水泥基无收缩灌浆料

　　水泥基灌浆料因其常温下具有自密实、高强度、无收缩等优异性能，在设备基础二次灌浆、地脚螺栓锚固、混凝土加固、修补等方面具有广泛的应用。由于进口的灌浆料价格昂贵，加之国内市场需求较大，因此，国内近几年对灌浆料的研究十分活跃并取得了很大进展，从材料的性能和成本方面都有所突破。但总体上国内的无机灌浆料基本是依靠在硅酸盐水泥中添加膨胀剂，促使水泥浆体内部形成钙矾石，获得灌浆料的早强、高强、微膨胀等性能，由于国内市场上膨胀剂性能的稳定性并不十分理想，因此，该体系灌浆料的工程应用性能稳定性也令人堪忧。本文通过采用硅酸盐水泥、铝酸盐水泥复合胶凝体系成功地研制出可操作时间长、大流动性、早强、高强、微膨胀的离性能灌浆料，并对灌浆料的凝结时间、流动性能、强度形成等特点做一定分析。

1 、原材料选择 
　　 水泥：颜 42 ． 5R 普通硅酸盐水泥，初凝时间 118min ，终凝时间 275 min ， 3d 、 28d 抗压强度分别为 24.5 、 48.6MPa ，抗折强度分别为 4.8 、 6.9MPa ，安定性合格； CA-50 铝酸盐水泥， A1 2 O 3 为 53 ％， SiO 2 为 6.8 ％， Fe 2 O 3 为 2.0 ％， 6h 、 1d 、 3d 抗压强度分别为 23.0 、 42.0 、 54.0MPa ，抗折强度分别为 3.4 、 5.6 、 6.8MPa 。
　　 集料：石英砂； G 型掺合料：与水泥水化产物反应，补偿收缩；减水剂：高效减水剂，减水率 25 ％。其它外加剂：熟石灰粉； L 型促凝剂； S 型缓凝剂； P 型消泡剂等。

2 、实 验

2.1 实验的技术路线
　　 (1) 硅酸盐水泥与铝酸盐水泥复合使用时，会出现闪凝而无法操作，因此，需要选用合适的缓凝剂，使灌浆料的凝结时间满足要求，且保持必要的流动性和早期强度。
　　 (2) 为了使灌浆料获得理想的流动性能和强度，掺加非引气型高效减水剂。
　　 (3) 灌浆料既要有较大的流动性能，又不能出现泌水和离析现象，所以除考虑骨料的级配和数量外还要适当增加浆体稠度，使骨料能悬浮在浆体中，提高灌浆料的施工性能。
　　 (4) 硅酸盐水泥硬化体易出现收缩，因此，在本实验中要确定硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和 G 型掺合料的用量，使体系内生成适量富含结合水的晶体产物，以补偿收缩。

2.2 实验方法
　　 凝结时间、泌水率试验采用灌入阻力法按 GB/T50080 规定进行。
　　 流动度试验按 GB 50119 — 2003 附录 A 进行，其中截锥形圆模的尺寸改为：高度 (60 ± 0.5)mm ；上口内径 (70 ± 0.5 ) ㎜ ；下口内径 (100~0.5 ) ㎜ ；下口外径 12 0 ㎜ 。
　　 抗压强度试验按 GB/T17671 — 1999 进行。将拌合好的水泥基灌浆材料倒入试摸，不振动。
　　 竖向膨胀率按 GB 50119 — 2003 附录 C 进行。

2.3 灌浆料的配制
　　根据正交实验法，得出**配合比见表 1 。
　　 依据 JC/T98 6 — 2005 《水泥基灌浆材》所规定的实验方法对所配制的水泥无收缩灌浆料进行性能实验，结果见表 2 。

3 、实验结果与分析 
3.1 凝结时间
　　 水灰比为 0.5 ，不同温度下硅酸盐水泥和铝酸盐水泥混合体的初凝时间见图 1 。

表 1 正交实验配合比 ％

表 2 灌浆料的主要技术指标

图 1 硅酸盐和铝酸盐水泥混合体的初凝时间

　　实验表明，硅酸盐水泥和铝酸盐水泥直接混合使用时，会在很大的混合比例区间内，凝结迅速，而无法正常使用。其原因在于：—方面，铝酸盐水泥在温度低于 30 ℃ 时，水化生成的 CAH 10 和 C 2 AH 8 属于亚稳晶系，会快速与硅酸盐水泥生成的 Ca(OH) 2 发生反应，生成属于稳定晶系、强度很低的 C 3 AH 6 晶体，加速凝结。同时生成的 C 3 AH 6 在水溶液中会与硅酸盐水泥中起缓凝作用的石膏反应生成钙矾石，石膏的消耗导致硅酸盐水泥中的 C 3 A 水化反应迅速进行，从而加速了体系的凝结硬化；另一方面，当反应温度在 30 ℃ 以上时，铝酸盐水泥的水化产物为 C 3 AH 6 会迅速消耗硅酸盐水泥中的石膏，加速硅酸盐水泥的水化，造成凝结时间过快。因此，需要添加合适的缓凝剂，延长灌浆料的凝结时间。本文通过实验研究了不同的缓凝剂对灌浆料的凝结时间、流动性能和强度的影响，结果见表 3 。

表 3 缓凝剂对凝结时间及其它性能的影响

图 2 、图 3 表明，随着缓凝剂掺量的增加，灌浆料的凝结时间延长，但灌浆料早期强度降低。在满足可操作时间的基础上，应尽可能提高灌浆料的早期强度，因此，实验中缓凝剂的掺量取 0.18 ％。

3.2 流动度
　　 本研究的灌浆料要求具有良好的流动性能，以满足工程无压力灌浆的施工要求。实验中采用减水率为 25 ％的非引气型高效减水剂，以增加灌浆料的流动性能。仅依靠减水剂和拌合水量满足灌浆料大流动度的要求，易导致泌水现象，因此，实验中适量添加了熟石灰粉。熟石灰粉在水溶液中能形成颗粒极细的呈胶体分散状态的氢氧化钙粒子，表面吸附一层水模，合灌浆料的泌水现象和可塑性明显改善。同时，所引入的钙离子能够促进铝酸盐水泥水化产物生成钙矾石，从而有助于灌浆料的强度提高。
　　 增加拌合水的用量可以增大拌合物的流动度，但过多的拌合水会在材料硬化过程中蒸发而使灌浆料产生毛细孔，从而对强度带来负面影响。拌合水用量与 1d 强度、初始流动度的关系分别见图 4 、图 5 。

　　从图 4 可以看出，当水料比小于 0.16 时，硬化体的 1d 强度大于 30MPa ，但从图 5 看出，其初始流动度小于 260mm ，不能满足标准要求。随着拌合水量增加，初始流动度增大，硬化体的“强度有所下降。当水料比为 0.1 6 ～ 0.17 时，灌浆料具有较好的流动性能，同时早期强度较高。

3.3 膨胀率
　　 灌浆料用于设备安装时，要求其硬化后具有微膨胀性能。参照 CB 50119 — 2003 方法进行竖向膨胀率实验，发现该灌浆料体系中 G 型掺合料的用量影响到硬化浆体的体积变化。在固定硅酸盐水泥和铝酸盐水泥用量的条件下，随着 G 刮掺合料用量的增加，硬化浆体的膨胀率也逐渐增加，当 G 刑掺合料的用量为 6 ． 0 ％时，硬化浆体的 1d 膨胀率达到 0.02 ％ ( 见 l 图 6) 。
　　 经扫描电镜分析， C 型掺合料与水泥的水化产物反应生成了体积膨胀的针状晶体钙矾石，填充硬化浆体内部孔隙，使材料密实度提高，抑制硬化浆体的收缩，其扫描电镜分析结果见图 7 。

3.4 强度性能
　　 JC/T98 6 — 2005 《水泥基灌浆材料》要求，灌浆料不仅要求早期强度高，同时 28d 强度要大于 70MPa 。实验按 GB/T17671 — 1999 规定的方法 ( 将拌合奸的水泥基灌浆材料倒入试摸，不振动 ) ，对材料进行抗压强度试验。测试结果见表 4 。

表 4 水泥基灌浆料抗压强度实验结果

　　从表 3 可见，灌浆料早期强度增长迅速，随着龄期延长，强度增长速度降低，但仍能持续稳定增长。实验对不同龄期的材料进行了电镜扫描分析，结果见图 8 。
　　 从图 8 电镜扫描照片可以看出， 1d 龄期时灌浆料内部已经形成了大量的钙矾石，钙矾石晶体交错生长，提高了灌浆料的密实度。 3d 龄期时，钙矾石晶体的数量进一步增加，同时晶体变得粗大，填充了灌浆料内部的微小孔隙，从而赋予了灌浆料较高的抗压强度。当 28d 龄期时，钙矾石的数量仍有所增加，灌浆料的密实度进一步提高。在该体系中由于添加了—定量的熟石灰粉， Ca 2+ 浓度较高，钙矾石以固相反应形成，其形态呈团聚并向外放射状的针状晶体，比表面积大，相互交叉挤压，产生的膨胀应力更大。由于钙矾石在水化硬化过程中的结晶压力和吸水膨胀变形在约束条件下转化为水泥石的自应力，而使水泥石具有较好的抗变形能力同，从而使硬化浆体具有很高的强度。