外加劑對(duì)水泥基灌漿料性能影響的研究進(jìn)展

燕春福 王俊 惠嘉 吳立春 高哲 張玲

（1河北建設(shè)勘察研究院有限公司，河北 石家莊 050031；2交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；3新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 831401）

0 前言

水泥基灌漿料是以水泥為基本材料，摻加外加劑和其他輔助材料，加水拌合后具有大流動(dòng)度、微膨脹、高強(qiáng)、早強(qiáng)等性能的干混材料[1]。最新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T986-2018《水泥基灌漿材料》按流動(dòng)度把水泥基灌漿料分為四類(lèi)：Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)和Ⅳ類(lèi)；按抗壓強(qiáng)度分為四個(gè)等級(jí)：A50、A60、A70和A80[2]。廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)柱腳底板或設(shè)備基礎(chǔ)的灌漿、地腳螺栓錨固、混凝土結(jié)構(gòu)加固改造等方面。為達(dá)到高流態(tài)、防離析、無(wú)收縮等性能，需要在水泥基灌漿材料中摻加較多的組分，比如減水劑、膨脹劑、消泡劑、調(diào)凝劑（包括速凝劑和緩凝劑）等，這些組分物質(zhì)，尤其是外加劑，摻量少但對(duì)性能的影響比較大，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和相關(guān)企業(yè)對(duì)此進(jìn)行了諸多的研究和報(bào)道[3-5]。

1 用于水泥基灌漿料中的外加劑

1.1 減水劑

水泥基灌漿料中用的減水劑一般呈粉狀，常見(jiàn)的有萘系、氨基磺酸鹽系和聚羧酸系三種減水劑。

萘系減水劑化學(xué)名稱(chēng)為萘磺酸鹽甲醛縮合物，縮合度n在6～13之間，其固液界面作用有電性保護(hù)、潤(rùn)滑、吸附和分散等作用，提高了水泥顆粒對(duì)分散介質(zhì)的親和力[6]。氨基磺酸鹽減水劑一般在堿性或酸性條件下由甲醛、單環(huán)芳烴衍生物苯酚類(lèi)化合物和對(duì)氨基苯磺酸加熱縮合而成，也被稱(chēng)為單環(huán)芳烴型高效減水劑，其分子結(jié)構(gòu)中往往含有多種極性基團(tuán)，并且具有疏水基分子鏈短、分支多的特點(diǎn)，致使氨基磺酸鹽分子在混凝土粒子表面呈立式吸附，該立體效應(yīng)可使混凝土在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持其流動(dòng)性及坍落度損失小。但其應(yīng)用于混凝土?xí)r保水性能較差、容易泌水，這是由分子中極性較強(qiáng)、疏水基分子鏈短的結(jié)構(gòu)所決定的。聚羧酸減水劑是由聚醚大單體和含有磺酸、羧酸等官能團(tuán)的不飽和單體，在一定條件下共聚而成接枝共聚物，通常呈梳形。其分子結(jié)構(gòu)自由度非常大，工藝合成上可以控制的因素和參數(shù)多。通過(guò)控制主鏈的分子質(zhì)量大小及分布、聚合度、側(cè)鏈、官能團(tuán)等參數(shù)可對(duì)其進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制備出性能各異、滿足不同需要的各種產(chǎn)品[7]。

1.2 調(diào)凝劑

調(diào)凝劑分為緩凝劑和速凝劑。緩凝劑用來(lái)減緩水泥混凝土的凝結(jié)硬化，速凝劑則使水泥混凝土快速凝結(jié)硬化。

1）速凝劑

速凝劑又常被稱(chēng)為早強(qiáng)劑，按照化學(xué)成分可分為有機(jī)物類(lèi)、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)和復(fù)合型早強(qiáng)劑三大類(lèi)[8]。因?yàn)樗嗷酀{料為干粉砂漿的形式，生產(chǎn)中使用的早強(qiáng)劑必須為粉劑，而目前的有機(jī)早強(qiáng)劑如三乙醇胺均為液體且成本較高，所以文獻(xiàn)中研究和報(bào)道的常為無(wú)機(jī)鹽類(lèi)早強(qiáng)劑[6]。常見(jiàn)的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)早強(qiáng)劑有氯鹽、硫酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽等。氯鹽含有氯離子，可能會(huì)促進(jìn)鋼筋銹蝕，所以氯鹽基本上不再使用；常用的硫酸鹽早強(qiáng)劑為硫酸鉀、硫酸鈣、和硫酸鈉，摻硫酸鹽早強(qiáng)劑的混凝土要注意預(yù)防泛堿和白華現(xiàn)象；硝酸鹽和亞硝酸鹽均對(duì)水泥水化過(guò)程起促進(jìn)作用。這些鹽類(lèi)不僅能作為混凝土的早強(qiáng)劑組分，而且可以作為混凝土防凍劑組分使用；其他的無(wú)機(jī)鹽類(lèi)早強(qiáng)劑比如碳酸鈉、碳酸鋰、甲酸鈣等也是比較常見(jiàn)的早強(qiáng)劑。此外，還常將兩種或多種早強(qiáng)劑復(fù)合使用，可收到比一種早強(qiáng)劑更好的改性效果，無(wú)機(jī)鹽類(lèi)復(fù)合早強(qiáng)劑主要有氯化鈣-亞硝酸鈉早強(qiáng)劑、硫酸鈉-氯化鈉早強(qiáng)劑等。

2）緩凝劑

常見(jiàn)的無(wú)機(jī)緩凝劑主要有磷酸鹽、硼酸及其鹽類(lèi)、鋅鹽、氟硅酸鹽等，無(wú)機(jī)緩凝劑的緩凝作用不穩(wěn)定，磷酸鹽和偏磷酸鹽應(yīng)用比較多。有機(jī)緩凝劑主要包括糖類(lèi)及碳水化合物、木質(zhì)素磺酸鹽、多元醇及其衍生物、羥基羧酸（鹽）等，糖類(lèi)比如葡萄糖酸鈉在工程上應(yīng)用比較廣泛。

1.3 其他功能性添加劑

1）膨脹劑

膨脹劑應(yīng)用在灌漿料中使砂漿產(chǎn)生可控制的微膨脹作用以補(bǔ)償其收縮，使灌漿料在構(gòu)件中凝結(jié)硬化后達(dá)到飽滿填充的效果。常用的膨脹劑有硫鋁酸鈣類(lèi)和氧化鎂型，在灌漿料選用硫鋁酸鈣類(lèi)為主。

2）消泡劑

在灌漿料中加入消泡劑，可以減少灌漿料新拌時(shí)的含氣量。目前在灌漿料中常用的消泡劑主要有聚硅氧烷和多元醇等。消泡劑除了具有減少灌漿料的含氣量的作用，還具有一定的減水效果。

3）增稠劑

在大流動(dòng)度灌漿料中添加增稠劑劑可防止或減少泌水現(xiàn)象的發(fā)生，若灌漿料發(fā)生泌水現(xiàn)象，會(huì)使灌漿料和基體之間出現(xiàn)空隙，因此，整體的耐久性能與力學(xué)性能會(huì)受到影響。常用的保水劑多為各種纖維素類(lèi)，如羥丙基甲基纖維素、羥乙基纖維素等。

2 外加劑對(duì)水泥基灌漿料性能的影響

2.1 對(duì)流變性能和流動(dòng)性的影響

不同外加劑在灌漿材料中使用，會(huì)改變料漿的流變性能，而灌漿料的流變性能對(duì)其灌注效果有直接的影響。?ahmaran M[9]等以市售粘度改性劑作對(duì)比，研究了天然沸石粉對(duì)水泥基灌漿料的影響，結(jié)果表明，添加天然沸石和市售粘度改性劑對(duì)灌漿料的流變學(xué)性質(zhì)都有很大的影響；當(dāng)天然沸石或粘度改性劑與減水劑結(jié)合使用時(shí)，天然沸石比粘度改性劑對(duì)流變學(xué)的性質(zhì)影響更大。何濤[10]等研究了減水劑、消泡劑、緩凝劑、生物膠對(duì)水泥基灌漿材料流變性能的影響，研究表明，緩凝劑和生物膠可以增加漿體的粘度，消泡劑的作用效果則相反。

朱祥[11]等以普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥和硬石膏作膠凝材料配制灌漿砂漿，研究了減水劑、緩凝劑、消泡劑、早強(qiáng)劑、保水劑對(duì)灌漿料流動(dòng)性的影響。冷達(dá)[6]等在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上，歸納了減水劑和早強(qiáng)劑對(duì)水泥基灌漿料流動(dòng)性的影響規(guī)律。楊媛媛[12]等在水泥基灌漿料中加入三種不同粘度的纖維素醚，研究了纖維素醚粘度和摻量對(duì)灌漿料流動(dòng)性能的影響。張巨松[13]等研究了低水膠比時(shí)不同高效減水劑種類(lèi)、緩凝劑摻量對(duì)灌漿料工作性的影響?？梢缘贸?，不同減水劑對(duì)硫鋁水泥基灌漿料的初始流動(dòng)度和流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失的作用效果不同，聚羧酸系減水劑效果最好，氨基磺酸鹽減水劑次之，萘系減水劑與硫鋁水泥基灌漿料的適應(yīng)性最差；不同緩凝劑摻量對(duì)硫鋁水泥基灌漿料的流動(dòng)性影響不同，隨著緩凝劑摻量的增加，初始流動(dòng)度略有增加，30min后的經(jīng)時(shí)損失明顯減小。

2.2 對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響

鄧俊雙[14]等通過(guò)采用聚羧酸減水劑和萘系減水劑來(lái)測(cè)定減水劑對(duì)灌漿料凝結(jié)時(shí)間的影響，研究表明，相對(duì)于萘系減水劑，聚羧酸高效減水劑可以較好的運(yùn)用在低溫環(huán)境中，灌漿料的凝結(jié)硬化較快。

2.3 對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

朱祥[11]等研究了減水劑、消泡劑、早強(qiáng)劑對(duì)灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，聚羧酸減水劑加入灌漿料的強(qiáng)度性能要遠(yuǎn)好于萘系減水劑；聚硅氧烷消泡劑相對(duì)于多元醇類(lèi)消泡劑，早期強(qiáng)度高，后期強(qiáng)度也高；早強(qiáng)劑碳酸鋰對(duì)抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果不明顯。蘭英靜[15]研究了葡萄糖、葡萄糖酸鈉和白糖三種緩凝劑對(duì)灌漿料強(qiáng)度的影響，得出三種緩凝劑的最佳摻量均為0.06%，其中白糖的摻量為0.06%時(shí)對(duì)28天的抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最明顯。楊媛媛[12]等分別選取了粘度為 400mPa·s、100000mPa·s 和150000mPa·s三種粘度的羥丙基甲基纖維素醚，探究了其粘度和摻量對(duì)灌漿料強(qiáng)度的影響。研究表明，隨著纖維素醚摻量的增加，灌漿料的抗折和抗壓強(qiáng)度降低；當(dāng)摻量相同時(shí)，隨著纖維素醚的粘度增大，灌漿料的抗折和抗壓強(qiáng)度降低。

2.4 對(duì)豎向膨脹率及體積穩(wěn)定性的影響

劉曉斌[16]等考察了膨脹劑用量分別為0%，1%，2%，3%，4%，5%時(shí)，灌漿料的3h豎向膨脹率，24h豎向膨脹率以及膨脹率之差。隨著膨脹劑用量的增加，灌漿料的3h豎向膨脹率在用量達(dá)到3%時(shí)滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求，達(dá)到了0.12%，且其24h豎向膨脹率為0.17%，兩者之差為0.05%，同樣滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

蘭英靜[15]在同膠砂比、同用水量條件下，研究對(duì)比了聚羧酸減水劑、氨基磺酸鹽減水劑、萘系減水劑的收縮值。三種減水劑都不同程度減小了灌漿料的膨脹性能，對(duì)灌漿料的體積穩(wěn)定性有一定的負(fù)面作用。

2.5 對(duì)泌水率的影響

Costas A.Anagnostopoulos[17]研究了聚羧酸減水劑和萘系減水劑對(duì)灌漿料泌水率的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻加聚羧酸減水劑的灌漿料比摻加萘系的灌漿料粘度更大，泌水現(xiàn)象稍嚴(yán)重些。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

目前，我國(guó)從事水泥基灌漿料的生產(chǎn)企業(yè)達(dá)500余家，年產(chǎn)量300～500萬(wàn)噸。灌漿料的價(jià)格差別也較大，從700元/t到3000元/t都有，而且多數(shù)指標(biāo)也能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但是，灌漿料行業(yè)仍需解決的是膨脹和早強(qiáng)問(wèn)題，需要對(duì)組分和性能關(guān)系進(jìn)行系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上，在外加劑方面尋求突破。