超早強水泥基水下灌漿料的研制

賴洋羿，張琦彬，唐軍務(wù)

（海軍勤務(wù)學(xué)院，天津 300450）

0 引言

海港碼頭的樁基位于惡劣的海洋環(huán)境中，受到氯離子腐蝕和混凝土碳化的聯(lián)合作用。樁基所處的區(qū)域有浪濺區(qū)、水位變動區(qū)、水下區(qū)以及泥下區(qū)，其中處于水下區(qū)或者水下變動區(qū)的樁基部分的損傷修復(fù)較為困難，一般通過采用水下修復(fù)材料提高材料的抗分散性能。從目前來看，水下修復(fù)材料通常包括水下不分散混凝土、聚合物混凝土、水下快速修補混凝土、水下環(huán)氧砂漿、水下化學(xué)灌漿材料、水下密封材料等。其中水下環(huán)氧砂漿已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)修復(fù)加固，其工作性能較好，但是其耐久性相對于無機修復(fù)材料較差。水泥屬于無機材料，采用比原材料強度高一等級的修復(fù)材料更適合于混凝土結(jié)構(gòu)的長期加固。水泥基灌漿料具有流動性好、微膨脹、超早強、后期強度不倒縮等優(yōu)點，結(jié)合水泥基灌漿料快凝塊硬的特點，采用國內(nèi)目前優(yōu)質(zhì)的外加劑改性水泥基灌漿料并使其能應(yīng)用于水下樁基修復(fù)加固，能夠大幅縮短工期，以期達到應(yīng)急搶修搶建的目的。

目前對水泥基水下灌漿料應(yīng)用較為廣泛[1]，但對其配制方法以及影響因素的研究較少，本文通過在早強微膨脹水泥基灌漿料[2]的基礎(chǔ)上摻入高性能的抗分散劑、減水劑、緩凝劑，配制出能直接用于水下?lián)屝迵尳ǖ木哂兴驴狗稚3]、工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性優(yōu)異的超早強水泥基水下灌漿料，通過正交試驗分析各因素對其性能的影響規(guī)律，為水泥基水下灌漿材料的應(yīng)用提供相應(yīng)的依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗原材料

早強微膨脹水泥基灌漿料：天津康科綠特科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，主料為硫鋁酸鹽水泥，輔料為火山灰、硅砂等，具備流動性好、早強、高強、高彈模、耐久性能好等優(yōu)點，主要技術(shù)指標見表1。

表1 早強微膨脹水泥基灌漿料的技術(shù)性能

抗分散劑：中石油研究院研發(fā)的UWB-Ⅲ型抗分散劑；減水劑：BSH-200型聚羧酸高性能減水劑，減水率大于30%；緩凝劑：左旋酒石酸，相對分子質(zhì)量為150.09；拌合水：自來水。

1.2 試驗方法

灌漿料攪拌方法：首先按照試驗配比將灌漿料、抗分散劑、減水劑和緩凝劑混合，采用JJ-5型行星式攪拌機慢攪30 s，然后均勻加入拌合水，慢攪30 s、快攪180 s，出料，出料后應(yīng)保證漿體呈流動狀態(tài)。

澆筑及養(yǎng)護方法：將拌制好的灌漿料沿水面自由下落并且全部落入浸入水面10 cm的模具（40 mm×40 mm×160 mm）中，漿料自流平后用刮刀刮平，3 h后脫模，放入恒溫水箱在（20±1）℃養(yǎng)護至規(guī)定齡期并進行強度測試（見圖1）。

圖1 灌漿料水下澆筑示意

流動度以及強度測試：采用截錐流動度方法，參考GB/T 50048—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進行初始流動度及30min流動度測試，試驗器材為50 cm×50 cm的玻璃板，使灌漿料在板上自由攤開，當面積不再增大時測試流動度，測試流動度保持值時需要重新攪拌。使用全自動抗壓、抗折一體機進行相應(yīng)齡期強度測試。

豎向膨脹率：按GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)劃》附錄C中的測試方法及試驗儀器進行灌漿用膨脹砂漿豎向膨脹率的測試。

懸濁物測試：前期試配試驗中采用觀察液面清濁程度的定性評測方法，正交試驗中根據(jù)DL/T 5100—2014《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》附錄B中的抗分散性測定方法進行定量評測。

劈裂抗拉強度測試：按照GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能方法標準》進行。

1.3 正交試驗方案

1.3.1 確定考察指標

灌漿料的工作性能、力學(xué)性能分別采用流動度、抗壓強度表征，試驗指標采用初始流動度、28 d水下抗壓強度表征。

為了研究灌漿料的施工性能，還要考慮其流動度隨時間的損失率，因此考慮30 min流動度作為考察指標，同樣作為考察指標的有有7 d水下抗壓強度，因硫鋁酸鹽灌漿料7 d基本水化完全，通過與28 d水下抗壓強度的對照，可判斷其后期強度是否倒縮。

1.3.2 確定正交因素

該試驗中用水量、抗分散劑摻量、減水劑摻量3個因素與試驗指標關(guān)系密切，作為正交設(shè)計研究對象，3個因素的摻量均為與灌漿料的質(zhì)量比，緩凝劑與試驗指標關(guān)聯(lián)較小，不作為考察因素。通過極差與方差分析處理，研究3個因素在各自3個水平之間的變化對水下灌漿材料工作性能、抗壓強度的影響規(guī)律。采用L9（33）正交試驗。

1.3.3 確定正交水平

在進行正交試驗之前，為更好了解各外加組分對灌漿料體系性能的影響規(guī)律，進行一部分單因素試配試驗。用水量水平的選擇參照原材料早強微膨脹水泥基灌漿料的推薦用水量14%～16%，在該區(qū)間內(nèi)水平定為14%、15%、16%?？狗稚搅克降倪x擇參考前期試配試驗，取用水量為15%的條件下逐漸增加抗分散劑摻量，控制初始流動度大于200 mm并取少量落入清水中觀察水面現(xiàn)象，通過直接觀察粗略判斷漿料水下抗分散性能的好壞，試驗現(xiàn)象為：當摻量為0.75%時水面由渾濁變?yōu)榍宄?，摻量增?.50%時灌漿料幾乎不流動，因此水平選擇為1.00%、1.25%、1.50%；根據(jù)減水劑的試配試驗，摻入少量就能達到很好的分散效果，說明該聚羧酸減水劑與灌漿料體系相容性較好，且摻量大于0.8%時達到飽和點，故減水劑水平定為0.2%、0.4%、0.6%。

經(jīng)過前期的試配試驗，用水量、抗分散劑、減水劑對灌漿料的凝結(jié)時間均無影響，左旋酒石酸對灌漿料的凝結(jié)時間緩凝效果明顯，且對其流動度以及抗壓強度的影響很小，故酒石酸的摻入選用一個固定值，結(jié)合工程中對施工時間的要求把該值固定為0.15%，同時經(jīng)過試驗驗證初凝時間約為90 min，終凝時間約為98 min。

綜上所述，確定的正交試驗因素水平見表2。

表2 正交試驗因素水平

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗分析

正交試驗方案與試驗結(jié)果見表3，極差分析見表4，方差分析見表5。

表3 正交試驗方案與試驗結(jié)果

表4 正交試驗結(jié)果極差分析

表5 正交試驗結(jié)果方差分析

由表4可見，各因素對水下灌漿料初始流動度的影響順序為：A>B>C，對水下灌漿料30 min流動度的影響順序為：A>B>C，對7d水下抗壓強度的影響順序為：A>C>B，對28 d水下抗壓強度的影響順序為：A>B>C。

由表5可見，用水量是灌漿料流動度以及抗壓強度的最主要影響因素，抗分散劑與減水劑對灌漿料性能有影響，但影響程度稍小。若對其影響程度進行顯著性檢驗，發(fā)現(xiàn)由于該試驗次數(shù)較少，因素以及誤差的自由度較小都為2，統(tǒng)計分析后得到的結(jié)果均為不顯著，但從試驗結(jié)果看其影響不能被忽視。

對于初始流動度，隨著用水量的增加，水下灌漿料的初始流動度幾乎呈線性增大；隨著抗分散劑摻量的增加，初始流動度逐漸減小，并且減小的幅度為先慢后快；隨著減水劑摻量的增加，初始流動度先增大后略有減小。

對于30 min流動度，隨著用水量和減水劑摻量的增加，水下灌漿料的30 min流動度逐漸增大；隨著抗分散劑摻量的增加，30 min流動度逐漸減小。

對于水下7 d抗壓強度，隨著用水量的增加，水下灌漿料的7 d抗壓強度呈線性下降趨勢；隨著抗分散劑摻量的增加，水下7 d抗壓強度先略有提高后降低；隨著減水劑摻量的增加，水下7 d抗壓強度不斷降低。

對于水下28 d抗壓強度，隨著用水量、抗分散劑和減水劑摻量的增加，水下28 d抗壓強度均呈降低趨勢。

用水量是影響水下灌漿料的流動性能最為明顯的因素，灌漿料中拌合水多，可以改善灌漿料的流動性能，但砂漿中游離水較多也會造成水化產(chǎn)物的損失從而降低抗壓強度，故用水量應(yīng)控制在一個合理范圍。UWB-Ⅲ型抗分散劑的有效成分為聚糖類高分子化合物，主要通過其較長分子鏈的活性官能團將細小顆粒吸附到分子鏈上形成橋架作用將顆粒鏈接成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[3]，因此其具有優(yōu)良的絮凝效果，但同時橋架作用限制了顆粒的自由流動，會降低灌漿料的流動性能。抗分散劑在保證抗分散性時盡量減少摻量，經(jīng)過試驗[4-5]對比驗證，相比于萘系高效減水劑、氨基磺酸系高效減水劑，前者用于配制水下不分散混凝土的工作性能、強度性能均更優(yōu)。聚羧酸減水劑主要通過空間位阻作用對水泥顆粒進行分散，但靜電斥力的作用不可忽略，其改變了原有的固液相界面的物化性質(zhì)以及顆粒間作用力，形成了新的絮凝體系，并且使水泥粒子處于均勻分布的狀態(tài)，改善了新拌砂漿的流變特性。通過摻加少量聚羧酸減水劑就可以明顯改善水下灌漿料的流變性能，并且30 min流動度損失率較低，也能說明該聚羧酸高性能減水劑與灌漿料體系相容性較好。

用水量對灌漿料的水下抗壓強度影響最大。當抗分散劑摻量為1.00%時，28 d水下抗壓強度大于7 d；當抗分散劑摻量大于1.00%時，28 d水下抗壓強度小于7 d的，發(fā)現(xiàn)該抗分散劑摻量過大時對后期強度有一定的不利影響，其原因為抗分散劑的摻入會減少自由水，硫鋁酸鹽水泥遇水后水化產(chǎn)物為強度較高的鈣礬石，7 d后鈣礬石會因缺水而轉(zhuǎn)晶為單硫[6]，該脫水轉(zhuǎn)晶的過程會導(dǎo)致灌漿料的后期強度不再增加甚至倒縮。聚羧酸減水劑對抗壓強度而言，最佳摻量為0.2%，過量摻入會造成灌漿料抗壓強度下降。

2.2 水下加固性能評價

綜合考慮流動度及抗壓強度，以初始流動度以及水下28 d抗壓強度為主要控制指標，以30 min流動度以及水下7 d抗壓強度為觀察指標，最終選擇用水量為15%，抗分散劑摻量為1.00%，減水劑摻量為0.4%，對該配合比的水下灌漿料進行水下加固性能進行評價，評價指標為：水陸抗壓強度比、新老界面劈裂抗拉強度和水下抗分散性。

水下灌漿料的水陸抗壓強度比見表6。

表6 水下灌漿料的水陸抗壓強度比 %

由表6可知，該水下灌漿料的7 d、28 d水陸抗壓強度比均大于85%，甚至部分大于100%。其原因是，硫鋁酸鹽水泥相比于硅酸鹽水化需要更多的水，在混凝土水灰比小于0.5的條件下，硫鋁酸鹽水泥不能完全水化[6]。該試驗灌漿料中硫鋁酸鹽水泥占比為40%，水灰比為0.375，因此在水上沒有完全水化，而在水下則可全部水化，生成強度較高的鈣礬石。

按照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》的要求制備C40混凝土，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，標準養(yǎng)護28 d實測抗壓強度為40.5 MPa。將C40作為舊混凝土，進行劈裂抗拉強度測試，試驗后用細刷將斷裂面松動的碎混凝土清除，在斷裂面處進行水下灌漿料修復(fù)至原尺寸，水下養(yǎng)護28 d后進行新老界面劈裂抗拉強度試驗。C40混凝土及新老界面的劈裂抗拉強度見表7。

表7 灌漿料的劈裂抗拉強度 MPa

由表7可見，新老混凝土界面劈裂抗拉強度高于C40舊混凝土的劈裂抗拉強度，破壞面位于舊混凝土或者新老混凝土結(jié)合界面，說明該灌漿料具有水下加固C40舊混凝土的能力。

灌漿料懸浮物含量測試結(jié)果見表8。

表8 灌漿料的懸浮物含量測試結(jié)果

由表8可見，灌漿料的懸浮物含量符合DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土試驗規(guī)程》的要求（＜150 mg）。但測試結(jié)果在75～120 mg之間浮動，這是在試驗過程中會有隨機性的差別而導(dǎo)致的誤差，比如漿液下落時的速率不一致、試驗過程中的少量擾動都會造成懸濁物含量的變化。

灌漿料的最優(yōu)配合比為：用水量為15%，抗分散劑摻量為1.00%，減水劑摻量為0.4%，緩凝劑摻量為0.15%（與灌漿料的質(zhì)量比），按最優(yōu)配比制備的灌漿料初、終凝時間分別為90、98 min，初始流動度為254 mm，水下28 d抗壓強度達到65.2 MPa，水下養(yǎng)護28 d后新老混凝土劈裂抗拉強度為2.79 MPa（見表 9）。

表9 最優(yōu)配合比灌漿料的性能

3 結(jié)論

（1）正交試驗的極差與方差分析結(jié)果表明，用水量是灌漿料流動度以及抗壓強度的最主要影響因素，抗分散劑與減水劑對灌漿料性能有影響，但影響程度稍小。

（2）增加用水量可以提高灌漿料的流動度，但是抗壓強度會大幅下降，為了兼顧修復(fù)材料的抗壓強度，用水量選擇15%為最佳；UWB-Ⅲ型抗分散劑摻入會降低灌漿料的流動性能，但能使灌漿料在水下不離析、不分散，摻入量大于1.00%后對后期強度有一定的影響；聚羧酸型減水劑可以改善灌漿料的流動性能，但其摻量大于0.4%后對混凝土抗壓強度存在較不利影響。

（3）通過在早強微膨脹水泥基灌漿料中摻入UWB-Ⅲ型抗分散劑、聚羧酸高性能減水劑以及酒石酸緩凝劑，可以配制出初、終凝時間分別為90、98 min，初始流動度、30 min流動度大于250 mm的灌漿料，滿足水下灌漿的工作性能要求。

（4）經(jīng)水下加固評價，該灌漿料水下28 d抗壓強度大于60 MPa，水陸抗壓強度比大于85%，懸濁物含量小于120 mg，與C40舊混凝土劈裂抗拉強度為2.79 MPa，高于C40混凝土的原劈裂抗拉強度，可作為水下C40混凝土修復(fù)加固材料。

[1] 陳健，莊英豪，盧安琪.新型水下不分散灌漿材料在東海大橋中的應(yīng)用[J].混凝土與水泥制品，2004（3）：18-20.

[2] 俞鋒，朱華.早強微膨脹水泥基灌漿料的性能研究[J].混凝土與水泥制品，2012（11）：6-9.

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