護齡期為1 d 時，由于試樣抗折強度過低，未能測得抗折強度值；養護齡期從3 d 增長到28 d 過程中，試樣抗折強度從1.63 MPa 逐漸增長到2.73 MPa.還可以看出，養護齡期達到5 d 以后，養護溫度為20 ℃時的抗折強度明顯高于低負溫養護條件下試樣的抗折強度，而各低負溫養護條件下，試樣的抗折強度相差不大.對比抗壓強度的變化規律，抗折強度的增長對于養護溫度的要求更高；20 ℃養護溫度時試樣抗折強度發展較快，5 ℃及以下養護溫度時，試樣抗折強度增長明顯減慢.

由圖5 可知，在各養護齡期，均呈現出養護溫度越高試樣抗折強度越大的變化趨勢；隨養護齡期的增加，20 ℃養護溫度下試樣的抗折強度相比其他養護溫度時增長幅度越來越大.3 d 齡期時，20 ℃養護溫度達到的抗折強度是?10℃時的1.22 倍；養護齡期28 d 時，該比值達到1.63 倍.這說明隨著養護齡期的增加，養護溫度越高越能夠促進試樣抗折強度的增長.

3 結論

1)對于不同養護溫度，試樣抗壓強度均隨養護齡期的增長而逐漸增加，且前7 d 養護齡期內抗壓強度增長較快；養護溫度越高，隨養護齡期增加，抗壓強度增長幅度越大.

2)養護溫度為?5 和?10 ℃時，試樣的抗壓強度明顯小于其他養護溫度.造成這種現象的原因是試樣中的水凍結為冰導致的.一方面，水結冰降低了水泥的水化反應；另一方面，水結冰后其體積膨脹損傷了試樣.

3)對于各養護溫度，試樣抗折強度隨養護齡期的增長均呈逐漸增加的趨勢.養護溫度為20 ℃時，試樣的抗折強度明顯高于其他養護溫度試樣的抗折強度；隨著養護齡期的增加，養護溫度越高，試樣抗折強度增長幅度越大.由此認為，抗折強度的增長對養護溫度的要求更高.