關(guān)于超高強水泥基灌漿料配制試驗的研究
第 1 章 緒論
1. 1 灌漿料的概念
灌漿料是由水泥、外加劑(減水劑、膨脹劑、早強劑、消泡劑等)、集料和礦物摻合料等材料拌合在一起的干混料，加水攪拌后，具有以下特點(diǎn)：微膨脹、流動(dòng)性高、硬化快、早期強度和后期強度高等，這與普通混凝土相比，灌漿料的以上特點(diǎn)可以使灌漿料應用在安裝設備、改建工程等，并能保證工程的質(zhì)量和精度，灌漿料的使用可以使施工更加方便快捷，能夠加快施工進(jìn)度[1]。灌漿材料根據材料的性質(zhì)主要分為兩大類(lèi)[2]：一類(lèi)是化學(xué)灌漿材料，分為：丙烯酰胺類(lèi)灌漿材料、環(huán)氧樹(shù)脂灌漿材料、水溶性化學(xué)灌漿材料、水溶性聚氨酯化學(xué)灌漿材料; 另一類(lèi)是非化學(xué)灌漿材料，比如：水泥、粘土以及水泥粘土等�；瘜W(xué)灌漿材料的優(yōu)缺點(diǎn)：粘度低，凝結時(shí)間能夠人為控制，其顆粒粒徑大小不會(huì )較大影響灌漿料的性能等，但化學(xué)灌漿材料存在一定的毒性，對環(huán)境容易造成污染，其成本也比非化學(xué)灌漿材料的成本要高很多。非化學(xué)灌漿材料的優(yōu)缺點(diǎn)：材料來(lái)源廣泛方便，成本低，強度高，無(wú)毒，耐久性好，但非化學(xué)灌漿材料中的水泥顆粒粒徑大，最大粒徑可達90μm~100μm，因此當水膠比較大時(shí)，會(huì )造成漿體的穩定性差，析水，有一定的收縮，細微的裂縫很難將其灌入[3]。灌漿料主要用于：地腳螺栓錨固、飛機跑道的搶修、核電設備的固定、路橋工程的加固、機器底座、鋼結構與地基懷口、設備基礎的二次灌漿、混凝土結構加固和改造、舊混凝土結構的裂縫治理，機電設備安裝，軌道及鋼結構安裝，靜力壓樁工程封樁，建筑加固，梁柱截面加大、墻體結構的加厚及漏滲水的修復，各種基礎工程的塌陷灌漿以及各種搶修工程等。
1. 2 研究現狀
水泥基灌漿料最先是應用在軍事設施上，是由美國最早研制的一種高強快凝的材料，直到 50 年代，水泥基灌漿料開(kāi)始應用在工業(yè)部門(mén)，并對水泥基灌漿料的配制、性能等方面進(jìn)行了更深入的研究。Kamal. H. Khayat[4]研究發(fā)現，水溶性增稠材料加入到水泥基灌漿料中可以改善其粘結力、保水等性能，能改善砂漿混凝土的抗凍性和耐久性等。M. Sahmaran 和 N. Ozkan 等人[5]通過(guò)試驗證明在水泥基灌漿材料中加入天然的浮石粉能改善灌漿材料的流變性能，當天然浮石粉和超塑化劑一起使用時(shí)流變性能改善更加明顯。M. Jamal Shannag[6]認為摻加礦物摻合料(天然火山灰、硅灰、�；郀t礦渣和粉煤灰)和超塑化劑可以生產(chǎn)高性能水泥基灌漿材料，其具有好的流動(dòng)性、抗滲性、抗侵蝕性、抗凍耐久性、體積穩定性和強度，并利用 P·O42.5 水泥、石英砂、硅灰、高效減水劑等材料配制出具有良好性能的灌漿材料。B. Elekoglu 和 B. Baradan 等人[7]對加入超細石灰石粉填料的自流平黏結劑進(jìn)行了試驗研究。結果表明石灰石粉填料的孔隙填充效應能得到更密實(shí)的結構，它能和水泥水化生成的2Ca (OH)、游離的2SiO 反應生成水化硅酸鈣凝膠，更能改善硬化漿體的強度和耐久性。在此基礎上，上世紀 80 年代超細水泥灌漿料[8]由日本研制成功，超細水泥在組成成分上與普通水泥的主要不同點(diǎn)是超細水泥在制備過(guò)程中添加了一些性能調節劑[9]。其主要有以下特點(diǎn)：細度較高，測試普通水泥細度所用的篩分法無(wú)法得到，通常采用激光粒度儀或者光透沉降粒度儀等[10];穩定性、流動(dòng)性有顯著(zhù)改善，少析水或不析水，防滲固結效果和可灌性好，其強度比化學(xué)灌漿材料的強度要高很多，并且無(wú)污染，成本低，因而在許多國家得到了廣泛的應用。近年來(lái)，在高校和研究院的共同努力下，配制出一批質(zhì)量較高的灌漿材料，并成功地在一些企業(yè)進(jìn)行了工廠(chǎng)化生產(chǎn)，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，主要應用在水電、隧道、油井等防滲加固方面。
第 2 章 試驗原材料及方法
2. 1 試驗原材料
水泥是配制超高強水泥基灌漿料的重要組成部分，為了滿(mǎn)足灌漿流動(dòng)性和強度的要求，采用普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行復配。本文選用的水泥是唐山冀東水泥股份有限公司生產(chǎn)的 P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥、P·O52.5R 普通硅酸鹽水泥和唐山北極熊建筑材料有限公司生產(chǎn)的 92.5 級的硫鋁酸鹽水泥，其性能見(jiàn)表。硅灰是工業(yè)冶煉中的副產(chǎn)物，是在煉制含有硅的金屬過(guò)程中，產(chǎn)生的較易揮發(fā)的二氧化硅和硅氣體，氣體與空氣接觸后會(huì )迅速氧化并且沉淀而成。因為硅灰的質(zhì)量較輕，需要除塵環(huán)保設備進(jìn)行收集，硅灰的顆粒粒徑較小，加入水泥中可以減小水泥顆粒間的空隙率，加水拌合后，硅灰可與水化產(chǎn)物反應，生成膠凝體，能夠顯著(zhù)提高灌漿料的抗壓、抗折及抗滲等性能。U 型膨脹劑有多種膨脹源，主要包括硫酸鋁、氧化鋁、硫酸鋁鉀等，每一時(shí)期起膨脹作用的膨脹源是不同的，例如早期主要是無(wú)水硫酸鋁鈣起作用，中期主要是明礬石起膨脹作用。本試驗選用的膨脹劑是北京遠興建材生產(chǎn)的 UEA 膨脹劑，外觀(guān)為灰白色粉末，自然堆積容重 1g/ml，摻量為 8%~10%。聚羧酸減水劑是第三代減水劑，它具有優(yōu)良的性能，包括減水、防收縮、保坍以及環(huán)保等性能，高強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點(diǎn)，而加入聚羧酸減水劑后可明顯解決這些弱點(diǎn)。聚羧酸減水劑還能和其他材料配成各種功能的外加劑，例如早強劑、緩凝劑、泵送劑等。聚羧酸減水劑外觀(guān)是橙黃色油狀液體，固含量 30%，減水率 30%。
2. 2 試驗方法
本試驗采用行星式膠砂攪拌機，加料順序：水泥、和膨脹劑攪拌均勻后，將水和減水劑加入攪拌均勻，加砂攪拌均勻。試驗模型尺寸是 40mm×40mm×160mm;裝模時(shí)無(wú)需插搗，自然成型;養護：灌漿料放入模后靜置 24h，然后拆模，再將試塊在標準條件下進(jìn)行養護到規定齡期，最后進(jìn)行強度的測試�？拐蹚姸龋悍胖脮r(shí)注意試件應沿著(zhù)澆注時(shí)的側面放入，直接讀取電動(dòng)抗折機上的抗折強度數值。試驗結果取三個(gè)試塊抗折強度的平均值，若有一個(gè)試塊的抗折強度高過(guò)平均值的±10%時(shí)，取剩下兩個(gè)抗折強度的平均值作為試驗結果，若有兩個(gè)試塊的抗折強度超過(guò)平均值的±10%時(shí)，應重做試驗�？箟簭姸龋簩⒖拐墼囼灲Y束后的斷塊進(jìn)行抗壓強度試驗，受壓面為試塊的側面，加載速率為 2. 0kN/s±0. 2kN/s，直至試塊破壞。評價(jià)灌漿料性能優(yōu)劣的首要條件，便是灌漿材料的流動(dòng)性能。流動(dòng)度的測試方法：所用的儀器是高度為 60mm±0.5mm，上口內徑為 70mm±0.5mm，下口內徑為100mm±0.5mm，下口外徑為 120mm 的截錐圓模。操作過(guò)程：首先將截錐形模放在潔凈的玻璃板上，將灌漿料裝入截錐形圓模中，使灌漿料的水平面與試模相切，然后將截錐圓緩慢提起，使灌漿料在玻璃板上自由流動(dòng)，用直尺測量流動(dòng)面積上兩個(gè)垂直方向最大直徑并取平均值作為灌漿料的初始流動(dòng)度，測量完畢后，靜置30min，將灌漿料重新攪拌后測量其流動(dòng)度，作為 30min 流動(dòng)度的保留值。
第 3 章 灌漿料中各組成材料對灌漿料性能的影響....16
3. 1 普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復配對灌漿料..16
3. 2 硅灰對灌漿料性能的影響 ..21
3. 2. 1 硅灰對灌漿料流動(dòng)性能的影響..21
3. 2. 2 硅灰對灌漿料早期強度的影響..23
3. 3 砂對灌漿料性能的影響24
3. 4 小結.29
第 4 章 灌漿料配合比優(yōu)化設計 ....31
4. 1 選擇正交試驗設計因素31
4. 2 選擇正交表 ....31
4. 3 正交試驗的結果及分析32
4. 4 小結.39
第 5 章 灌漿料耐腐蝕性試驗及微觀(guān)性能分析
5. 1 灌漿料耐腐蝕性試驗結果及分析
測試灌漿料的耐化學(xué)腐蝕性能，化學(xué)溶液包括濃度為 5%的 NaOH 、4MgSO 和2 4Na SO 溶液，分別測得 1d 后放入化學(xué)溶液、7d 后放入化學(xué)溶液和 28d 后放入化學(xué)溶液后養護到 56d 的抗壓強度與標準條件養護 56d 的抗壓強度的變化。選取以下8 組進(jìn)行試驗，水泥是由普通硅酸鹽水泥(42.5R 水泥)與硫鋁酸鹽水泥按照 3:7的比例進(jìn)行復配，減水劑摻量為膠凝材料摻量的 1%，膨脹劑摻量為膠凝材料摻量由圖 26 可以看出，A1~A4 是未加硅灰的灌漿料，標準條件下養護 56d 的抗壓強度要比 1d 后和 7d 后放入氫氧化鈉溶液中養護 56d 的抗壓強度要高，而 28d 后放入氫氧化鈉溶液中養護 56d 的抗壓強度要比標準條件下養護 56d 的抗壓強度要高，另外還可以看出早期浸入侵蝕溶液(1d 后和 7d 后)的后期強度要比晚期浸入侵蝕溶液(28d 后)的后期強度要低。由圖 27 可以看出，A5~A8 是加入硅灰的灌漿料，1d 后放入侵蝕溶液、7d 后放入侵蝕溶液和 28d 后放入侵蝕溶液的 56d 抗壓強度都要比標準養護條件下 56d 的抗壓強度要高。由上可知，未加入硅灰的灌漿料，早期浸入侵蝕溶液(1d 后和 7d 后)的耐堿性略差，后期浸入侵蝕溶液(28d 后)的耐堿性性能良好，加入硅灰的灌漿料，無(wú)論早期浸入溶液還是后期侵入溶液，其耐堿性能都良好。
結 論
本文通過(guò)對普通硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行復配，在水泥中加入硅灰、膨脹劑、減水劑配制超高強水泥基灌漿料，通過(guò)試驗得到以下結論：
1)普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥按一定比例(3:7)復配后可以改善灌漿料的流動(dòng)性能和提高灌漿料的強度。
2)摻加 4%~7%的硅灰可以提高灌漿料的流動(dòng)度和密實(shí)性;硅灰摻量為 2%時(shí)，可提高灌漿料的早期抗折強度和抗壓強度。
3)砂膠比在 0.1~0.5 時(shí)，P·O42.5R 普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復配后的28d 抗壓強度比 P·O52.5R 硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復配后的 28d 抗壓強度高。
4)隨著(zhù)砂膠比的增大，灌漿料的流動(dòng)度總體趨勢是減小的，當砂膠比為 0.5時(shí)，其流動(dòng)度大幅度減小;灌漿料的抗折強度隨著(zhù)砂膠比的增加總體趨勢是先增大后減小，灌漿料的抗壓強度隨著(zhù)砂膠比的增加總體趨勢是逐漸減小的，當砂膠比為10%時(shí)，灌漿料的 28d 抗折和抗壓強度都達到最大。
5)通過(guò)正交試驗得出硫鋁酸鹽水泥摻量為 60%時(shí)可滿(mǎn)足灌漿料的灌漿要求且能提高灌漿料的早期強度。標準砂摻量為 40%時(shí)，灌漿料的各項性能良好，是較優(yōu)摻量。硅灰摻量為 0 時(shí)，灌漿料的各項性能良好，是較優(yōu)摻量。減水劑摻量為0.8%時(shí)，灌漿料的各項性能良好，是較優(yōu)摻量。膨脹劑摻量為 12%時(shí)，灌漿料的各項性能良好，是較優(yōu)摻量。
6)摻加硅灰的灌漿料耐堿性能良好，抗壓強度經(jīng)侵蝕后反而升高，但表面出現粉化的現象。配制的灌漿料具有優(yōu)異的耐硫酸鹽性能，抗壓強度經(jīng)侵蝕后升高，表面無(wú)明顯變化。
參考文獻(略)
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