不同膨脹劑對水泥基灌漿料性能的影響

劉云霄， 茌引引， 田 威， 侯英杰， 張嘉航

（長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061）

水泥基灌漿料流動性好、早期強度高、密實性好，可廣泛應用于水電、隧道、構件安裝以及裂縫修補等工程中［1］，也是中國推進建筑工業化、推廣裝配式混凝土結構中節點連接的重要材料，這是由于裝配式混凝土的結構穩定性、耐久性和質量關鍵在于節點部位灌漿的優劣［2-3］.水泥基灌漿料澆筑成型后，因水泥水化和外界環境等變化會引起材料失水，導致材料表層毛細管負壓增大，并出現收縮開裂［4］.水泥基灌漿料在塑性和硬化階段出現的收縮開裂，輕則引起灌漿料黏結部位接觸不良，造成鋼筋銹蝕，重則影響其結構強度和耐久性［5］.

減小由材料失水造成的灌漿料在塑性和硬化階段收縮的主要手段是摻入膨脹劑，且不同品種膨脹劑的膨脹機理及膨脹發揮作用的階段均有所不同.硫鋁酸鹽膨脹劑（S）是由硫鋁酸鹽熟料、明礬石、石膏等組成，其水化生成的鈣礬石可以作為膨脹源補償水泥基材料的收縮.鈣礬石的主要形狀為六方柱體或針狀結晶，形成時要結合和吸附32 個水分子，使固相體積增大，宏觀體積膨脹［6-7］. 氧化鈣膨脹劑（CaO）的作用機理是氧化鈣與水反應生成氫氧化鈣，且氧化鈣比表面積大，反應活性高，水化速率相對較快，氫氧化鈣的生成速率高于其轉移速率，從而使體系產生宏觀膨脹［8］.塑性膨脹劑（P）則是在漿體塑性階段產生膨脹，通過在漿體內部釋放氮氣，產生大量的微細氣泡而引發塑性膨脹，補償漿體的早期收縮［9］.

本文研究了不同摻量硫鋁酸鹽膨脹劑、氧化鈣膨脹劑、塑性膨脹劑及復合消泡劑對水泥基灌漿料的膨脹作用、產生作用的時間以及硬化后力學性能的影響，以期減少灌漿料在塑性階段的收縮，并具有一定的膨脹性能，為不同膨脹劑在水泥基灌漿料中的應用提供技術數據.

1 試驗

1.1 原材料

水泥為冀東P·O 42.5 水泥；石英粉粒徑小于75 μm，純度1）文中涉及的純度、水膠比等均為質量分數或質量比.大于99%；硅灰為河南鄭州某廠家生產，平均粒徑為0.1～0.3 μm，pH 值為4.5～6.5；膨脹劑為天津偉合科技發展有限公司生產的硫鋁酸鹽膨脹劑、氧化鈣膨脹劑、塑性膨脹劑；聚羧酸減水劑的減水率為20%；增稠劑為羥甲基丙基纖維素醚，20 萬黏度；消泡劑為廣東中聯邦精細化工有限公司生產的B-346.

1.2 配合比設計

固定水膠比為0.44，m（膠凝材料）∶m（石英砂）∶m（減水劑）∶m（增稠劑）=100.00∶70.00∶0.50∶0.03，膠凝材料中硅灰的用量為5%，膨脹劑的摻量均以水泥的質量計.摻硫鋁酸鹽水泥基灌漿（CS 組）中硫鋁酸鹽膨脹劑為內摻，其摻量wS=8%、10%、12%，分別記為CS-8、CS-10、CS-12；摻氧化鈣水泥基灌漿（CaO 組）中氧化鈣膨脹劑為內摻，其摻量wCaO=3%、5%、7%，分別記為CaO-3、CaO-5、CaO-7；摻塑性膨脹劑水泥基灌漿（CP 組）中塑性膨脹劑為外摻，其摻量wP=0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.10%、0.12%，分別記為CP-2、CP-4、CP-6、CP-8、CP-10、CP-12；未摻加膨脹劑的水泥基灌漿料記為C-0.

1.3 試驗方法

根據GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應用技術規范》，分別對水泥基灌漿料進行流動度、強度和豎向膨脹率（εt）的測試.豎向膨脹率采用架設百分表的方法，儀器設備符合GB 50119—2013《混凝土外加劑應用技術規范》中附錄C 的有關規定，其計算公式為：

式中：h0為試件高度的初始讀數，mm；ht為齡期為t時的試件高度讀數，mm；h為試件基準高度，取100 mm.

采用蔡司立體光學顯微鏡觀察塑性膨脹劑水泥基灌漿料內部孔隙分布；日立S-4800 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察28 d 水泥基灌漿料微觀形貌并進行分析.

2 結果與討論

2.1 不同膨脹劑對水泥基灌漿料豎向膨脹率的影響

不同膨脹劑對水泥基灌漿料豎向膨脹率的影響見圖1. 由圖1 可見：C-0 在水化早期出現明顯收縮，CS 組早期收縮均略小于C-0，且隨著硫鋁酸鹽膨脹劑摻量的增大逐漸減小，收縮現象的出現是因為水泥水化導致體系內自由水含量降低，毛細孔內失水形成負壓，產生收縮應力［10-11］，而早期鈣礬石的生成速率小于水化耗水速率，因此早期表現為收縮，隨著水化反應的進行，生成了較多數量的鈣礬石來填充孔隙并產生一定的膨脹［12］；C-0 的3 h 豎向膨脹率（ε3）為-0.01%，加入硫鋁酸鹽膨脹劑后，灌漿料豎向膨脹率增大，且硫鋁酸鹽膨脹劑摻量越大，后期的膨脹效果越好；CaO 組早期沒有出現收縮現象，但隨著氧化鈣膨脹劑摻量的增大，灌漿料早期膨脹率逐漸增大；與CS 組相比，CaO 組3 h 前的膨脹率較高，且硬化后膨脹曲線能夠保持上升趨勢，考慮是因為氧化鈣膨脹劑水化速率相對較快，氫氧化鈣的生成速率高于其轉移速率，從而引起結構體積增大；與C-0 相比，CP 組早期的豎向膨脹率顯著提高；對CP 組，塑性膨脹劑產生膨脹主要發生在16 h前，16 h 之后曲線趨于平緩穩定，且塑性膨脹劑摻量越大，早期膨脹速率越快，這是因為塑性膨脹劑在塑性階段產生的氮氣能在漿體內部形成大量微細孔來作為早期膨脹源，且摻量越大，生成氮氣越多，膨脹效果越好.

根據GB/T 50448—2008，水泥基灌漿料3 h 豎向膨脹率需達到0.10%以上，且3、24 h 豎向膨脹率之差應在0.02%～0.50%.由圖1 還可見：對CS 組，其ε3均小于0.10%，不滿足規范要求；對CaO 組，僅當wCaO=7% 時，滿足規范要求；對CP 組，當wP=0.04%、0.06%時，滿足規范要求.

圖1 不同膨脹劑對水泥基灌漿料豎向膨脹率的影響Fig.1 Influence of different expanders on εt of cement grouting materials

3.2 不同膨脹劑對水泥基灌漿料流動度及強度的影響

不同膨脹劑對水泥基灌漿料流動度及強度的影響見圖2.

由圖2（a）可見：與C-0 相比，CS 組的初始流動度和30 min 流動度均略減小；當wS=8%、12%時，灌漿料的初始流動度分別降低了0.70%、3.15%，但仍在400.00 mm 以上；當wCaO=3%時，灌漿料的初始流動度和30 min流動度均在400.00 mm以上；當wCaO=7%時，灌漿料的初始流動度比C-0低81.33 mm，下降明顯，損失率達19.15%，且其30 min后的流動度已經不滿足GB/T 50448—2008中的Ⅱ類要求（≥310 mm）；與C-0相比，CP 組初始流動度和30 min 流動度損失都較小，wP=0.02%、0.12%時，其初始流動度損失值分別為2.33、21.33 mm，30 min 流動度損失值分別為2.33、29.67 mm.綜上，膨脹劑的加入均會導致水泥基灌漿料流動性的降低，其中氧化鈣膨脹劑對流動性的影響最大.

圖2 不同膨脹劑對水泥基灌漿料流動度及強度的影響Fig.2 Influence of different expanders on fluidity and strength of cement grouting material

由圖2（b）、（c）可見，3 種膨脹劑摻入后，水泥基灌漿料的強度均有所降低，且隨著膨脹劑摻量的增大，其強度損失率逐漸增大.選取CS 組、CaO組、CP 組中膨脹性與流動性均較好的水泥灌漿料強度測試結果，來對比分析3 種膨脹劑對強度的影響程度：與C-0 相比，CS-10 的7、28 d 抗壓強度損失率分別為8.69%、12.73%，抗折強度損失率分別為9.03%、6.17%；CaO-5 的7 、28 d 抗 壓 強 度 損 失 率分別為11.78%、20.15%，抗折強度損失率為分別11.32%、11.93%；CP-6 的7、28 d 抗壓強度損失率分別為15.44%、16.97%，抗折強度損失率分別為10.56%、12.24%.由此可見，7、28 d 抗壓、抗折強度損失較大的均為CP 組、CaO 組，這表明塑性膨脹劑和氧化鈣膨脹劑均對水泥灌漿料強度有明顯的不利影響.

2.3 摻加不同膨脹劑水泥基灌漿料硬化后微觀形貌分析

為進一步研究不同膨脹劑對水泥基灌漿料水化產物的影響，對摻入不同膨脹劑的水泥基灌漿料水化28 d 試樣進行微觀形貌分析，其SEM 照片見圖3. 由圖3 可見：硫鋁酸鹽膨脹劑是以鈣礬石作為膨脹源，CS-10 以生成的大量針狀鈣礬石來補償水泥基材料的收縮并產生膨脹，同時與較多的凝膠相交織，交錯聯接形成致密結構；CaO-5 中有較多的六方片狀晶體，氧化鈣膨脹劑與水反應后生成較多的氫氧化鈣，使水泥基材料產生膨脹，氧化鈣膨脹劑發揮的作用分為初期氧化鈣水化生成膠凝狀的氫氧化鈣所產生的膨脹、膠凝狀的氫氧化鈣發生重結晶，從而轉化為較大的層狀或六方片狀結晶的膨脹這2 個階段［13］，隨著氫氧化鈣晶型的轉變，水泥基灌漿料產生膨脹；CP-6 內部有大量孔隙，作為漿體早期膨脹源，在孔內可以看到柱狀或針狀鈣礬石晶體富集，這有助于提高結構密實度，也在一定程度上減少了漿體孔隙收縮應力，補償了漿體硬化階段的收縮.

圖3 不同膨脹劑水泥基灌漿料水化28 d 的SEM 照片Fig.3 SEM images of cement grouting material with different expanders after hydration for 28 d

2.4 塑性膨脹劑與消泡劑復合對水泥基灌漿料性能的影響

加入塑性膨脹劑后，灌漿料在攪拌過程中會產生大量氣泡，氣泡在提高膨脹率的同時，降低了灌漿料的流動性和強度.為降低塑性膨脹劑的不利影響，在加入塑性膨脹劑的水泥基灌漿料中加入少量消泡劑，以控制塑性膨脹劑氣泡的大小及數量，加入方式為水中稀釋，均勻攪拌，其摻量為膠凝材料質量的0.50%.加入消泡劑的CP 組記為CP-D 組，且CP-2-D表示加入消泡劑的CP-2 水泥基灌漿料，其他類推.消泡劑對CP 組水泥基灌漿料性能的影響見圖4，其中ρd為灌漿料28 d 的干表觀密度.

由圖4（a）可見：消泡劑的摻入對CP組流動性影響較小；當wP=0%～0.06%時，未加消泡劑的CP 組灌漿料流動度比加入消泡劑的CP-D組略高，其原因是水泥在攪拌過程中會產生氣泡，氣泡的存在，能降低灌漿料內部顆粒之間的摩擦阻力，加入消泡劑反而會使流動度降低；隨著塑性膨脹劑摻量的增大，因其消耗水對流動度的影響大于氣泡滾珠，灌漿料流動度逐漸減小.

由圖4（b）可見：加入消泡劑的CP-D 組灌漿料ρd相對增大，結構密實度提高；塑性膨脹劑摻量越多，消泡劑的摻入對ρd提高的幅度越明顯.

由圖4（c）可見，消泡劑的摻入能增加水泥基灌漿料的強度，當wP=0%～0.08%時，消泡劑對強度的增強效果較明顯.

由圖4（d）可見：消泡劑對水泥灌漿料3、24 h的豎向膨脹率基本沒有影響.在攪拌過程中目測發現，隨著塑性膨脹劑摻量的增大，加入消泡劑的CP-D組灌漿料表面大氣泡明顯減少，微小細泡稍微變多，說明消泡劑對水泥攪拌過程中產生的大氣泡有消除作用，對塑性膨脹劑產生的微小細泡影響不大.

圖4 消泡劑對CP 組水泥基灌漿料性能影響Fig.4 Influence of defoaming agent on properties of cement grouting material in group CP

為分析消泡劑對摻有塑性膨脹劑水泥基灌漿料氣孔結構的影響，采用光學顯微鏡，在放大50 倍的條件下，觀察新拌狀態（加水拌和15 min）下灌漿料表面和硬化后（28 d 齡期）灌漿料斷面的氣孔結構，結果見圖5.由圖5 可見：新拌狀態（15 min）下C-0 灌漿料表面氣泡較少且分布較均勻；CP-6 灌漿料表面氣泡數量較多，孔徑較大，可以看出塑性膨脹劑發揮作用的時間較早，發揮效果較好；加入消泡劑后，CP-6-D 灌漿料表面大氣泡變少，微小氣泡增多；與新拌狀態下CP 組相比，CP-D 組灌漿料28 d 齡期的孔隙尺寸與孔隙分布基本沒有變化，這表明隨著水化齡期的增長，塑性膨脹劑發揮作用較為穩定，消泡劑的加入能夠很好地改善灌漿料的孔隙結構.

為進一步分析塑性膨脹劑與消泡劑對灌漿料氣孔結構的影響，用Image-Pro Plus軟件分析圖5中灌漿料的孔徑（d），結果見圖6.由圖6可見：對比未摻消泡劑的CP組和摻入消泡劑的CP-D組，發現摻入消泡劑后，灌漿料中未出現d＞100 μm 的孔隙，d=61～100 μm 的孔隙含量明顯降低，d=21～60 μm 的孔隙含量明顯增加，d＜20 μm的孔隙含量相差不大，這表明消泡劑能夠起到細化d＞60 μm孔隙的作用；28 d齡期后，灌漿料硬化體中孔隙分布與塑性狀態呈現出相同的規律.因此，無論是早期還是硬化后，摻入消泡劑的灌漿料，均呈現出微小孔徑增多、結構孔隙分布改善的效果.由圖6還可見，隨著齡期的增長，CP 組d＞100 μm 孔隙含量增多，CP-D 組60～100 μm 孔隙含量增多，這表明不論是否摻加消泡劑，隨著齡期的增長，摻加塑性膨脹劑的灌漿料中尺寸相對較大的孔隙數量均會增加，這也是塑性膨脹劑發揮膨脹作用的主要表現.

圖5 水泥基灌漿料的顯微鏡觀測圖Fig.5 Microscopic observation of cement grouting material（50×）

圖6 水泥基灌漿料的孔徑分布圖Fig.6 Pore size distribution diagrams of cement grouting material

3 結論

（1）摻加硫鋁酸鹽膨脹劑后，水泥基灌漿料先收縮后膨脹，后期膨脹效果較好；隨著硫鋁酸鹽膨脹劑摻量的增加，漿體初始流動度和30 min 流動度逐漸減小，強度逐漸降低.

（2）氧化鈣膨脹劑摻入后，灌漿料早期膨脹速率較高，硬化后仍保持較好的膨脹效果；與硫鋁酸鹽膨脹劑相比，加入氧化鈣膨脹劑，膨脹率更高，但漿體流動度與硬化體強度損失率更為明顯.

（3）塑性膨脹劑的摻入顯著提高了水泥基灌漿料塑性階段的豎向膨脹率，因其發揮作用主要在塑性階段，尤其對早期強度影響較大.

（4）在摻加塑性膨脹劑的灌漿料中加入消泡劑，對塑性膨脹劑的膨脹效果影響不大，但有效降低了孔隙直徑，改善了孔隙分布.塑性膨脹劑復合消泡劑使用，不僅保證了膨脹性，對其他性能的降低幅度也較小，具有較好的綜合技術效果.