不同膠凝材料復配的水泥灌漿料力學性能影響分析

李佳凌 王成平

摘要：為了提升高性能水泥基灌漿料的基本性能，采用普通硅酸鹽水泥和快硬性硫鋁酸鹽水泥進行復配，通過該方式作為高性能水泥基灌漿料的膠凝材料，并向灌漿料中加入水泥、骨料、外加劑等成分。為解決灌漿料的粒子團聚問題，利用水泥砂漿標準攪拌程序提高水泥基的強度，有利于提高水泥基灌漿料的性能。將其應用于裝配式建筑領域，可降低工程施工的成本。

關鍵詞：高性能水泥基；流動度；力學性能；性能測試

中圖分類號：TU528.042+.7??? 文獻標志碼：A????? 文章編號：1001-5922（2023）03-0168-04

Effect of different cementitious materials on mechanicalproperties of cement grout

LI Jialing，WANG Chengping

（School of Architecture and Rail Transit，Xi an Vocational and Technical College，Xi an 710077，China）

Abstract：In order to improve the basic performance of high performance cement-based grouting material，ordinary Portland cement and fast hard sulphoaluminate cement are used as the cementing material of high performance ce? ment-based grouting material，and cement，aggregate，additives and other components are added to the grouting ma? terial. In order to solve the particle agglomeration problem of grouting material，the standard mixing procedure ofce? ment mortar is used to improve the strength of cement base，which is beneficial to improvingthe performance ofce? ment base grouting material. The cost of engineering construction can be reduced if it is applied to the field of pre? fabricated buildings.

Keywords：high-performance cement base；fluidity；mechanical properties；the performance test

隨著我國經濟的不斷發展，使人們的生活水平得到了提升，建筑領域的建設規模越來越大。高性能水泥基灌漿料憑借自身優異的性能，被廣泛應用于建筑領域，成為建筑的核心材料。水泥基灌漿料主要由水泥、骨料、外加劑等材料共同組成，可填充至帶肋鋼筋與套筒的空隙中，在材料中摻入水攪拌后，有利于提高灌漿料的性能，該材料可廣泛應用于裝配式建筑領域。

1 高性能水泥基灌漿料的試驗原料與設備

高性能水泥基灌漿材料實際上是一種干混料，主要由水泥、骨料、外加劑等材料共同組成。該材料具有合理的級配，將高性能水泥基灌漿材料與水均勻混合后，可使其具有流動性強、微膨脹、不滲水以及無毒無害等特性。

1.1 高性能水泥基灌漿料的試驗原材料

1.1.1 水泥

當前市場上主要采用普通硅酸鹽水泥完成灌漿料的制備，僅有少量灌漿料采用硫鋁酸鹽水泥作為原材料。為取得更好的試驗效果，許多研究人員對硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥進行復配，將其作為水泥基灌漿材料的膠凝材料。水泥為水泥基灌漿材料的核心成分，該材料的質量可直接決定灌漿料各項指標的優劣。為滿足水泥基灌漿材料的性能要求，采用普通硅酸鹽水泥和快硬性硫鋁酸鹽水泥進行復配。普通硅酸鹽水泥（P·O42.5R）的化學成分可從燒失量、氧化鎂、三氧化硫三方面進行分析，分析結果依次為：3.28%、1.12%、2.78%。快硬性硫鋁酸鹽水泥內包含6種化學成分：CaO、SiO2、Al2 O3、Fe2 O3、SO3、MgO ，6種化學成分的含量依次為：42.04%、6.58%、34.27%、1.62%、13.05%、1.25%。普通硅酸鹽水泥（P. O42.5R）性能參數、42.5快硬性硫鋁酸鹽水泥性能參數如表1、表2所示[1-2]。

1.1.2 骨料

為保證水泥基灌漿料的質量，選用顆粒級配較好的細骨料作為水泥基灌漿料的原材料之一。細骨料內部核心成分為硅砂，其密度為2.65 g/cm3、粒徑為0.075～0.55 mm、表觀密度2650 kg/m3。通過對硅砂的性能指標進行分析可知，硅砂的堆積密度為1780 kg/m3、孔隙率為21%、表觀密度為2650 kg/m3、吸水率為0.5%、壓碎值為10%[3-4]。

1.1.3 礦物摻合料

礦物摻和料主要由硅灰、粉煤灰、礦粉以及外加劑共同組成，其中硅灰采用94級硅灰，該硅灰的密度2.26 g/cm3、比表面積22200 m2/kg、需水量比122%、28 d活性指數93%。SiO2、燒失值、堿含量、活性度（7 d）、細度指數和密度數值依次為：93%、2.5%、3.0%、120%、18500 kg/m3、2700 kg/m3，均符合規范要求。粉煤灰的表觀密度為2200 kg/m3，通過對粉煤灰進行提純，即可得到純度為98%的粉煤灰微珠，粉煤灰的容重、含水率、細度、燒失量、MgO、SO3、Fe2O3、Al2O3、SiO2和CaO的數值依次為：548～560 kg/m3、0.1%、1.5%～4.1%、1.66%、0.80%～0.87%、0.31%、0.38%、5.21%～ 6.36%、35.68%～38.64%、50.90%～51.48%、2.5%～ 3.0%。礦粉采用 S95級礦粉，該礦粉的需水量比為96%、密度為2.85 g/cm3、比表面積456 m2/kg、28 d活性指數97%。硅粉內包含8種化學成分：SiO2、 Al2 O3、Fe2 O3、CaO、MgO 、K2 O、Na2 O 、燒失量，8種化學成分的質量分數依次為：35.1%、14.83%、1.56%、35.7%、9.8%、0.63%、0.32%、2.06%。各項性能指標均符合標準要求。

外加劑主要包括減水劑、膨脹劑、消泡劑、水，其中減水劑為08-sika vicocrete 20sp 粉末狀聚羧酸高性能減水劑，該減水劑的含固量、密度、pH 值、減水率數值依次為：98%、550 g/L、6.5、35.0%，外觀呈現白色粉末狀。UEA 膨脹劑的外觀呈現灰白色粉末狀，由硫酸鋁、氧化鋁及硫酸鋁鉀等成分組成。有機硅消泡劑的外觀呈現白色粉末狀，由礦物油和聚乙二醇組成，其活性物質占比65%，可適用于水泥干粉砂漿的非離子表面活性劑，具有較強的穩定性。本研究為保證灌漿料性能的穩定性，選用普通自來水作為灌漿料的拌合水[5-6]。

1.2 高性能水泥基灌漿料的試驗儀器與設備

在試驗過程中需要用到的設備為：FA2004B 電子分析天平、JJ-5行星式水泥凈漿攪拌機、 YEW-300B 型壓力試驗機等。對灌漿料進行注漿成型時，采用三聯試模進行實現，三聯試模的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。對灌漿料進行豎向膨脹率的測量時，其試模尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

2 高性能水泥基灌漿料的制備方法

2.1 高性能水泥基灌漿料試件的成型

試件的成型過程為：準備好試件所需原材料，將定量的灌漿料依次放入至JJ-5行星式水泥凈漿攪拌機，攪拌過程中向其中加入拌合水，該拌合水應在10 s 內加完。拌合水加入完畢后，將攪拌機的攪拌速度調慢，攪拌時間為60 s，停止30 s 后調快攪拌機60 s，再停止90 s，最后快速攪拌60 s，即可得到流動性能良好的灌漿料。攪拌完畢后將其裝入至尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試模中[7-8]。

2.2 高性能水泥基灌漿料試件的養護

試件成型后，將其置于室溫下養護24 h，并對試件進行拆模操作。試件的養護方式包括標準養護和自然養護，其中標準養護的溫度為（20±1）℃ ，濕度為99%。自然養護的溫度與試驗時的空氣溫度一致。

2.3 高性能水泥基灌漿料流動度試驗

該試驗需要用到的模具為截錐圓模，其下口內徑為（100±0.5）mm、上口內徑為（70±0.5）mm、高為（60±0.5）mm。流動度試驗包括5個步驟：

（1）選取尺寸為500 mm×500 mm 的玻璃板，將其置于水平試驗臺上，利用濕抹布完成攪拌鍋的擦拭，在無明水的狀態下進行玻璃板和截錐圓模內壁的濕潤，濕潤完畢后，在玻璃板的中間放置截錐圓模，在其上方覆蓋濕抹布，以此防止水分的快速蒸發；

（2）將事先準備好的混合料倒入攪拌鍋中，啟動攪拌機，攪拌過程中向其中加入拌合水，該拌合水應在10 s 內加完，拌合水加入完畢后，將攪拌機的攪拌速度調節至150 r/min，攪拌時間為1.5 min，最后以300 r/min的速度攪拌2 min；

（3）以最快的速度將攪拌后的漿體倒入至截錐圓模內，等待漿體與截錐圓模上口相平后停止，通過刮刀將多余部分刮平，緩慢提起截錐圓模，使漿體在無擾動的情況下自由流動；

（4）測量漿體的最大擴散直徑和垂直方向的直徑，并計算其平均值，計算結果應精確至1 mm，精確后的數值即為流動度初始值，上述攪拌時間和測量的過程均應在6 min之內完成；

（5）將處理完畢的漿體裝入至攪拌鍋中，通過濕抹布蓋好封口，自加水時間為26.5 min 后，重復（1）至（4），即可測試試件的流動度[9-10]。

2.4 高性能水泥基灌漿料力學性能試驗

該試驗需要用到棱柱體試塊，其尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。試件的力學性能試驗包括3個步驟：（1）采用中心加荷法在棱柱體的側面進行抗折強度試驗，該過程需要連續且均勻的加載，加載速率為（50±10）N/s，直至試件折斷后即可停止加載，抗折強度 Rf 的公式為：

式中：Ff 表示的含義為施加在試件中部的破壞荷載 N；L 表示的含義為支撐圓柱間的距離，mm；b 表示的含義為試件截面的邊長，mm[11-12]。

（2）試件折斷后可形成2個半截棱柱體，在半截棱柱體的側面即可進行抗壓試驗，該試驗的加載速率為（2400±200）N/s，直至試件折斷后即可停止加載，抗壓強度Rc的公式為：

式中：Fc 表示的含義為試件破壞時刻的最大荷載， N；A表示的含義為受壓部分面積，mm2[13-14]。

（3）3個試件為1組測定的平均值即為抗折強度，6個試件為1組測定的平均值即為抗壓強度，若抗折強度和抗壓強度的1組數據中存在2個數值均超過平均值的±10%，即可作廢該組數據。

3 水膠比與攪拌方式對裝配式建筑高性能水泥基灌漿料性能的影響

3.1 水膠比對水泥基性能的影響

水膠比是控制水泥基灌漿料性能的重要指標，合理的水膠比在一定程度上可提升水泥基灌漿料的性能，同時可增強該材料的經濟效應。本研究為探究水膠比對水泥基性能的影響，將水泥基基準配方中的砂膠比設定為1∶1，并向其中摻入膠凝質量為5%的硅灰、25%的礦粉、10%的膨脹劑，其中減水劑的質量分數為0.6%，消泡劑的質量分數為0.2%，水膠比對水泥基性能的影響如表3所示。

由表2通過分析水膠比對水泥基性能的影響可知，水膠比與水泥基流動度之間呈現正比關系，隨著水膠比的不斷增大，可增強材料的流動度。產生該現象的主要原因是水在灌漿料中起到潤滑作用，合理的水比例有利于降低混合料之間的摩擦力[15-16]。對試驗樣本的強度進行分析可發現，試件的水化反應速率可直接決定生產水化產物的數量，試件抗壓強度測試時間為1 d 時，水化反應速率較快，其生成的水化產物增多。當試件抗壓強度測試時間為3 d 時，水膠比的流動性能較好，可有效排出灌漿料攪拌過程中卷入的氣泡，此時抗壓強度呈現上升趨勢。隨著水膠比的增大，使試件內部微孔隙率逐漸增大，降低了試件的抗壓強度[17-18]。

3.2 攪拌方式對水泥基性能的影響

由于灌漿料易出現粒子團聚的現象，可降低水泥基的強度。為解決該問題，采用水泥砂漿標準攪拌程序提高水泥基的強度。水泥砂漿標準攪拌程序，首先采用行星式水泥膠砂攪拌機完成混合料的攪拌；其次采用自動控制程序控制攪拌機的攪拌速度，低速攪拌30 s 后向其中加水，加水完畢后在低速攪拌30 s，高速攪拌30 s 后停止90 s 攪拌；最后對混合料進行高速攪拌，時間為60 s。全部攪拌過程均在室溫為21℃的環境下進行，混合料應保持干燥狀態。通過研究攪拌方式對水泥基性能的影響可知，隨著攪拌時間的延長，減水劑在混合料中發揮作用，使灌漿料的流動度增大，從而增強灌漿料的水泥基強度[19-20]。攪拌手段對水泥基性能的影響如表4所示。

4 結語

為滿足水泥基灌漿材料的性能要求，采用普通硅酸鹽水泥和快硬性硫鋁酸鹽水泥進行復配，通過該方式作為高性能水泥基灌漿料的膠凝材料，并向灌漿料中加入水泥、骨料、外加劑等成分。水泥基灌漿料具有合理的級配，將其與水均勻混合后，可使水泥基灌漿料具有流動性強、微膨脹、不泌水以及無毒無害等特性。在未來發展中，應進一步研究水泥基灌漿料的多種性能差異。

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