兰春晖,延 茜

(山西大学土木工程系,山西 太原 030013)

水泥基灌浆材料是由水泥、骨料、矿物掺合料、外加剂等材料经过混合生产出的具有合理级配的干混料,加水搅拌均匀后具有大流动性、早强、高强、可灌注性、微膨胀的特性。水泥基灌浆料主要在机械修补、加固、安装工程中具有应用价值。如今高强灌浆材料多用于地脚螺栓的锚固,混凝土结构改造,加固及后张预应力混凝土结构预留孔道灌浆与封锚,钢结构柱脚底板的二次灌浆等新领域,不仅仅局限于传统的机械设备安装的二次灌浆。随着我国综合国力日益增强,经济建设不断加快,石化、冶金、电力等涉及到大型设备安装的企业以及公路、桥梁的建设都对灌浆材料提出了更高的性能要求。目前使用的灌浆材料耐久性较差,体积收缩较大,强度发展较慢,从而影响到使用寿命和结构稳定性,因此研究高性能的水泥基灌浆材料具有很强的现实意义。

1 实验用原材料及其配制

1.1 水泥

实验选用山西吉港水泥有限公司生产的普通硅酸盐水泥和山西阳泉天隆工程材料有限公司生产的快硬硫铝酸盐水泥。水泥标准稠度用水量按《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB/T 1346—2011)》中规定的步骤进行,凝结时间按《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法(GB/T 1346—2011)》中规定的步骤完成,测定两种水泥的凝结时间和标准稠度用水量。水泥的物理性能指标见表1。

表1 水泥物理性能指标

1.2 硅灰

为减小水泥颗粒间的孔隙率,可在水泥中加入具有较小颗粒粒径特征的硅灰,利用硅灰和水泥加水拌合后水化产物反应生成凝胶体的特点,可以显著改善灌浆材料的抗渗、抗折以及抗压性能。硅灰性能等相关技术指标满足《高强高性能混凝土用矿物外加剂(GB/T 18736—2002)》的要求。

1.3 膨胀剂

U型膨胀剂具有多种组合成分,主体包括氧化铝、硫酸铝、硫酸铝钾等,每一时期能起到膨胀作用的组成成分是有差别的。本实验选用的高效U型混凝土膨胀剂,性能符合《混凝土膨胀剂(GB 23439—2009)》[1]的要求。

1.4 减水剂

实验选用聚羧酸高效减水剂,减水率为25%～30%，可减小水泥颗粒间的摩擦阻力,减弱颗粒间的凝聚作用,可以使包裹在絮状结构水泥中的自由水释放而出,分散水泥颗粒,进而大大改善水泥浆的流动性能。

1.5 砂

本实验采用3种不同粒径的干砂,其中A类砂为粗砂,B类砂为中砂,C类砂为细砂,分别取500 g砂进行颗粒级配试验,所用筛孔尺寸各为：4.75、 2.36、1.18、0.6、0.3、 0.15 mm。根据细度模数计算公式：

分别计算3种砂的细度模数各为：

MA=4.93,MB=4.06,MC=2.19。

3种砂颗粒级配均不满足规定的标准范围。对其3种砂进行级配组合优选出符合级配的砂，级配比例见表2。

表2 3种砂级配比例

按比例混合筛分计算,确定级配为A: 15%, B: 65%, C: 20%为最优级配,其级配符合混凝土用砂质量标准,颗粒级配见图1。

图1 石英砂的颗粒级配

2 试验方法

2.1 灌浆料抗压、抗折试验

本实验依次加入水泥、快硬水泥、硅灰、膨胀剂,利用行星式胶砂搅拌机充分搅拌均匀之后再将减水剂和水加入搅拌,待均匀后再加入砂拌和至均匀。实验模型尺寸为：40 mm×40 mm×160 mm；装模时自然成型并养护：灌浆料放置进模具后静置24 h,随即拆模,对试块按照规范在标准条件下按规定龄期进行养护,完成后进行强度测试[2]。

抗折强度：放置时应将试件沿着实验中浇筑的侧面放入抗折实验机,并读取数值,转化成相应的抗折强度。实验结果取3个试块抗折强度的平均值,若有一个试块的抗折强度高于平均值的±10%时,取剩余两个抗折强度的平均值作为实验结果；若有两个试块的抗折强度超过平均值的±10%时,应重做实验。

抗压强度：将抗折实验结束后的断块进行抗压强度试验,受压面为试块的侧面,加载速率为(2.0±0.2)kN/s,直至试块破坏。

抗折强度按下式计算：

R=P/A

式中：R为抗压强度,MPa；

P为试件破坏荷载,N；

A为试件受压面积,m2。

取6个实验结果的平均值作为试件的抗压强度。

2.2 灌浆料流动度试验

流动度测试方法：所用的仪器是高度为(60±0.5) mm,上口内径为(70±0.5) mm,下口内径为(100±0.5) mm,下口外径为120 mm的截锥圆模。操作过程：首先将截锥形模相切,之后缓缓提拉起截锥圆,确保灌浆料能够在玻璃板上无阻流动,分别用直尺测量玻璃板流动范围内灌浆料互相垂直方向直径的最大值,取其均值视作灌浆料初始流动度。完成测量后静置30 min,再次重新搅拌灌浆料并测其流动度,计作30 min流动度最终值。

2.3 竖向膨胀率计算

灌浆料还有一个极为重要的技术指标：膨胀率。竖向膨胀率按下式计算：

式中：εt为竖向膨胀率；

ht为试件龄期为t时的高度读数，mm;

h0为试件高度的初始读数，mm;

h为试件基准高度100，mm。

实验结果取3个试件竖向膨胀率的算术平均值,计算结果精确至0.01。

3 胶凝材料配合比

3.1 胶凝材料正交试验

采用三因素(快硬硫铝酸盐水泥,膨胀剂,硅灰)三水平进行正交试验[3],按胶砂强度标准制作试件,养护28 d,分别进行1、3、28 d龄期抗压强度试验。因素水平表见表3,抗折抗压强度试验结果见表4。

表3 因素水平表

3.2 正交试验数据分析处理

采用方差齐性检验分析方法分别计算统计3个龄期下各因素的K值,极差R值[4]。K代表表4任意列水平号为i时所对应的实验结果之和。正交试验方案及结果见表4。

表4 正交试验方案及结果

从正交试验数据统计中可以看出：在A、B、C三个因素中,不论是1、3、28 d强度,B因素的极差在同等天数强度中是最大的,其次是A因素,最后是C因素。具体数据分析见表5;1、3、28 d方差齐性检验结果见表6～8。

说明膨胀剂用量对胶凝材料强度影响最为显著，为：B>A>C。

根据极差大小排列,可知三因素对胶凝材料1、3、28 d抗压强度影响由大到小排序均为B、A、C。

表5 抗压强度K值与方差R统计

表6 1 d方差齐性检验分析结果

表7 3 d方差齐性检验分析结果

表8 28 d方差齐性检验分析结果

综合分析因素A、B、C对1、3、28 d强度的影响,最终选择胶凝材料最佳配比为B2A3C3。

4 胶砂比、水胶比和外加剂配比

水胶比和胶砂比的大小,将会极大影响着灌浆材料的强度、收缩及流动性。胶砂比较大时,在用水量相同,减水剂用量相同的条件下会减小其流动度,提高早期强度，同时伴随着灌浆材料收缩的增加。随着水胶比的增加,灌浆料的流动性增强,灌浆后的强度降低[5]。

实验分别选取三种梯度的水胶比和胶砂比,每组水胶比下对应三种胶砂比,外加剂含量通过试验定为0.3%。分别分析在这些配比之下灌浆料的流动性、强度、竖向膨胀率、收缩率等相关试验指标,得出最佳性能的灌浆料配比[6],具体分析见表9。

表9 不同水胶比和胶砂比下抗折抗压强度和流动度

在不同的胶砂比和水胶比条件下,配置灌浆料测定其初始和30 min流动度[7],试验中发现水胶比为0.36的灌浆料泌水现象严重,泌水率为0.7%,远超规范要求,因此不予考虑,选取其余梯度制作胶砂条并进行相应试验。试验抗压强度变化规律见图2、图3；收缩率变化规律见图4、图5。

图2 水胶比0.32下不同胶砂比抗压强度

图3 水胶比0.34下不同胶砂比抗压强度

图4 水胶比0.32下不同胶砂比收缩率

图5 水胶比0.34下不同胶砂比收缩率

5 结 语

由实验结果可知,随着水胶比增加,灌浆料试块抗折抗压强度降低,流动性增大。在相同水胶比情况下,随着胶砂比的增大,灌浆料试块抗折抗压强度增加,流动性下降。在水胶比为0.34,胶砂比为1.2的配比下,抗折抗压强度高,流动性较大且在合理范围内。因此判定以水胶比0.34和胶砂比1.2的水泥基灌浆料为最佳配比,在此配比下,测得水泥基灌浆料的3 h竖向膨胀率为0.05%,24 h与3 h竖向膨胀率之差为0.08%,均在规范要求的范围之内。故可以认为在0.34的水胶比,1.2的胶砂比和0.3%的减水剂掺量下对应的配比为高性能水泥基灌浆料的最佳配比,在此配比下的水泥基灌浆料具有高抗折强度、高抗压强度、较高的流动性、微膨胀的特点[8]。

本实验通过确定进行正交试验,结合方差分析等统计学[9]知识确定出具有高强度的胶凝材料最佳配合比。以此胶凝材料分别加入水、骨料、外加剂,对胶砂比和水胶比进行试验分析,最终得出最佳胶砂比和水胶比配比从而制备得到具有新配方比例的高性能水泥基灌浆料。