硫鋁酸鹽水泥在灌漿料中的應用研究

汪宣乾 章 鵬

（華新水泥股份有限公司，湖北 武漢430000）

0 引言

灌漿作為水泥混凝土結構修補加固最廣泛的工藝之一，其灌漿材料的選擇成為灌漿工藝的核心所在。灌漿料應具備流動性良好、凝結迅速、早期強度高以及后期強度穩定等特點。高性能水泥基灌漿料主要由水泥、細集料、水以及實現某種功能而加入的外加劑或摻合料按一定比例配制，經攪拌后澆筑無需振搗便可自由流變并達到均勻密實狀態的灌漿材料，常被用于大中型設備的二次灌漿、建筑結構加固或工程緊急搶修等領域[1-3]。

本文以硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料，探討Li2CO3、Ca(NO2)2、超細CaCO3粉、硅灰和可再分散膠粉等外加劑對其性能的影響，以尋找一種或配制一種外加劑來制備一種凝結快、早期強度高、工作性能好和后期強度穩定的硫鋁酸鹽水泥基灌漿料，使之更好地服務于灌漿工程。

1 理想的灌漿材料應具備的特征

理想的灌漿材料應具備以下幾個特征∶（1）較高的流動性，保水性能好，利于泵送灌漿操作；（2）凝結硬化時間要短，初終凝間隔時間小，利于提高施工作業效率；（3）早期強度高，且后期強度持續增長；（4）更小的收縮和更好的耐久性；（5）廢料少，無毒性，使用方便，安全環保[4]。

因此，工作性能好、快硬早強且后期強度穩定的灌漿材料是灌漿工程的首要選擇。而硫鋁酸鹽水泥具有早期強度高、抗滲抗凍性能優良、耐腐蝕性好等特點，是制備該類灌漿材料的理想膠凝材料[4、5]，但其初終凝時間難以調節、后期強度出現倒縮現象，若直接用于灌漿施工會削弱實際灌漿效果，因此，通過外加組分來調控硫鋁酸鹽水泥的性能，以解決上述問題。目前，國內外不少學者對硫鋁酸鹽水泥基灌漿材料的配制、機理和性能進行了系統的研究：Krishnamoorthy研究了水泥基灌漿料的流動性、強度、收縮以及耐久性；Huang研究了含有有機纖維的水泥-粉煤灰灌漿料的力學性能和耐久性；戴民等研究了硅灰、雙飛粉和輕質碳酸鈣等礦物摻合料對硫鋁酸鹽水泥基灌漿料性能的影響[6-8]。

2 外加劑對硫鋁酸鹽水泥性能的影響試驗

2.1 水泥基灌漿料的原材料及配比

硫鋁酸鹽水泥：化學組成見表1；砂：普通河砂；減水劑：奈系高效減水劑；碳酸鋰：工業級別；亞硝酸鈣：工業級別；超細CaCO3粉：工業級別，平均粒徑3μm；硅灰：平均粒徑80nm；可再分散膠粉：固含量大于98%。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥的化學組成（單位：%）

2.2 試驗工藝方案

主要研究Li2CO3、Ca(NO2)2、超細CaCO3粉、硅灰和可再分散性乳膠粉等外加劑對硫鋁酸鹽水泥的影響，并在選用最優組分制備改性硫鋁酸鹽水泥基灌漿料，試驗主要流程如圖1所示。

圖1 灌漿料制備工藝流程圖

3 試驗結果討論

3.1 早強組分對水泥性能的影響

3.1.1 早強組分對水泥凝結時間的影響

早強組分對水泥凝結時間的影響見圖2。

圖2 早強組分對水泥凝結時間的影響

由圖2可知，Li2CO3和Ca(NO2)2的摻入都能加速硫鋁酸鹽水泥漿體的凝結，并且Li2CO3的效果更加明顯，當其摻量為0.01%時，初凝縮短至12min，終凝縮短至23min，但若摻量繼續加大，硫鋁酸鹽水泥凝結時間繼續縮短但幅度較為平緩，說明對于Li2CO3而言，要想實現硫鋁酸鹽水泥的快速凝結，該摻量較為經濟合理。Ca(NO2)2的摻入雖然也能縮短水泥的凝結時間，但作用效果有限，摻量為0.9%時，初凝為30min，終凝為75min，凝結時間較長。由此看出Li2CO3的作用效果都要好于Ca(NO2)2，作為早強組分更能縮短灌漿料的施工周期。

3.1.2 早強組分對水泥抗折強度的影響

Li2CO3作為一種早強組分，除了能夠加速硫鋁酸鹽水泥的凝結以外，還可以提高其早期強度，早強組分對水泥抗折強度的影響見圖3。從圖3可以看出，隨著Li2CO3摻量的增加，1d和3d強度逐步增長至10.8MPa和11.5MPa，說明Li2CO3能夠顯著促進硫鋁酸鹽水泥的水化反應。但Li2CO3的摻入對硫鋁酸鹽水泥后期強度的增長優勢不明顯，基本維持在9MPa左右。Ca(NO2)2對硫鋁酸鹽水泥的早期強度作用不大，當摻量從0.3%增加到0.9%時，1d、3d強度仍然在7.0～7.5MPa范圍內，但28d強度卻有較大幅度增長，達到11.4MPa。可以看出，雖然Li2CO3和Ca(NO2)2都能作為早強組分，但兩者的作用效果卻差異較大。

圖3 早強組分對水泥抗折強度的影響

3.2 摻合料對水泥性能的影響

3.2.1 摻合料對水泥擴展度的影響

摻合料對水泥擴展度的影響見圖4。從圖4可以看出，超細CaCO3粉和硅灰這兩種摻合料的加入都在一定程度上降低了硫鋁酸鹽水泥漿體的流動性，但超細CaCO3粉的影響較小，擴展度仍然在185mm左右。而對于硅灰而言，其摻量越大，水泥漿體的流動性越差，當摻加量為3%時，擴展度降低至160mm，這對于灌漿材料施工是極為不利的。因此超細CaCO3粉更適合作為摻合料組分來提高灌漿料的綜合性能。

圖4 摻合料對水泥擴展度的影響

3.2.2 摻合料對水泥抗折強度的影響

超細CaCO3粉和硅灰對硫鋁酸鹽水泥抗折強度的影響見圖5。從圖5中可以看出，在超細CaCO3粉摻加量變化的時候，硫鋁酸鹽水泥的強度呈現出先增后減的趨勢，當摻加量達到3%時，其各齡期強度均達到最大值，尤其是28d強度為11.5MPa，說明超細CaCO3粉的微集料填充效果很好，能夠使水化凝結后水泥石漿體的內部結構更加致密，宏觀表現為強度上升，但若摻加量過大，反而阻隔了水泥石漿體的連接，強度下降。對于硅灰而言，其作用效果與超細CaCO3粉類似，摻加量在3%時硫鋁酸鹽水泥各齡期強度達到峰值，但是當添加量進一步增大后雖然強度有所下降，但略高于摻加超細CaCO3粉時水泥石的強度，這可能是由于硅灰除了有微細粉填充效應外，還與它自身的反應活性效應有關。

圖5 摻合料對水泥抗折強度的影響

3.3 可再分散膠粉對水泥性能的影響

膠粉對水泥擴展度和抗折強度的影響見圖6。由圖6可知，隨著可再分散膠粉摻入量的增加，硫鋁酸鹽水泥的擴展度不斷提高，當膠粉摻入量達到2.5%時，擴展度達到208mm，較空白樣對比提高了12%，之后隨著摻入量的增加，擴展度提高幅度明顯降低，基本不再提高。摻入膠粉后各齡期抗折強度均有增長，但強度增加最多的是硫鋁酸鹽水泥的11d和28d強度，并且當添加量在2.5%時，達到最高，分別是10.5MPa和11.1MPa。但若其添加量再進一步增加，硫鋁酸鹽水泥的強度反而呈現下降趨勢，說明膠粉在硫鋁酸鹽水泥中的摻加量不宜過多。

圖6 膠粉對水泥擴展度和抗折強度的影響

4 改性硫鋁酸鹽水泥基灌漿料的制備

根據上述試驗結果與理論分析,采用Li2CO3、超細CaCO3和可再分散性乳膠粉等外加劑來提高灌漿料的綜合性能，配比見表2，基本性能試驗測試結果見表3。

表2 灌漿料的配比

表3 灌漿料的基本性能

從試驗結果可以看出，經過改性硫鋁鹽水泥基灌漿料的初凝時間為35min，終凝時間為63min，對于灌漿工程中快速施工極為有利，其擴展度也提高到194mm，工作性能優良。與A灌漿料相比，A1的1d、28d抗折強度提高了37.8%、26.1%，早期和后期強度均得到明顯提高，并且通過外加組分的摻入也消除了硫鋁酸鹽水泥所固有的后期強度倒縮的問題。從圖7和圖8也可以看出，經過改性后的硫鋁酸鹽水泥基灌漿料內部有害氣孔數更少，水化產物彼此連接更加緊密，內部生成鈣礬石的數量更多，這些鈣礬石晶體細小并且交錯生長，提高了灌漿料的密實度和后期強度。

圖7 水泥砂漿試塊斷面圖

圖8 水泥石28d掃描電鏡圖

5 結束語

（1）Li2CO3和Ca(NO2)2作為早強組分摻入硫鋁酸鹽水泥中，都能夠快速縮短水泥的凝結時間，促進水泥的凝結硬化，進而提高早期強度，但對于灌漿工程而言，Li2CO3的早強促凝效果要比Ca(NO2)2更具優勢，更有利于縮短灌漿材料的施工周期。

（2）適量的超細CaCO3粉和硅灰都能夠促進硫鋁酸鹽水泥后期強度的穩步增長，但硅灰的摻入會導致灌漿料漿體的擴展度有所降低，對工作性能不利，而超細CaCO3粉卻對漿體的流動性無明顯影響，因此更適合作為摻合料組分來提高灌漿料的綜合性能。

（3）摻入可再分散膠粉后各齡期抗折強度均有增長，但強度增加最多的是硫鋁酸鹽水泥的11d和28d強度，當添加量在2.5%時，抗折強度達到最高，分別是10.5MPa和11.1MPa，此時硫鋁酸鹽水泥的流動性最好。

（4）與純硫鋁酸鹽水泥漿體相比，改性后灌漿料具備快凝早強、工作性能優良，后期強度穩定等特點，較好地滿足了灌漿工程的實際需要。