关于超高强水泥基灌浆料配制试验的研究

第 1 章 绪论

1. 1 灌浆料的概念

灌浆料是由水泥、外加剂(减水剂、膨胀剂、早强剂、消泡剂等)、集料和矿物掺合料等材料拌合在一起的干混料，加水搅拌后，具有以下特点：微膨胀、流动性高、硬化快、早期强度和后期强度高等，这与普通混凝土相比，灌浆料的以上特点可以使灌浆料应用在安装设备、改建工程等，并能保证工程的质量和精度，灌浆料的使用可以使施工更加方便快捷，能够加快施工进度[1]。灌浆材料根据材料的性质主要分为两大类[2]：一类是化学灌浆材料，分为：丙烯酰胺类灌浆材料、环氧树脂灌浆材料、水溶性化学灌浆材料、水溶性聚氨酯化学灌浆材料; 另一类是非化学灌浆材料，比如：水泥、粘土以及水泥粘土等。化学灌浆材料的优缺点：粘度低，凝结时间能够人为控制，其颗粒粒径大小不会较大影响灌浆料的性能等，但化学灌浆材料存在一定的毒性，对环境容易造成污染，其成本也比非化学灌浆材料的成本要高很多。非化学灌浆材料的优缺点：材料来源广泛方便，成本低，强度高，无毒，耐久性好，但非化学灌浆材料中的水泥颗粒粒径大，最大粒径可达90μm~100μm，因此当水胶比较大时，会造成浆体的稳定性差，析水，有一定的收缩，细微的裂缝很难将其灌入[3]。灌浆料主要用于：地脚螺栓锚固、飞机跑道的抢修、核电设备的固定、路桥工程的加固、机器底座、钢结构与地基怀口、设备基础的二次灌浆、混凝土结构加固和改造、旧混凝土结构的裂缝治理，机电设备安装，轨道及钢结构安装，静力压桩工程封桩，建筑加固，梁柱截面加大、墙体结构的加厚及漏渗水的修复，各种基础工程的塌陷灌浆以及各种抢修工程等。

1. 2 研究现状

水泥基灌浆料最先是应用在军事设施上，是由美国最早研制的一种高强快凝的材料，直到 50 年代，水泥基灌浆料开始应用在工业部门，并对水泥基灌浆料的配制、性能等方面进行了更深入的研究。Kamal. H. Khayat[4]研究发现，水溶性增稠材料加入到水泥基灌浆料中可以改善其粘结力、保水等性能，能改善砂浆混凝土的抗冻性和耐久性等。M. Sahmaran 和 N. Ozkan 等人[5]通过试验证明在水泥基灌浆材料中加入天然的浮石粉能改善灌浆材料的流变性能，当天然浮石粉和超塑化剂一起使用时流变性能改善更加明显。M. Jamal Shannag[6]认为掺加矿物掺合料(天然火山灰、硅灰、粒化高炉矿渣和粉煤灰)和超塑化剂可以生产高性能水泥基灌浆材料，其具有好的流动性、抗渗性、抗侵蚀性、抗冻耐久性、体积稳定性和强度，并利用 P·O42.5 水泥、石英砂、硅灰、高效减水剂等材料配制出具有良好性能的灌浆材料。B. Elekoglu 和 B. Baradan 等人[7]对加入超细石灰石粉填料的自流平黏结剂进行了试验研究。结果表明石灰石粉填料的孔隙填充效应能得到更密实的结构，它能和水泥水化生成的2Ca (OH)、游离的2SiO 反应生成水化硅酸钙凝胶，更能改善硬化浆体的强度和耐久性。在此基础上，上世纪 80 年代超细水泥灌浆料[8]由日本研制成功，超细水泥在组成成分上与普通水泥的主要不同点是超细水泥在制备过程中添加了一些性能调节剂[9]。其主要有以下特点：细度较高，测试普通水泥细度所用的筛分法无法得到，通常采用激光粒度仪或者光透沉降粒度仪等[10];稳定性、流动性有显著改善，少析水或不析水，防渗固结效果和可灌性好，其强度比化学灌浆材料的强度要高很多，并且无污染，成本低，因而在许多国家得到了广泛的应用。近年来，在高校和研究院的共同努力下，配制出一批质量较高的灌浆材料，并成功地在一些企业进行了工厂化生产，取得了良好的经济效益和社会效益，主要应用在水电、隧道、油井等防渗加固方面。

第 2 章 试验原材料及方法

2. 1 试验原材料

水泥是配制超高强水泥基灌浆料的重要组成部分，为了满足灌浆流动性和强度的要求，采用普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥进行复配。本文选用的水泥是唐山冀东水泥股份有限公司生产的 P·O42.5R 普通硅酸盐水泥、P·O52.5R 普通硅酸盐水泥和唐山北极熊建筑材料有限公司生产的 92.5 级的硫铝酸盐水泥，其性能见表。硅灰是工业冶炼中的副产物，是在炼制含有硅的金属过程中，产生的较易挥发的二氧化硅和硅气体，气体与空气接触后会迅速氧化并且沉淀而成。因为硅灰的质量较轻，需要除尘环保设备进行收集，硅灰的颗粒粒径较小，加入水泥中可以减小水泥颗粒间的空隙率，加水拌合后，硅灰可与水化产物反应，生成胶凝体，能够显著提高灌浆料的抗压、抗折及抗渗等性能。U 型膨胀剂有多种膨胀源，主要包括硫酸铝、氧化铝、硫酸铝钾等，每一时期起膨胀作用的膨胀源是不同的，例如早期主要是无水硫酸铝钙起作用，中期主要是明矾石起膨胀作用。本试验选用的膨胀剂是北京远兴建材生产的. UEA 膨胀剂，外观为灰白色粉末，自然堆积容重 1g/ml，掺量为 8%~10%。聚羧酸减水剂是第三代减水剂，它具有优良的性能，包括减水、防收缩、保坍以及环保等性能，高强和高性能的混凝土一般有因粘度大造成施工性能不好的特点，而加入聚羧酸减水剂后可明显解决这些弱点。聚羧酸减水剂还能和其他材料配成各种功能的外加剂，例如早强剂、缓凝剂、泵送剂等。聚羧酸减水剂外观是橙黄色油状液体，固含量 30%，减水率 30%。

2. 2 试验方法

本试验采用行星式胶砂搅拌机，加料顺序：水泥、和膨胀剂搅拌均匀后，将水和减水剂加入搅拌均匀，加砂搅拌均匀。试验模型尺寸是 40mm×40mm×160mm;装模时无需插捣，自然成型;养护：灌浆料放入模后静置 24h，然后拆模，再将试块在标准条件下进行养护到规定龄期，最后进行强度的测试。抗折强度：放置时注意试件应沿着浇注时的侧面放入，直接读取电动抗折机上的抗折强度数值。试验结果取三个试块抗折强度的平均值，若有一个试块的抗折强度高过平均值的±10%时，取剩下两个抗折强度的平均值作为试验结果，若有两个试块的抗折强度超过平均值的±10%时，应重做试验。抗压强度：将抗折试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. 0kN/s±0. 2kN/s，直至试块破坏。评价灌浆料性能优劣的首要条件，便是灌浆材料的流动性能。流动度的测试方法：所用的仪器是高度为 60mm±0.5mm，上口内径为 70mm±0.5mm，下口内径为100mm±0.5mm，下口外径为 120mm 的截锥圆模。操作过程：首先将截锥形模放在洁净的玻璃板上，将灌浆料装入截锥形圆模中，使灌浆料的水平面与试模相切，然后将截锥圆缓慢提起，使灌浆料在玻璃板上自由流动，用直尺测量流动面积上两个垂直方向最大直径并取平均值作为灌浆料的初始流动度，测量完毕后，静置30min，将灌浆料重新搅拌后测量其流动度，作为 30min 流动度的保留值。

第 3 章 灌浆料中各组成材料对灌浆料性能的影响....16