叶 显， 吴文选， 侯维红， 雷 生， 周 壮

(武汉源锦建材科技有限公司， 湖北 武汉 430083)

由于具有流动性好、快硬、早强、高强、无收缩、微膨胀、自密实等特点，以及在施工方面具有工期短、使用方便等优点，灌浆料，特别是高强灌浆料随着工民建、公路、水利建设的不断发展，其市场需求不断扩大，对灌浆料的研究也在不断深入.但是研究人员在追求灌浆料的强度、施工性能的同时，往往会忽视灌浆料的耐久性能，尤其是其体积稳定性.

在高强灌浆体系中，降低水胶比是提高灌浆料强度的重要手段.有研究表明，砂浆或者混凝土水胶比越低，其内部相对湿度越小，并且随着养护龄期的延长，其内部自干燥程度也会随之增大[1].水泥石内部因自干燥作用而引起的毛细孔未饱和现象，会使水泥基材料内部产生负压差，从而导致砂浆或混凝土产生自收缩[2]，因此低水胶比的高强灌浆料早期自收缩趋势更明显.除自收缩之外，受环境温度、湿度变化和荷载等外部条件的作用而产生的应力也会对灌浆料体积稳定性造成影响[3].

GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》和JC/T 986—2005《水泥基灌浆材料》对水泥基灌浆料早期(24h内)的体积稳定性有一定要求，但是并未考虑到灌浆料后期的体积变化.灌浆料在塑性阶段的微膨胀能够保证充填的密实度，但如果后期产生体积收缩，则会造成灌浆料与基础之间的脱空现象，导致灌浆料承载力削弱，严重的话甚至会产生裂缝，破坏建筑的结构稳定性[4].因此，在水泥基灌浆料硬化后期，膨胀剂能否提供一定的微膨胀来补偿低水胶比引起的灌浆料自生体积收缩，使灌浆料在服役期间始终与基础结合紧密，对建筑、设备的结构安全性和耐久性具有重要意义.

本试验主要针对不同种类、不同掺量的膨胀剂在不同养护条件下对高强灌浆体系体积稳定性的影响进行了研究，以期改善高强灌浆料硬化后的体积稳定性，提高灌浆料的应用效果及服役寿命.

1 试验

1.1 试验材料

华新P·O 52.5水泥(C)，化学组成(质量分数，文中涉及的含量、掺量、减水率等除特别说明外均为质量分数或质量比)见表1；自来水(W)，满足JGJ 63—2006《混凝土用水标准》；0.212～0.600mm石英砂(S)；膨胀剂(E)包括2类，一类为武汉三源特种建材有限责任公司生产的2种硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂，分别满足GB 23439—2009《混凝土膨胀剂》中的Ⅰ 型和 Ⅱ 型要求，记为EA1和EA2，其化学组成见表1，水中7d限制膨胀率(体积分数)分别为0.037%和0.065%，推荐掺量为总胶凝材料质量的8%～12%；另一类为武汉三源特种建材有限责任公司生产，分别满足CBMF 19—2017《混凝土用氧化镁膨胀剂》R型、M型、S型要求的氧化镁膨胀剂，记为MAC-R，MAC-M，MAC-S，其化学组成见表1，根据DL/T 5296—2013《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》测得MAC-R，MAC-M，MAC-S的活性反应时间分别为79，135，220s，推荐掺量为总胶凝材料质量的3%～7%；重钙粉(HCP)粒径为0.0750mm；功能改性助剂(FA)包括消泡剂、缓凝剂、保水剂、早强剂等；减水剂(WR)为苏州弗克Talon101型，减水率为20%.

表1 水泥和几种膨胀剂的化学组成

1.2 试验方法

以满足JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》要求的套筒灌浆料为基础配方，将5个型号的2类膨胀剂分别按照推荐掺量采用内掺法取代配方中的矿物掺和料，并按照该标准测试灌浆料的初始流动度、30min流动度以及1，3，28d抗压强度.由于膨胀剂的掺入会影响灌浆料的工作性能，因此通过调节减水剂的用量将灌浆料初始流动度控制在320～340mm之间，最终确定的试验配比见表2，各个配比的流动度及强度数据见表3.其中活性反应时间越短(即活性越大)的氧化镁膨胀剂需水量越大，这与氧化镁的煅烧温度有关[5].煅烧温度越高，得到的氧化镁晶体缺陷越少，活性反应时间越长，因此氧化镁活性反应时间越长、需水量越小[6-7].

按照JC/T 453—2004《自应力水泥物理检验方法》进行自由膨胀试件的成型和自由膨胀率的检测.每种配方成型3组试件，拆模后分别置于干养(20℃，RH=65%)、水养(水温20℃)和绝湿(拆模之后将试件用锡箔纸包裹严实后置于20℃恒温养护室)环境中养护至规定龄期，测试其自由膨胀率.

表2 灌浆料配方

续表2

表3 不同配比灌浆料的流动度和强度

2 试验结果及分析

2.1 膨胀剂掺量对自由膨胀率的影响

图1，2分别为水养条件下氧化镁膨胀剂和硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂对高强灌浆料自由膨胀率的影响.由图1，2可以看出：无论是硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂还是氧化镁膨胀剂，在高强灌浆料体系中都能显示出膨胀效能，并且随着2类膨胀剂掺量的提高，灌浆料自由膨胀率呈规律性递增趋势.在高强灌浆体系中，2类膨胀剂均呈现早期膨胀较快，后期膨胀减缓的趋势.这是因为随着反应的进行，膨胀剂颗粒参与水化而逐渐消耗，且随着后期灌浆料弹性模量增大，膨胀阻力增大，膨胀速率降低.

从图2(b)可以看出，在6%和8% EA2掺量下，灌浆料体积在60d就达到稳定状态，而在10%掺量下要90d才能达到稳定状态.从图1中也可以看出，随着氧化镁膨胀剂掺量的增加，灌浆料膨胀率达到稳定的时间同样也会增加.由此可以判断，膨胀剂掺量越高，灌浆料体积趋于稳定的时间越长.

2.2 养护条件对自由膨胀率的影响

众所周知，养护条件对水泥的水化进程及体积稳定性影响较大.图3为水养、绝湿条件下2类膨胀剂对高强灌浆料自由膨胀率的影响.由图3可以看出：水养条件下灌浆料自由膨胀率随着护龄期的增加呈现上升的趋势，而绝湿条件下的自由膨胀率均表现出负增长.由此可以看出，不论是氧化镁膨胀剂还是硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂，其膨胀效能的发挥均与养护环境中的水含量有一定关系.

与空白组试件对比，在水养和绝湿养护条件下，氧化镁膨胀剂和硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂都起到了补偿收缩的作用.由图3(a)可以看出，水养条件下，掺氧化镁类膨胀剂的灌浆料自由膨胀率在180d内都呈现持续稳定增长的趋势，而硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂的膨胀效能在14d以内发挥迅速，60d之后膨胀效能不再明显.这主要是由于硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂的膨胀产物为 Ca(OH)2和钙矾石，该反应较快，因而膨胀主要发生在14d之前[8].而氧化镁膨胀剂主要以氧化镁水化产生的微小Mg(OH)2颗粒晶体生长或者吸水肿胀为膨胀源，反应较缓慢，并且持续时间可长达1～2a[9].

绝湿条件下，虽然掺氧化镁膨胀剂和硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂的高强灌浆料试件都呈现出收缩的趋势，但是由图3(b)可以看出，虽然氧化镁膨胀剂前期补偿收缩效果不明显，但90d后试件的自由膨胀率出现增长趋势，而硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂虽在绝湿条件下也能起到补偿收缩的作用，但是180d后试件的自由膨胀率总体上仍呈现出负增长.由此可以判断，氧化镁膨胀剂补偿收缩作用的发挥对水和空气的依赖比较小，而硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂发挥膨胀作用时需水量较大.从机理上说，生成钙矾石所消耗的水远远多于氧化镁膨胀剂反应生成Mg(OH)2所消耗的水.

为了比较2类膨胀剂对水的依赖程度，设定了以下公式来计算膨胀剂对水的依赖程度随着养护龄期t(d)的发展趋势：

图1 水养条件下氧化镁类膨胀剂对灌浆料体积稳定性的影响Fig.1 Effect of different MgO expansive agents on the volume stability of grouting material under water conservation condition

图2 水养条件下硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂对灌浆料体积稳定性的影响Fig.2 Effect of different calcium sulphoaluminate-calcium oxide expansive agents on the volume stability of grouting material under water conservation condition

图3 养护条件对膨胀剂作用效果的影响Fig.3 Effect of curing conditions on the efficiency of expansive agents

(1)

式中：It为湿度对试件体积稳定性的影响因子；ΔLw为水养条件下试件的长度变化，mm；ΔLwm为绝湿条件下试件的长度变化，mm.

计算不同膨胀剂在不同龄期下的It，结果见图4.由于水养14d前，掺氧化镁膨胀剂的试件ΔLw<0，按式(1)计算得到的It均小于零，不具有参考价值，因此舍去该段龄期的数据.由图4可以看到：掺硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂试件的It值前期较大，并且养护后期仍呈现增大的趋势，而掺氧化镁膨胀剂试件的It值随养护龄期的延长而持续降低.由此可以判断，水对硫铝酸 钙-氧化钙膨胀剂膨胀效能的发挥影响比较大，而随着养护龄期的增加，氧化镁膨胀剂膨胀能的发挥对水的依赖程度逐渐降低.

图4 湿度影响因子随着龄期发展的变化趋势Fig.4 Development of It with curing ages

2.3 膨胀剂种类对自由膨胀率的影响

不同养护条件下2类膨胀剂对高强灌浆料体积稳定性的影响见图5.由图5(a)可以看到，水养条件下，早期硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂能让高强灌浆料产生明显体积膨胀，后期作用减缓，而氧化镁类膨胀剂对高强灌浆料后期体积增长贡献更为明显.由图5(b)可以看到，绝湿条件下掺硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂的灌浆料在180d时仍呈现体积收缩的趋势，而掺MAC-M和MAC-R的灌浆料分别在21d和90d就达到了体积稳定期.由图5(c)可以看到，干养条件下2类的膨胀剂对高强灌浆料体积稳定性的影响趋势类似，均在90d左右就达到体积稳定.

由图5(a)对比掺氧化镁膨胀剂MAC-R,MAC-M的灌浆料在水养条件下膨胀率的发展变化，可以看到 28d 之前，掺MAC-R组的膨胀率高于掺MAC-M组，而60d之后，掺MAC-M组膨胀率反超掺MAC-R组.由此可以推断出氧化镁活性反应时间越短(活性越高)，MgO水化反应越快，发挥膨胀性能越早，而活性反应时间越长(活性越低)，MgO早期水化反应越慢，但是后期却呈现出更强的膨胀效能[10].由图5(b)，(c)对比干养和绝湿条件下氧化镁膨胀剂对高强灌浆体积稳定性的影响，可以看到MAC-M在绝湿条件下的补偿收缩效果较好，在干养条件下表现却较差，而MAC-R在干养条件下的补偿收缩效果更明显.可以判断不同活性的氧化镁膨胀剂在不同环境下作用的效果差别较大.

图5 膨胀剂种类对灌浆料体积稳定性的影响Fig.5 Effect of different kinds of expansive agents on the volume stability of grouting material

3 结论

(1)高强灌浆料体系中，膨胀剂掺量越高，水养条件下的自由膨胀率越高，灌浆料达到体积稳定所需的时间越长.

(2)在不同养护条件下，氧化镁膨胀剂和硫铝酸钙-氧化钙膨胀剂在高强灌浆料体系中均能发挥补偿收缩的作用.2类膨胀剂膨胀效能的发挥均与水有一定关系，但是氧化镁类膨胀剂对水的依赖小于硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂，并且随着养护龄期的延长，氧化镁类膨胀剂对水的依赖减小.

(3)高强灌浆料体系中，水养条件下，硫铝酸钙-氧化钙类膨胀剂早期膨胀效能发挥明显，但氧化镁类膨胀剂的中后期膨胀效能更佳.绝湿条件下掺氧化镁类膨胀剂的灌浆料能较快达到体积稳定期，而掺硫铝酸钙-氧化钙类灌浆料在180d时仍呈现持续收缩.因此，可以根据灌浆料使用部位和外部环境的不同，选择不同类型的膨胀剂来达到补偿收缩的目的，从而改善灌浆料应用效果.