超早強水泥基灌漿料的研究綜述

呂 飛

(安徽理工大學土木建筑學院,安徽 淮南 232001)

隨著經濟的高速發(fā)展以及自然災害中被損建筑物亟需修復的需要,水泥基灌漿料被要求在幾個小時內就達到要求的強度,而普通灌漿料已經難以滿足這一特性,因此超早強水泥基灌漿料的研制已變得越來越有必要。隨著國民經濟的飛速發(fā)展,在當前一些重要工程中,早強型水泥基灌漿料發(fā)揮著重要作用,如我國大力推廣裝配式建筑,力爭用10年左右時間使裝配式建筑占新建建筑的比例達到30%,而裝配式建筑普遍采用鋼筋灌漿套筒連接技術,灌漿料要求具有良好的早強、高強、微膨脹和流動性等性能；機場跑道的修復,需24小時后開放交通已難以適應經濟的發(fā)展,超早強水泥基灌漿料的應用可以縮短交通開放的時間；客運專線橋梁盆式橡膠支座的安裝,要求超早強灌漿料8h達到20MPa以上,當有特殊要求時,常溫條件下灌漿材料2h抗壓強度不宜低于20MPa；同時在自然災害中受損建筑的快速搶修以及其它需要短時間內急需修復的工程中,超早強灌漿料都發(fā)揮著重要作用。關于超早強灌漿料,目前還沒有統(tǒng)一的定義,根據(jù)業(yè)內的研究現(xiàn)狀,超早強灌漿料在加水攪拌后幾個小時內就可達到一定的強度,有的2h后其抗壓強度達到20MPa,有的甚至在1h后即達到30MPa。

1 超早強水泥基灌漿料的配制

超早強水泥基灌漿料的研究配制根據(jù)膠凝材料的不同主要集中在兩種途徑:①以硅酸鹽類水泥、硫鋁酸鹽類水泥和鋁酸鹽類水泥為主要膠凝材料,添加其它混凝土添加劑與礦物材料進行改性。以硅酸鹽水泥為膠凝材料的灌漿料成本較低,應用廣泛,但硅酸鹽類水泥早水化熱較大,后期體積水化收縮大,一般是通過加入早強劑、膨脹劑及其它外加劑來控制灌漿料早期強度與體積收縮。分別以硫鋁酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥為膠凝材料的灌漿料凝結速度塊,具有較高的早期強度以及可靠的膨脹性能,但生產成本較高且后期強度會有下降；②以硅酸鹽類水泥與硫鋁酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥復配,添加其它混凝土添加劑與礦物材料進行改性。此類灌漿料結合了硫鋁酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥凝結硬化快、早期強度高、微膨脹,硅酸鹽類水泥后期強度高、成本低等優(yōu)勢。但原料成分較復雜,配合比需經常調整,受溫度影響較大,穩(wěn)定性差,施工使用前需進行試配確定相關性能。硅酸鹽類水泥與硫鋁酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥復配時會出現(xiàn)閃凝的情況,通常應用石膏等緩凝劑控制鈣礬石生成的數(shù)量來改善復合體系的力學性能及膨脹性能。

2 超早強水泥基灌漿料的研究

2.1 超早強水泥基灌漿料的配合比研究

超早強水泥基灌漿料配比復雜,不同的水泥品種或不同品種水泥進行復配,其各種添加劑、礦物摻合料的摻量配比也不同。

李嶠玲[1]選用硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥作為復合膠凝材料,石英砂和普通河砂作為復合集料,摻入石灰促成早期生成大量鈣釩石來提高早期強度并產生微膨脹,硼酸和酒石酸作緩凝劑、碳酸鋰為早強劑,加入聚羧酸高性能減水劑、消泡劑,配制出2h抗壓強度超過20MPa的超早強灌漿料。確定石灰最佳摻量為2%,普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥最佳比例為2∶8,膠砂比確定為1∶1.2為宜,普通砂取代石英砂量控制在40%以內,聚羧酸減水劑最佳摻量為5%,緩凝劑硼酸和酒石酸摻量分別為0.03%、0.075%,早強劑碳酸鋰為0.1%。并得出結論流動度會隨普通硅酸鹽水泥摻量的增加略有下降,隨著膠砂比的減小逐漸降低；灌漿料早期強度及后期強度均隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加而降低,隨著膠砂比的減小呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢,隨著普通砂摻量的增加而降低；干縮率會隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加逐漸變大,隨著膠砂比的減小而減小,干縮率與石灰摻量和普通砂摻量成反比[2,3]。

孫長征等[4]利用普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石膏和硅灰四元復合體系輔以多種外加劑,高膠砂比研制出初始流動度大于325mm,30min保留值大于280mm；2h、28d抗壓強度分別為34.80MPa、99.90MPa,24h抗折達13.82MPa的超早強灌漿料,確定最佳配合比為65%-75%的高鋁水泥摻量,3%-8%的石膏摻量,3%-5%的硅灰摻量,20%-30%的42.5級普通硅酸鹽水泥的摻量,膠砂比為1.0-1.5區(qū)間。

扶庭陽等[5]利用42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥加入研配的三種硫鋁酸鹽水泥專用復合外加劑成功制備出硫鋁酸鹽水泥膠砂,可以與普通硅酸鹽水泥膠砂很好的粘結,且具有良好的抗凍性、抗硫酸侵蝕性、抗裂性、體積穩(wěn)定。通過試驗配制出的主要成分為聚羧酸高效減水劑的復合減水劑RW飽和摻量約1.2%；由鋰鹽、鈣鹽和鋁鹽等復合而成復合早強劑ICCH最佳摻量在0.5%-0.6%；由硼酸鹽、鋁鹽和有機鈣鹽等復合而成復合緩凝劑BS最佳摻量為0.5%-2.0%。

2.2 外加劑對超早強水泥基灌漿料的性能影響

在灌漿料中摻入外加劑,可調節(jié)灌漿料凝結和硬化速率,加速或延緩凝結時間,提高灌漿料的減水或保水效果,解決泌水問題,增強灌漿料的穩(wěn)定性、耐久性、防滲漏和抵抗破裂等性能,外加劑的種類和摻量不同會對灌漿料的強度和流動性等的影響也不同。

仲朝明等[6]用普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復配,使用0-1mm石英砂為骨料,添加萘系減水劑、緩凝劑、膨脹劑、粉煤灰等材料研制出的超早強灌漿料成功應用于鄭西客運專線、京滬高鐵等高速鐵路橋梁盆式橡膠支座安裝工程中,試驗中結論認為硼酸與酒石酸復配可以對硅酸鹽與硫鋁酸鹽膠凝體系有較好的緩凝作用,摻入UEA型膨脹劑時必須進行濕養(yǎng)護,否則開裂風險比不摻膨脹劑的還要大。

陳大川等[7]通過在硫鋁酸鹽水泥中摻加外加劑的辦法配制出超早強水泥膠砂,文中先通過單一組分的不同摻量對硫鋁酸鹽水泥的性能影響進行分析得出最佳摻量范圍,然后采用正交試驗優(yōu)選出最佳配合比聚羧酸高效減水劑、硅灰、碳酸鋰、亞硝酸鈣、納米鈣摻量分別為1.0%,4.0%,0.1%,0.5%和0.5%。試驗得出結論：碳酸鋰對硫鋁酸鹽水泥的小時強度影響顯著且摻量越大對硫鋁酸鹽水泥3d強度影響越嚴重；少量的亞硝酸鈣對硫鋁酸鹽水泥小時強度有一定增強效果,但不明顯,且摻量越大,3d強度增加越顯著；聚羧酸高效減水劑在飽和摻量1.0%時可增大硫鋁酸鹽1h強度,但摻量大小對3d強度沒有明顯影響；納米鈣摻量在0.1%以內時,可以一定程度提高硫鋁酸鹽水泥的1h膠砂強度,摻量在0.25%-0.5%時,效果最明顯,但當摻量過多時將會降低3d強度,少量納米鈣與硅灰組合可以有效解決泌水問題。

于建軍等[8]探討硫酸鈉、三乙醇胺和早強組分A復合對超早強灌漿料終凝時間、抗折強度和抗壓強度等性能與結構的影響。試驗結果表明：單摻三乙醇胺、硫酸鈉和早強組分A最佳摻量分別為0.05%、0.8%和0.1%,超早強灌漿料的各項指標基本滿足要求。將硫酸鈉、三乙醇胺和早強組分A按合理比例進行復合后摻入,超早強灌漿料的2h的抗折強度和抗壓強度分別提高了72.2%和79.0%,1d的抗折強度和抗壓強度分別提高了69.8%和48.7%,7d抗折強度提高了22.4%和41%,28d的抗折強度和抗壓強度都提高了8.0%。

丁慶軍等[9]使用硫鋁酸鹽水泥通過加入高效減水劑、緩凝劑、早強劑及抗水分散劑研制出水下抗分散性能優(yōu)越,8h、28d水陸強度比都在0.85以上的水下超早強灌漿料。并得出硼酸的摻量增大會延長初終凝時間且減小抗壓強度；碳酸鋰作為早強劑可以加速硫鋁酸鹽水泥的凝結水化但會降低后期強度；抗水分散劑羥乙基纖維素摻量增加,抗水分散效果增強,但會延長凝結時間并降低強度。

2.3 礦物摻合料對超早強灌漿料性能的影響

礦物摻合料是超早強水泥基灌漿料的重要原材料之一。礦物摻合料能改善、調節(jié)灌漿料在施工過程中的物理性能,提高灌漿料的強度增加灌漿料的密實度。

馬保國等[10]通過測定硫鋁酸鹽水泥凈漿的流動性、凝結時間、水化熱、XRD和DTG分析來研究了硅灰和硫酸鋁對硫鋁酸鹽水泥水化歷程的影響。結果表明,硅灰會因其表面的成核效應加快硫鋁酸鹽水泥水化速度,硫酸鋁會促進硫鋁酸鹽水泥水化形成鈣釩石,從而共同縮短硫鋁酸鹽水泥的凝結時間同時也降低其流動性。

張曉平等[12]研究了石膏、聚丙烯纖維對超早強灌漿料流動度、終凝時間、抗壓強度與抗折強度等性能的影響。結果表明：石膏可以改善超早強灌漿料的力學強度性能,在石膏摻量為5%時,超早強灌漿料的水化速度較快,硬化漿體微膨脹,結構致密,力學強度等綜合指標最好；聚丙烯纖維摻量在0.1%以內時,其力學強度和抗裂性隨其摻量的增加而提高,當其摻量大于0.15%時,力學強度開始降低。聚丙烯纖維長度在9mm以內時,其抗折強度與纖維長度成正比；但當其長度超過12mm時,增強效果會略有下降。

2.4 溫度對超早強水泥基灌漿料性能的影響

超早強水泥基灌漿料根據(jù)需要會用于不同溫度環(huán)境下的工程中。因此要求灌漿料具備良好的低溫溫度適應能力和高溫耐火性能。

仲朝明等[13]使用快硬硫鋁酸鹽水泥研制出的CGM-6搶修料,經過200次凍融后抗壓強度損失1.2%,300次凍融后抗壓強度損失2.9%；隨著環(huán)境溫度的降低1h抗壓強度也會降低,但只要保證初始溫度不低于20℃,即使-30℃環(huán)境溫度下1h抗壓強度也能達到20MPa以上。

張曉平等[14]對超早強灌漿料的耐火性能進行了研究,試驗中利用不同比例的鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥復配超早強灌漿料,然后進行不同溫度下燃燒30min,分析其耐高溫機理,結果表明鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥的配比為1∶7時,1000℃高溫中30min燃燒后殘留54.7%的抗壓強度,且殘留抗壓強度與溫度有較好的擬合關系,具有較好的經濟效益。

張琪[15]研究了溫度變化對超早強灌漿料強度的影響,作者采用正交試驗來研究溫度變化對超早強灌漿料立方體抗壓強度的的影響,試驗結果表明隨著溫度的升高在600℃左右,試塊的抗壓強度有不同程度的上升趨勢,在600℃-800℃之間,試塊的強度呈下降趨勢,且在800℃的高溫熱處理后,各配比的超早強灌漿料試塊的抗壓強度仍能保持室溫時的50%左右。

3 結語

在現(xiàn)今一些重要工程中以及重大搶修工程中,超早強水泥基灌漿料體現(xiàn)出比普通灌漿料較好的優(yōu)越性,因此對超早強水泥基灌漿料的研究變得越來越有必要。如今超早強灌漿料仍存在一些缺陷如：其性能受施工季度、溫度變化的影響大,不具備較強的適應性及較好的穩(wěn)定性；灌漿料原料及外摻料較復雜,容易導致其生產成本高和性能不穩(wěn)定,難以滿足經濟效益和性能的要求；又因施工中對不同膠凝體系的超早強灌漿料的指標要求也不一樣,沒有統(tǒng)一的標準和規(guī)范,導致超早強灌漿料的性能不一。今后的超早強灌漿料應向操作簡便、成本低、環(huán)境友好型、適應性強的方向發(fā)展,這也是當前早強灌漿料領域的重要研究課題。在調整膠砂比、水膠比、細集料顆粒級配的基礎上加入一定量的外加劑和摻和料,調整流動度、膨脹率、凝結時間和力學性能等指標,減少配比的復雜性,使其性能更加穩(wěn)定且不易受施工現(xiàn)場環(huán)境及溫度的影響。

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