內(nèi)隔墻板用灌漿材料組成設(shè)計(jì)研究

賈仁甫，錢清華，嚴(yán)帥帥

（揚(yáng)州大學(xué)建筑工程學(xué)院 綠色建筑材料研究所，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

水泥基灌漿材料為將水泥、礦物摻合料、細(xì)骨料及外加劑在工廠按一定比例混合，在施工現(xiàn)場(chǎng)加入水及相關(guān)外加劑等組分均勻拌合后，用于螺栓錨固、結(jié)構(gòu)加固及預(yù)應(yīng)力孔洞等灌漿的材料[1]。由于灌漿材料具有流動(dòng)性高、早期強(qiáng)度高、微膨脹、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于裝配式建筑（節(jié)點(diǎn)連接灌漿）、地下工程（擋土墻灌漿）、采用預(yù)應(yīng)力的工程（預(yù)應(yīng)力孔洞灌漿）等多種領(lǐng)域。

對(duì)于灌漿材料的力學(xué)性能，李世元[2]對(duì)裝配式建筑鋼筋套筒灌漿材料進(jìn)行了研究，研究表明，由于多余的自由水揮發(fā)形成毛細(xì)孔隙，在一定范圍內(nèi)，水膠比的增大會(huì)降低灌漿材料的強(qiáng)度。但過低的水膠比會(huì)使水泥無法完全水化，也會(huì)影響其強(qiáng)度。對(duì)于灌漿材料的工作性能，徐長(zhǎng)偉等[3]對(duì)裝配式建筑用灌漿材料的組成進(jìn)行了研究，研究表明水灰比的增大會(huì)提高流動(dòng)度。賈雪麗[4]對(duì)高性能水泥基灌漿材料的制備與性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)過高的水膠比會(huì)導(dǎo)致灌漿材料離析泌水。對(duì)于灌漿材料的膨脹性能，呂代江[5]對(duì)裝配式建筑鋼筋套筒灌漿材料進(jìn)行了研究，研究表明塑性膨脹劑補(bǔ)償了早期收縮，AEA膨脹劑補(bǔ)償了硬化后的收縮。賈雪麗[4]的研究表明，膨脹劑的加入優(yōu)化了灌漿材料的孔結(jié)構(gòu)，使其抗凍性、耐久性及體積穩(wěn)定性提高。李宗陽[6]對(duì)裝配式建筑灌漿材料進(jìn)行了研究，研究表明細(xì)骨料的加入有利于保證灌漿材料的體積穩(wěn)定性。

本文通過試驗(yàn)研究緩凝劑、水膠比、膠砂比、摻合料種類和摻量、膨脹劑對(duì)灌漿材料的流動(dòng)度、力學(xué)性能、豎向膨脹率的影響，設(shè)計(jì)內(nèi)隔墻板用Ⅱ類水泥基灌漿材料，目標(biāo)性能如表1所示。

表1 水泥基灌漿材料主要性能指標(biāo)

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥，P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，表觀密度3100 kg/m3，揚(yáng)州綠揚(yáng)水泥廠生產(chǎn)。粉煤灰，Ⅰ級(jí)粉煤灰，表觀密度2200 kg/m3，南京共創(chuàng)防腐保溫有限公司生產(chǎn)。礦渣粉，S95級(jí)，表觀密度2900 kg/m3，泰州生產(chǎn)。膨脹劑，拓達(dá)建材生產(chǎn)。砂，中砂，密度2604 kg/m3，揚(yáng)州近郊生產(chǎn)。緩凝劑，葡萄糖酸鈉，工業(yè)級(jí)，吳江市華譽(yù)化工有限公司生產(chǎn)。減水劑，聚羧酸減水劑，含固量30%，西卡集團(tuán)生產(chǎn)。拌合用水，符合JGJ63-2006[7]的規(guī)定。

1.2 試驗(yàn)方法

灌漿材料的制備、成型、截錐流動(dòng)度試驗(yàn)參考GB/T50448-2015[1]；抗折、抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參考GB/T17671-1999[8]；凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)參考GB/T1346-2011[9]；豎向膨脹率試驗(yàn)參考GB/T50448-2015[1]、GB50119-2003[10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 緩凝劑摻量

水膠比0.28、膠砂比1:1、粉煤灰摻量20%、減水劑摻量1.0%、緩凝劑摻量0.5‰～2.5‰設(shè)計(jì)配比，研究緩凝劑摻量對(duì)灌漿材料的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 不同緩凝劑摻量的灌漿材料抗折強(qiáng)度

圖2 不同緩凝劑摻量的灌漿材料抗壓強(qiáng)度

圖3 不同緩凝劑摻量的灌漿材料流動(dòng)度

由圖1、圖2可知，緩凝劑摻量對(duì)灌漿材料早期的抗折、抗壓強(qiáng)度影響較大，在0.5‰～2.5‰范圍內(nèi)，隨著緩凝劑摻量的增加，1 d強(qiáng)度明顯降低，摻量大于2.0‰時(shí)，灌漿材料1 d無法完全硬化，緩凝效果明顯。緩凝劑試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，灌漿材料3 d抗壓強(qiáng)度略有降低，28 d強(qiáng)度變化規(guī)律不明顯。由圖3可知，在0.5‰～2.5‰范圍內(nèi)，隨著緩凝劑摻量的增加，截錐流動(dòng)度隨之增加，且30 min流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失逐漸減小。

綜合上述分析，緩凝劑摻量為0.5‰時(shí)，灌漿材料的凝結(jié)時(shí)間、流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度滿足要求，因此選擇緩凝劑摻量為0.5‰。

2.2 水膠比

水膠比0.24～0.32、膠砂比1:1、粉煤灰摻量20%、減水劑摻量1.0%、緩凝劑摻量0.5‰設(shè)計(jì)配比，研究水膠比對(duì)灌漿材料的影響，測(cè)試結(jié)果如圖4～圖6所示。

圖4 不同水膠比的灌漿材料抗折強(qiáng)度

圖5 不同水膠比的灌漿材料抗壓強(qiáng)度

圖6 不同水膠比的灌漿材料流動(dòng)度

由圖4、圖5可知，水膠比0.24～0.32時(shí)，隨著水膠比的增大，灌漿材料各齡期抗折、抗壓強(qiáng)度降低，1 d強(qiáng)度降低最為顯著。由圖6可知，隨著水膠比增大，流動(dòng)度顯著增加。水膠比為0.28時(shí)，灌漿材料的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度均滿足要求，灌漿材料漿體更加均勻，適宜自流平成型，因此選擇水膠比為0.28。

2.3 膠砂比

水膠比0.28、膠砂比1:0.5～1:1.5、粉煤灰摻量20%、減水劑摻量1.0%、緩凝劑摻量0.5‰設(shè)計(jì)配比，研究膠砂比對(duì)灌漿材料的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 不同膠砂比的灌漿材料抗折強(qiáng)度

圖8 不同膠砂比的灌漿材料抗壓強(qiáng)度

圖9 不同膠砂比的灌漿材料流動(dòng)度

由圖7、圖8可知，膠砂比1:0.5～1:1.5時(shí)，隨著膠砂比的提高，抗折、抗壓強(qiáng)度先增大后減小，膠砂比1:1時(shí)灌漿材料1 d抗壓強(qiáng)度最高，膠砂比1:0.75時(shí)3 d和28 d強(qiáng)度最高。由圖9可知，膠砂比1:0.75時(shí)流動(dòng)度達(dá)最大。但由于流動(dòng)度過大，漿體勻質(zhì)性差，且由于砂含量低，體積穩(wěn)定性難以保證。

綜上，膠砂比為1:1時(shí)，灌漿材料的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度滿足要求，因此選擇膠砂比為1:1。

2.4 摻合料種類與摻量

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，在水膠比0.28、膠砂比1:1、緩凝劑摻量0.5‰的基礎(chǔ)上，研究礦渣、粉煤灰及兩者復(fù)摻使用對(duì)灌漿材料的影響。

2.4.1 單摻粉煤灰

水膠比0.28、膠砂比1:1、粉煤灰摻量0%～20%、減水劑摻量1.0%、緩凝劑摻量0.5‰設(shè)計(jì)配比，研究粉煤灰摻量對(duì)灌漿材料的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖10～圖12所示。由圖10、圖11可知，粉煤灰摻量0%～20%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，灌漿材料各齡期抗折、抗壓強(qiáng)度降低。由圖12可知，粉煤灰對(duì)灌漿材料的流動(dòng)度影響較小，初始流動(dòng)度在350～360 mm之間波動(dòng)。

圖10 單摻粉煤灰的灌漿材料抗折強(qiáng)度

圖11 單摻粉煤灰的灌漿材料抗壓強(qiáng)度

圖12 單摻粉煤灰的灌漿材料流動(dòng)度

綜上，粉煤灰摻量15%時(shí)，灌漿材料的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度滿足要求，因此選擇粉煤灰摻量15%作為后續(xù)試驗(yàn)的摻量。

2.4.2 單摻礦渣

水膠比0.28、膠砂比1:1、礦渣摻量0%～20%、減水劑摻量1.0%、緩凝劑摻量0.5‰設(shè)計(jì)配比，研究礦渣摻量對(duì)灌漿材料的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖13～圖15所示。

圖13 單摻礦渣的灌漿材料抗折強(qiáng)度

圖14 單摻礦渣的灌漿材料抗壓強(qiáng)度

由圖13、圖14可知，在0%～20%范圍內(nèi)，隨著礦渣摻量的增加，灌漿材料1 d抗折、抗壓強(qiáng)度降低，但與單摻粉煤灰相比，降幅不明顯。且灌漿材料3 d、28 d抗折、抗壓強(qiáng)度先減小后增大，摻量15%時(shí)強(qiáng)度最低。由圖15可知，隨著摻量的增大，初始流動(dòng)度先增大后減小，摻量10%達(dá)到最大。

圖15 單摻礦渣的灌漿材料流動(dòng)度

綜上，礦渣摻量為20%時(shí)，灌漿材料的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度滿足要求，因此選擇礦渣摻量20%作為后續(xù)試驗(yàn)摻量。

2.4.3 復(fù)摻粉煤灰和礦渣

水膠比0.28、膠砂比1:1、粉煤灰：礦渣=0%:20%～20%:0%（且總摻量20%不變）、減水劑摻量1.0%、緩凝劑摻量0.5‰設(shè)計(jì)配比，試驗(yàn)結(jié)果如圖16～圖18所示。

圖16 復(fù)摻粉煤灰和礦渣的灌漿材料抗折強(qiáng)度

圖17 復(fù)摻粉煤灰和礦渣的灌漿材料抗壓強(qiáng)度

由圖16、圖17可知，在摻合料總摻量保持20%不變的情況下，隨著粉煤灰比例的提高，0%:20%～5%:15%的強(qiáng)度降幅明顯。由圖18可知，復(fù)摻摻合料的改變對(duì)流動(dòng)度影響不明顯，初始流動(dòng)度在370～380 mm波動(dòng)。

圖18 復(fù)摻粉煤灰和礦渣的灌漿材料流動(dòng)度

綜上，粉煤灰：礦渣為10%:10%時(shí)，灌漿材料的流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度滿足要求，因此選擇粉煤灰：礦渣為10%:10%作為后續(xù)試驗(yàn)的復(fù)摻比例。

2.5 膨脹劑

水膠比0.28、膠砂比1:1、粉煤灰：礦渣=10%:10%且總摻量20%、膨脹劑摻量0.0%～8.0%設(shè)計(jì)配比，研究膨脹劑對(duì)灌漿材料的影響。由于膨脹劑的加入，需要增加減水劑與緩凝劑的摻量，提高灌漿材料的工作性能，便于其成型。圖19～圖21為膨脹劑摻量不同時(shí)灌漿材料的測(cè)試結(jié)果。

圖19 不同膨脹劑摻量的灌漿材料抗折強(qiáng)度

由圖19、圖20可知，膨脹劑0%～8%，隨著膨脹劑摻量的增加，灌漿材料1 d、3 d強(qiáng)度顯著降低，膨脹劑4%～8%時(shí)，早期強(qiáng)度較小，且體積穩(wěn)定性較差，試件體積增大明顯，氣孔明顯增多，不適宜作為灌漿材料使用。由圖21可知，膨脹劑1.5%～8.0%時(shí)，隨著膨脹劑摻量增加，流動(dòng)度減小，且緩凝劑摻量相應(yīng)增加，30 min流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失減小。膨脹劑摻量為1.5%時(shí)，灌漿材料的流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度及豎向膨脹率滿足要求，因此選擇膨脹劑摻量1.5%對(duì)應(yīng)的QHG7.6配合比為灌漿材料的最優(yōu)配比，見表2、表3。

圖20 不同膨脹劑摻量的灌漿材料抗壓強(qiáng)度

圖21 不同膨脹劑摻量的灌漿材料流動(dòng)度

表2 灌漿材料最優(yōu)配合比

表3 最優(yōu)配比灌漿材料的性能

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，灌漿材料試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）水膠比0.24～0.32時(shí)，隨著水膠比的增大，灌漿材料流動(dòng)度增大，各齡期壓強(qiáng)度降低，膠砂比1:0.5～1:1.5時(shí)，灌漿材料的流動(dòng)度和強(qiáng)度隨膠砂比提高先增大后減小。

（2）單摻粉煤灰0%～20%時(shí)，隨著粉煤灰摻量的增加，灌漿材料各齡期壓強(qiáng)度降低；單摻礦渣0%～20%時(shí)，隨著礦渣摻量的增加，灌漿材料1 d強(qiáng)度降低，但后期強(qiáng)度增加；粉煤灰與礦渣復(fù)摻使用時(shí)，隨著粉煤灰比例的增加，灌漿材料強(qiáng)度降低。

（3）緩凝劑0.5‰～2.5‰時(shí)，隨著緩凝劑摻量增加，流動(dòng)度增大，30 min流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失減小，早期強(qiáng)度降低；膨脹劑摻量1.5%～8.0%時(shí)，隨著膨脹劑摻量增加，流動(dòng)度減小，早期強(qiáng)度降低。

（4）最優(yōu)灌漿材料配合比為水泥：粉煤灰：礦渣：膨脹劑=78.5%:10%:10%:1.5%（占膠材總量的比例）、膠砂比1:1、水膠比0.28，初始和30 min截錐流動(dòng)度分別為390 mm、350 mm，1 d、3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為 28.7 MPa、42.0 MPa、70.5 MPa，3 h和24 h豎向膨脹值分別為2.792 mm、2.362 mm。