水泥基灌浆材料的选择及应用

2014-12-02李小龙张志国孙贤文鞠秉秀

中国建材科技 2014年6期

李小龙张志国孙贤文高崇王增李平鞠秉秀、

(1锦州北方水泥有限公司，辽宁锦州 121007；2内蒙古宏基水泥有限公司，内蒙古通辽 028036；3锦州市建筑材料研究所，辽宁锦州 121000；4葫芦岛市辽西混凝土外加剂有限公司，辽宁葫芦岛 125018)

常用的水泥基灌浆材料(下称水泥基灌浆料)是一种由水泥、集料(或不含集料)、外加剂及其它材料，经工业化生产的具有合理组分的干混料。其加水拌和均匀后具有可灌注的流动性、微膨胀、高的早期和后期强度、不泌水等性能，广泛适用于地脚螺栓锚固、设备基础或钢结构柱脚底板的灌浆、混凝土结构加固改造及后张预应力混凝土结构孔道灌浆等工程。

目前市售的水泥基灌浆料品种较多。如按其主要强度来源的胶凝材料分，大体可细分为五种，即硅酸盐水泥(或普通硅酸盐水泥，下统称硅酸盐水泥)基灌浆料、硫铝酸盐水泥基灌浆料、硅酸盐水泥—硫铝酸盐水泥复合的水泥基灌浆料、硅酸盐水泥—铝酸盐水泥复合的水泥基灌浆料和水泥基水性环氧树脂灌浆料(下称环氧树脂灌浆料)等。每种灌浆料都有其性能特点，对应用范围和施工条件等都有相应的适应性。

关于水泥基灌浆料的应用，指导其生产和应用的标准和规范比较充分。产品标准为国家行业标准〔1〕。应用规范有国家标准〔2〕，还有关于施工工艺的行业标准〔3〕。此外还有生产厂的说明书及出厂检验报告等。但是有的使用单位和施工部门执行应用技术规范不到位，时有施工质量问题的发生，有鉴于此，笔者结合开发和使用水泥基灌浆料的体会，谈谈水泥基灌浆料的选择及应用中应该注意的一些问题。

1 水泥基灌浆料的种类及特点

1.1 硅酸盐水泥基灌浆料

概括来说，具有凝结较快、早期强度较高、抗冻性好、水化热高等特性，但抗水性和耐化学腐蚀性较差。适合用于一般地上工程，重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程、冬季施工及严寒地区遭受反复冰冻工程、不受侵蚀水作用的地下和水中工程以及不受高水压作用的工程。灌浆料使用P·Ⅰ(P·Ⅱ)或P·O水泥，就是利用其凝结较快，早强效果好，后期强度持续增长，以及其与塑化剂、膨胀剂等外加剂有较好的适应性，从而可制成在低水料比的情况下，具有理想的流动性、微膨胀性、高的早期和后期强度等性能的水泥基灌浆料。

1.2 硫铝酸盐水泥基灌浆料

硫铝酸盐水泥是20世纪80年代由我国王燕谋、苏慕珍〔4〕等开发推广的。其具有早期强度发展快、水泥石结构致密、干燥收缩小和抗硫酸盐腐蚀等特点。特别适于混凝土冬期施工、抢修抢建、喷锚支护、浆锚节点、固井堵漏工程和要求抗渗或耐硫酸盐腐蚀的工程，以及有早强、低碱要求的制品和建筑工程。该水泥执行的是国家行业标准〔5〕。标准规定其初凝不早于25min，终凝不迟于180min，也可按用户要求变动。强度等级是以3d抗压(MPa)强度表征的，有42.5、52.5、62.5、72.5四个等级。显见其快硬早强性能突出。这是灌浆料所需要的。但其凝结时间短，存在施工性的问题。有研究表明，硼酸缓凝剂与“硫铝酸盐水泥+FDN减水剂”的二元体系适应性较好〔6〕，可作硫铝酸盐水泥混凝土的缓凝剂，可通过调整其掺量，获得较适宜的凝结时间。还有，该水泥是一种低碱水泥，人们自然想到它对钢筋锈蚀的影响问题。在这方面研究人员曾开展长期的考察和试验，从近10年的钢筋埋设试验结果可以了解到，钢筋的锈蚀程度并不随时间的延长而加剧，而保持着最初的轻微锈斑程度，不影响结构的长期使用〔7〕。显见，灌浆料使用硫铝酸盐水泥是利用其快硬早强、适于低温施工、水泥石结构密实、微膨胀与低收缩等性能。

1.3 硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复合的水泥基灌浆料

表1 水泥基灌浆料主要性能指标

此种水泥基灌浆料的开发目的是取前两者灌浆料之长，避两者之短。关于二者复合，根据唐山北极熊建材有限公司的系统研究〔8〕，当硅酸盐水泥在硫铝酸盐水泥中的掺入比例不超过1/9时，水泥的凝结时间缩短50%，3h强度提高100%以上，而后期强度没有显著变化。故在该参考文献中规定两种水泥可以混合使用，硅酸盐水泥的掺用比例应小于10%。对于这两种水泥复合使用以获得不同的应用目的和技术效果的研究仍然不少。在研制早强微膨胀水泥基灌浆料方面也有相关报道〔9-11〕，尽管相关报道关于两种的掺配比例不同，甚至差别很大，但是通过外加剂及活性掺和料的调整，所获得的灌浆料的性能及特点是相近的。此类灌浆料的特点概括起来有：①早强、高强，1d抗压强度可达35MPa以上，28d强度可达70～80MPa。②无收缩、微膨胀。③施工使用性能适应。④施工速度快，经济效益好，同传统环氧砂浆相比，造价低。正因如此，生产厂家采用两种水泥掺配复合使用，并选用适宜的塑化剂和掺合料生产灌浆料满足用户的不同要求。

1.4 硅酸盐水泥与铝酸盐水泥复合的水泥基灌浆料

桑国臣、刘加平试验研究了利用二者复合的水泥基无收缩复合灌浆料〔12〕。该灌浆料通过二者的合理复合，并掺加适宜的掺合料、减水剂及缓凝剂等，使其具有凝结时间可控、早强、高强、后期强度持续稳定增长，并具适宜的流动性等性能。以普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和硬石膏作胶凝材料，通过选择多种专用外加剂可制得大流动度、微膨胀、早强、高强的水泥基灌浆料〔13〕。此类灌浆料所复合的铝酸盐水泥多半是CA-50类型。之所以复合使用CA-50型，是利用其快硬、早强、高强性能，标准〔14〕规定CA-50型的初凝不早于30min，终凝不迟于6h，6h、1d、3d的抗压强度分别不低于20MPa、40 MPa、50 MPa，可见通过合理复合CA-50类型可提高水泥基灌浆料的快凝、早强性能；又通过复合硬石膏等可改善灌浆料的膨胀性能。

关于此类灌浆料的研究并不少见，但制得具有快硬、早强、高强、高流动性、高保塑性、适宜膨胀性和稳定性，以及有适宜的施工操作性的灌浆料并非易事，再加上考虑成本等因素，此类产品的市售产品并不多见。

1.5 水泥基水性环氧树脂灌浆材料

目前市售的水泥基水性环氧树脂灌浆料通常称为环氧树脂灌浆料。此类灌浆料是在水泥环氧改性水泥砂浆的基础上开发的。研究人员对这类灌浆料的性能进行了深入研究〔15〕。环氧树脂之所以能够用于水泥基灌浆料中，是因为以其配制的胶泥、浆料有诸多优异性能，择其要者有：①良好的工艺性能。在常温下具有良好的流动性，易与固化剂及粉料搅拌均匀，能获得适宜稠度和固化速度。②粘结强度高。环氧树脂分子结构中含有羟基、醚基和极为活泼的环氧基，能与多种被粘物质表面发生作用，有较强的粘结强度。③固化收缩性小。环氧树脂与固化剂反应时是通过直接加成反应进行的，无副产物产生，也不会产生气体。④化学稳定性好。在一般酸、碱和大部分有机溶剂中具有较好的化学耐蚀性。⑤力学强度高。环氧基、醚基、羟基等都有很强的键力，在固化剂的作用下，使线型的环氧树脂分子交联成致密的网状结构，显示出优良的力学性能。⑥抗渗性好。环氧树脂固化后具有很小的孔隙率，显示低的吸水性和湿气传递。显见，此类灌浆料利用水性环氧树脂及相应的固化剂就是对硅酸盐水泥基灌浆料进行改性，改进其力学性能、抗渗性能、抗碳化性能和化学腐蚀性等。

复合使用环氧树脂的灌浆料也有其不足的方面，如其固化程度和固化后的强度受施工和养护温度的影响较大，对施工温度及随后至少24h内的环境温度要求较为严格；产品一般由3组分，即树脂、固化剂及俗称的填料(通常由水泥、集料、高性能减水剂、膨胀剂、消泡剂等复合而成)组成。使用时应严格按生产厂根据工程具体情况提供的配比进行；其化学耐蚀性好是相对于硅酸盐水泥基的灌浆料而言的，就环氧胶泥本身在氧化性酸、卤素等介质中的稳定性较差〔16〕，此外，其造价也相对较高。

2 水泥基灌浆料的选择

2.1 对水泥基灌浆料选择的基本依据

选择的基本依据应充分考虑应用的范围、强度要求、设备运行时环境温度、环境条件、施工环境温度、施工进度要求及工程交付使用的时间要求、灌浆层厚度(体积、面积等)、地脚螺栓表面与孔壁的净间距等基本条件和要求。

2.2 适用于不同应用领域或条件的水泥基灌浆料的基本性能

按2.1的选择依据，可选择应用种类的灌浆料。同一品种的灌浆料根据不同需求在规范GB/T50448-2008中又细分为4类，对其主要性能做了规定，详见表1。

由表1可知，其中的流动度、竖向膨胀率、泌水率3项指标的要求都严于标准JC/T986-2005。笔者认为满足此标准的产品是产品厂家最起码的质量控制标准，而满足表1的要求是满足实际应用的需求，上述规范和此标准不是矛盾的。

在规范GB/T50448-2008中，根据不同的应用范围和具体工程特点对表1中不同类别产品选择做了明确、详细的规定和说明，详见该规范第6章，此不赘述。

2.3 水泥基灌浆料的适用范围

原则上说上述水泥基灌浆料均适用于各种机器设备安装的座浆和二次灌浆，钢结构柱底脚板灌浆，植筋、锚杆、锚钉、地脚螺栓锚固，抢修抢建工程、结构加固改造工程及楼板灌缝、结构后浇带，建筑物、构筑物缺陷部位修补、加固、补强，轨道与基础的连接、机场跑道修补、水库及大坝裂缝灌浆修补，后张预应力混凝土结构孔道灌浆等。

2.4 对不同种类水泥基灌浆料的选择

前述的五种灌浆料，其中两种水泥复合的少见，硅酸盐水泥基的、硫铝酸盐水泥基的和环氧树脂的三种灌浆料较为常用，故仅对这三者做以分述。

2.4.1 硅酸盐水泥基灌浆料。此灌浆料是目前市场上广为应用的。对于上述应用范围，只要不要求小时强度高或者不要求在正常施工和养护条件下施工后急于投入使用的工程都可选用此灌浆料。严寒地区或寒冷地区的冬期施工应用，也可选用此灌浆料，但施工时必须严格执行GB/T50448-2008规范和JGJ/T104-2011规程的相关规定。

2.4.2 硫铝酸盐水泥基灌浆料。原则上在前述的应用范围都可使用此灌浆料，但考虑成本(高于硅酸盐水泥基的)和施工性等，一般多在抢修抢建、喷锚支护、浆锚节点、固井堵漏、严寒及寒冷地区的冬期施工应用等工程及要求抗渗或耐硫酸盐浸蚀的工程所优先选用。

2.4.3 环氧树脂灌浆料。该灌浆料从技术性能上看完全适用于前述的应用范围，但前述范围的一般工程并未优先选择此材料，主要是由于经济性方面的原因，因为其造价远高于前两种。此灌浆料最适用于压缩机、泵、冲压机、粉碎机、球磨机等高振动性设备的二次灌浆，易受化学侵蚀的设备基础区域灌浆，轨道基础、桥梁支撑等强压力区域灌浆，以及锚栓、钢筋种植、建筑结构混凝土补强加固等工程。

3 水泥基灌浆料的使用方法及注意事项

3.1 施工准备

无论使用哪一种水泥基灌浆料，其施工准备工作大体相同，一般要做到：①施工现场质量管理应有相应的施工技术标准、健全的质量管理体系、施工质量控制办法等技术文件。②灌浆前应有施工组织设计或施工技术方案，必要时灌浆前应通过灌浆料使用性能试验结果验证施工技术方案，确保其可行。③准备、检查搅拌机具、灌浆设备及器具、模板及养护物品等。

3.2 施工操作

环氧树脂灌浆料的使用方法与硅酸盐水泥基和硫铝酸盐水泥基的灌浆料不同，而后两者大体相同，故分两种情况加以叙述。同时此类材料的应用均有相应的规范、规程予以明确规定，且每种灌浆料的使用一般均有生产厂的说明书，故仅对一些注意事项加以说明。

3.2.1 硅酸盐水泥基和硫铝酸盐水泥基灌浆料施工注意事项

1)拌和。按产品要求的水料比(一般为0.12～0.15)或施工前应用试验确定的水料比加水搅拌；宜采用强制式搅拌机搅拌，搅拌时宜先加入2/3的水搅拌，待拌和料团块全部打开后加入剩余水量搅拌直至均匀；在满足灌浆施工要求的前提下，尽量降低水料比(建议每半个小时测定一次流动度，以便依此微调水料比)，尤其对灌浆层较厚、体积较大及面积较大的情况，更应如此；搅拌地点应尽量靠近灌浆地点。严禁搅拌中外掺任何外加剂、掺合料及集料等，以免影响使用效果。

2)地脚螺栓锚固灌浆。认真检查螺栓孔的水平偏差和垂直度，确保符合标准要求；灌浆前，应清除地脚螺栓表面的油污和铁锈，同时务必将与灌浆料接触的设备底板和混凝土孔壁表面清理干净，灌浆前24h，与浆料接触的混凝土表面应充分用水浸泡润湿，灌浆前1h将积水清理干净；当环境温度低于5℃时应采取措施预热，使温度保持10℃以上；灌浆过程中严禁振捣，必要时适当插捣，灌浆结束后不得再次调整螺栓；孔内灌浆层上表面宜低于混凝土表面50mm左右。

3)二次灌浆。灌浆前对设备底板和混凝土表面按与上一条的同样方法处理，确保浆料与混凝土基面的粘结强度，以防灌浆层与基层离鼓；灌浆时应从一侧进行，直到从另一侧溢出为止，不得从两侧或多侧同时进行灌浆；灌浆开始后必须连续进行，并尽量缩短灌浆时间；轨道基础或灌浆距离较长时，视工程情况可留伸缩缝(每段不宜超过10m)分段施工；灌浆过程中不得振捣，必要时可采用灌浆助推器沿浆体流动方向的底部推动灌浆料，严禁从灌浆层的中、上部推动；设备基础灌浆完毕后，宜在灌浆后3h～6h沿底板边缘向外切50°斜角，以防边缘外的浆料产生裂缝。

4)混凝土结构改造和加固灌浆。与灌浆料接触的混凝土表面应充分凿毛、清理、预处理；缺陷修补区应剔除酥松部分，使其露出钢筋，将边缘切成垂直形状，深度不少于20mm(至少不少于浆料中最大骨料直径的2倍)，有益于修补层与基面的结合；将拌和均匀的灌浆料灌入模板中并适当敲击模板，消除模板表面气泡，且使填充密实；灌浆层较厚时应通过尽量降低水料比、加强保湿养护、严格控制灌浆层与环境的温差等措施，防止产生温度裂纹。

5)后张预应力混凝土结构孔道灌浆。灌浆方法根据现行国家标准GB50010《混凝土结构设计规范》环境类别分类，选择相应的灌浆工艺；正式灌浆前应选择有代表性的管道进行灌浆试验；灌浆过程中不得在灌浆料中掺入其他外加剂、掺合料等。

6)冬期施工。日平均温度低于5℃时应按冬期施工要求施工。灌浆前要采取措施充分预热基础表面，使其温度保持在10℃以上，并清除积水；应采用不超过65℃的温水拌和灌浆料，浆体的入模温度在10℃以上；受冻前，灌浆料的抗压强度不得低于5 MPa。使用硫铝酸盐水泥基灌浆料时，拌和水温不宜超过50℃，拌和物温度宜为5℃～15℃，流动度应略高于硅酸盐水泥基灌浆料，尽量缩短浇灌时间，不得二次加水，随拌随用，入模温度不得低于2℃。

7)高温气候环境施工。灌浆部位温度大于35℃应按高温气候环境施工。灌浆前应采取适当措施做到与灌浆料接触的混凝土基础和设备底板的温度不应大于35℃；浆体的入模温度不应大于30℃；灌浆后应及时采取保湿养护措施。高温条件下使用硫铝酸盐水泥基灌浆料多半是抢修抢建等尽快要求投入使用的工程，即使这种情况也要选择其中与施工操作时间相适应的产品型号。

8)常温养护。灌浆时，日平均温度不应低于5℃，灌浆后裸露部分应及时喷洒养护剂或严密覆盖塑料薄膜，加盖湿草袋保持湿润。灌浆料表面不便浇水时，可喷洒养护剂，应保持灌浆料处于湿润状态，养护时间不得少于7d。当使用硫铝酸盐水泥基灌浆料时其养护应严格按相应的产品说明进行。

9)冬期施工养护。冬期施工务必做到：①工程对强度增长无特殊要求时，灌浆完毕后裸露部分应及时覆盖塑料薄膜并加盖保温材料；起始养护温度不应低于5℃；在负温条件养护时不得浇水；拆模后灌浆料表面应采用保温材料覆盖养护。如环境温度低于水泥基灌浆料要求的最低施工温度或需要加快强度增长时，可采用蒸汽养护法、暖棚法、电热毯法等人工加热养护方式。②重视环境及灌浆料的温度监测和记录，为拆模的预估期限提供参考，当然更适宜的拆模期限应以同条件养护的试件抗压强度来确定，故浆料试块的留置除应按现行国家标准GB50204《混凝土结构工程施工质量验收规范》的规定及符合设计要求外，尚应增加不少于2组同条件养护试件。③使用硫铝酸盐水泥基灌浆料时，同样应重视养护控制，起码应做到灌浆后应立即在其表面覆盖一层塑料薄膜防止失水，并根据气温情况及时覆盖保温材料。如此，其一，为了蓄热，避免使浆料受冻，同时可加速硬化；其二，当浆料达到温升最高温度后，保温层也减缓温度降速，防止温度裂缝。浆料养护温度不宜高于30℃；当灌浆料体积较大时，可采用蓄热法养护。模板和保温层在浆料达到要求强度并冷却到5℃后方可拆除。拆模时浆料表面与环境温差大于20℃时，浆料表面应及时覆盖，缓慢冷却。

关于拆模和养护时间与环境温度的关系，参考文献[3]作出明确规定，见表2。

表2 拆模和养护时间与环境温度的关系

3.2.2 环氧树脂灌浆料施工注意事项

1)施工准备。除做好本文3.1的各项工作外，还必须加强与产品供方沟通，必要时针对具体工程、施工时的预计温度等做施工前的施工模拟试验，进而形成施工方案。如施工方人员无此产品的施工经验且未经事前培训，最好施工时在供方专业人员指导下进行为宜。笔者曾见证了这样一个实例：甲、乙两厂的此类产品经试验，性能相当，都符合某公司进口空压机设备二次灌浆所用，甲未派专业人员进行现场施工指导，结果工程未达到预期效果造成返工，而乙派了专业人员精心地进行施工指导，达到了预期效果。

2)施工温度及控制

为获得最佳的效果，灌浆前最好将材料在15～25℃环境下放置24h；施工时及随后24h环境温度宜控制在10～32℃，且以20℃左右为佳。夏季施工避免中午高温，必要时应搭设遮阳棚；冬季气温较低时，应在灌浆区域搭建暖棚升温，保证施工环境温度大于10℃，且施工宜选择在中午。之所以如此是因该料固化程度和固化后强度受温度影响较大，低温下施工和养护达不到预期的强度。

3)混合及搅拌。按事先确定的配料比，用手提式搅拌器(200～250r.p.m)充分混合A(树脂)、B(固化剂)约3min；在低速大功率搅拌机(15～20r.p.m)中加入C(填料)使之与A、B混合物混合，充分搅拌至骨料全部被浸润为宜，一般需5～10min；在气温较低时为了保证混合物的流动性，可适当减少C(填料)的用量(最多可减少1/2)，具体以事先的模拟试验为依据进行调整。

4)灌浆。灌浆应从一侧灌向另一侧，不得双向或多向进行；灌浆过程中可挤压但勿振捣，以防夹杂空气滞留其中；灌浆距离较长(如大于1.5m)时，应使用高位漏斗法，利用压差辅助灌浆；灌浆工作必须连续尽快完成；单次灌浆厚度控制在25mm～350mm间；灌浆区域较大如需设置伸缩预留条，要符合设计要求或相关规定。

5)密实性检查。灌浆结束后，用铁锤敲击设备基板，发出叮叮声表明灌浆层密实，发出咚咚声表明灌浆层空鼓。

6)表面收光及拆模。灌浆后及浆料初凝前，为美观起见，可将暴露的表面用灰刀收光；终凝后，即可拆模。

7)施工安全防护。此类产品略有轻微刺激性，使用时应避免吸入大量蒸汽或与皮肤长期接触；使用时注意佩戴必要防护用品并保持环境通风，接触皮肤后应及时洗净，如溅入眼内应立即用大量清水冲洗。