早強快凝超細灌漿料的研制

程永娃，馮月娥，田過勤

（1.甘肅路橋建設(shè)集團有限公司，蘭州 730050；2.甘肅智通科技工程檢測咨詢有限公司，蘭州 730050）

1 引言

隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，灌漿修補在如混凝土大壩及壩基裂縫灌漿加固，地鐵、隧道、礦井等地下工程開挖土層填充快速固化處理及圍巖加固處理中得到廣泛應(yīng)用。在灌漿修補中，傳統(tǒng)的灌漿材料顆粒太粗不利于漿液進入細微裂縫，可灌性、滲透性差，易造成注漿不飽滿的問題，而采用傳統(tǒng)化學(xué)漿液（如環(huán)氧樹脂）將使成本上升，同時環(huán)氧樹脂耐疲勞、耐老化、耐水性都較差且力學(xué)性能對溫度很敏感。另外，在部分工程建設(shè)中有“時間窗”要求，如道路交通作業(yè)中用于維護的時間很短，在不影響交通的情況下，一般要求灌漿材料1 d強度達到35 MPa 以上，以滿足次日交通的要求等[1-6]。為了改進上述不足，本研究致力開發(fā)一種粒徑細小、大流動性、可灌性佳，凝結(jié)時間可控，微膨脹，黏結(jié)性好，灌漿結(jié)束后水泥漿能快速凝結(jié)硬化，早期強度高，后期強度又可持續(xù)增長的灌漿料。

2 原材料和試驗方法

2.1 試驗原材料

1）超細水泥：江門市中建科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的8 000目P·O42.5 級普通硅酸鹽水泥。

2）減水劑：江蘇某公司生產(chǎn)的粉體聚羧酸高性能減水劑，減水率30%。

3）膨脹劑：江蘇某公司生產(chǎn)的HME-Ⅱ高性能混凝土氧化鎂復(fù)合膨脹劑。

4）防水抗?jié)B劑：山西建華化工有限公司BR-5 型增強防水劑。

5）硅灰：寧夏遠誠新材料實業(yè)集團有限公司生產(chǎn)的比表面積為24 200 m2/kg 硅灰。

6）調(diào)凝劑：甘肅某公司生產(chǎn)快速凝結(jié)劑。

7）水：自來水。

2.2 試驗方法

1）設(shè)計思路：根據(jù)文獻[7-9]及產(chǎn)品材質(zhì)單，初步確定水膠比范圍0.30～0.45，減水劑摻量0.007～0.011，調(diào)凝劑0.005～0.007，以工作性能的初始流動度、凝結(jié)時間以及早期1 d、3 d 強度為主要指標，5 h 強度作為次要指標，研究水膠比、減水劑摻量、調(diào)凝劑摻量、膨脹劑摻量對超細灌漿材料性能的影響規(guī)律。

2）試件制備與養(yǎng)護：在高速攪拌機中先低速（600～800 r/min）攪拌2 min 后高速（2 000～2 200 r/min）攪拌5～6 min，將滿足流動度要求的混合料灌入40 mm×40 mm×160 mm 的鋼試模內(nèi)，靜置至漿體初凝后，采用專用刮刀將其表面多余的漿體刮掉，并放入相對濕度大于95%，溫度為（20±2）℃的標準養(yǎng)護箱中，養(yǎng)護至試件完全硬化，1 h 后脫模，將脫完模后的試件放入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至相應(yīng)齡期。

3）超細灌漿料的基本性能：漿體的水膠比（%）、漿體的初始流動度（s）、24 h 自由膨脹率（%）的測定按照GB/T 25182—2010《預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》相應(yīng)方法進行測試。漿體的凝結(jié)時間的測定按照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結(jié)時間、安定性檢驗方法》規(guī)定方法進行試驗和計算。

4）超細灌漿料的力學(xué)性能：依照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗方法（ISO 法）》進行試驗和計算。

5）儀器設(shè)備：NJ-219 高速制漿機（上虞區(qū)東關(guān)建工儀器廠），YAW-300 型全自動恒加荷水泥抗折抗壓一體試驗機（浙江辰鑫機械設(shè)備有限公司）。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 水膠比對超細灌漿材料性能的影響

在高速攪拌機攪拌工藝下，固定超細水泥、防水抗?jié)B劑、硅灰、調(diào)凝劑、膨脹劑、減水劑的質(zhì)量比為1∶0.042∶0.033∶0.006∶0.004∶0.09，不同水膠比對超細灌漿料流動度和抗壓強度的影響見表1。

表1 水膠比對超細灌漿材料流動性和力學(xué)性能的影響

由表1 可知，當水膠比為0.30 時，漿液初始流動度為53 s，流動度特小，當水膠比增大至0.33 時，流動度提升至25 s，隨著水膠比的不斷增大流動度持續(xù)提升，當水膠比增加至0.36時，流動度為17 s，提升率趨于平緩。根據(jù)GB/T 25182—2010《預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》，漿液初始完全流出水泥漿稠度試驗漏斗的時間為（18±4）s，從流動度看，灌漿料的水膠比宜大于0.35。灌漿料的抗折強度和抗壓強度隨著水膠比的增大呈下降趨勢，且水膠比對超細灌漿料的5 h、1 d 早期強度的影響較大，特別是5 h 的強度影響更顯著，對3 d、28 d 強度影響較小。同時，超細灌漿料1 d 齡期的抗折強度、抗壓強度與JC/T 986—2018《水泥基灌漿材料》中的要求（A85 1 d 抗壓強度≥35 MPa）相比均存在一定的富余。

綜上所述，隨著水膠比的增大，灌漿料的流動性得到快速改善，而力學(xué)性能隨著水膠比的增大呈降低趨勢，特別是對抗折強度的影響更為顯著。綜上，水膠比推薦控制在0.37～0.40。

3.2 減水劑摻量對超細灌漿料性能的影響

聚羧酸高性能減水劑不同摻量對超細灌漿料的流動度、泌水率及力學(xué)性能的影響結(jié)果見表2。

表2 聚羧酸減水劑對超細灌漿料工作性和力學(xué)性能的影響

由表2 可知，減水劑摻量為0.80%時，漿體略黏稠，初始流動時間較長，減水劑摻量增加到0.9%時，初始流動時間明顯降低，初始流動性能滿足GB/T 25182—2010《預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》要求，且漿體不黏稠、不分層具有良好的可灌性；減水劑摻量進一步增加至1.0%時，流動時間進一步縮短，但漿體開始出現(xiàn)分層、抓底現(xiàn)象，并且隨著摻量增加，分層泌水越來突現(xiàn)。硬化后漿體的抗折強度、抗壓強度隨減水劑摻量的增加先增大后降低，且當減水劑摻量達到1.00%時，28 d 抗折強度出現(xiàn)倒縮。

綜上，減水劑對超細灌漿料的流動度和后期抗折強度影響顯著，當減水劑摻量為0.90%時，超細灌漿料的工作性和漿體的狀態(tài)以及硬化后的強度最好。

3.3 調(diào)凝劑摻量對超細灌漿料工作性能的影響

調(diào)凝劑不同摻量對超細灌漿料的流動度、凝結(jié)時間的影響結(jié)果如圖1 和圖2 所示。

圖1 調(diào)凝劑摻量對流動性的影響

圖2 調(diào)凝劑摻量對凝結(jié)時間的影響

由圖1 可知，隨著調(diào)凝劑摻量的增大，漿體越來越黏稠，漿體的初始流動度越來越小，當調(diào)凝劑摻量超過1.80%時，漿體的流動性快速減小，當調(diào)凝劑的摻量為0.8%時、1.0%時，漿體的流動度分別為32.42 s 和58.28 s，超出GB/T 25182—2010《預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》的要求。由圖2 可知，漿體凝結(jié)時間隨著調(diào)凝劑摻量的增加先快速縮短然后趨于緩和，當調(diào)凝劑摻量為0.60%時，凝結(jié)時間初終凝時間分別為12 min41 s、22 min48 s，比較符合需通過灌漿施工快速加固工程的需求。綜上，調(diào)凝劑對灌漿料的工作性影響較顯著。

3.4 膨脹劑摻量對超細灌漿料性能的影響

膨脹劑對灌漿料的性能影響分別見圖3～圖6。圖3 表明隨著膨脹劑摻量的增大，灌漿料的流動性明顯改善，但是當摻量超過0.20%后，改善效果逐漸不明顯。因摻入膨脹劑后，膨脹劑與堿反應(yīng)生產(chǎn)氣體會降低漿體黏度，使?jié){體流動度略有提升。圖4 表明灌漿料的流動度隨著膨脹劑摻量的增加不斷增大，源于該膨脹劑為塑性膨脹劑與氧化鎂膨脹劑按照2∶3 比例復(fù)合而成，部分膨脹劑能夠在堿性環(huán)境中產(chǎn)生氣體，在體系中摻入塑性膨脹劑的質(zhì)量過多時，其與堿會迅速發(fā)生反應(yīng)，生成大量氣體，使?jié){體呈現(xiàn)早期微膨脹效果，當膨脹劑摻量為0.20%時，3 h 豎向膨脹率出現(xiàn)拐點，由前期的快速增長進入較緩增長態(tài)勢。圖5 和圖6 表明膨脹劑摻量超過0.20%時，不同齡期的抗折強度、抗壓強度均有所降低，膨脹劑摻入量過多導(dǎo)致氣體生成量過多，致使?jié){體硬化后體系中的氣孔量大幅度增加，從而降低硬化漿體致密性。這跟胡星[10]以及賈璐璐[11]研究塑性膨脹劑對套筒灌漿料性能影響所得結(jié)果規(guī)律相似。通過上述試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，膨脹劑摻量為0.20%時灌漿料的早期微膨脹性能夠得到保證，同時還可改善漿體流動性并對硬化后不同齡期強度的影響較弱。

圖3 膨脹劑摻量對流動性的影響

圖4 膨脹劑摻量對豎向膨脹性的影響

圖5 膨脹劑摻量對抗折強度的影響

圖6 膨脹劑摻量對抗壓強度的影響

3.5 超細灌漿料的綜體性能研究

根據(jù)以上試驗結(jié)果和工程施工以及工程質(zhì)量等對灌漿料的要求，同時結(jié)合調(diào)凝劑、膨脹劑等材料的影響，適當提高減水劑的摻量，確定出早強快凝超細灌漿料的最優(yōu)配合比為超細水泥79.25%、防水抗?jié)B劑10%、微硅灰8%、調(diào)凝劑1.6%、膨脹劑0.2%、減水劑0.95%，水膠比0.36，并對其各項性能指標進行測試，試驗結(jié)果見表3。由表3 可知，所制備的超細灌漿料的流動度、凝結(jié)時間、漿體狀態(tài)、膨脹率、抗折強度、抗壓強度、充盈度等性能指標均達標且存在不同程度的富余量。

表3 各項性能指標測試結(jié)果

4 超細灌漿料的效益分析

4.1 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)原材料市場售價，按最優(yōu)配合比分析早強快凝超細灌漿料的經(jīng)濟效益，結(jié)果見表4。

表4 早強快凝超細灌漿料的成本分析

對標產(chǎn)品環(huán)氧樹脂灌漿料，以A、B 料按照2∶1 方式應(yīng)用，A、B 料售價分別為28 元/kg、55 元/kg，由此推算配制1 t 環(huán)氧樹脂灌漿料漿體成本為3.7 萬元，按水膠比0.36 配制1 t 早強快凝灌漿料漿體成本約為0.154 萬元，其中，水費按3.5 元/t計算。這樣每噸灌漿漿體可直接節(jié)約成本3.546 萬元，由此可知，該材料可產(chǎn)生較好的經(jīng)濟效益。

4.2 社會效益分析

環(huán)氧樹脂灌漿料中含有易燃和大量有毒物質(zhì)，在運輸、使用、儲存等過程中存在安全隱患，應(yīng)用后對周圍生態(tài)環(huán)境易造成污染，尤其對地表水或地下水易造成污染，形成無形潛在危害，而且環(huán)氧樹脂耐疲勞、耐老化、耐水性等性能較差，環(huán)氧樹脂的力學(xué)性能對溫度較為敏感，在高溫下其易疲勞老化分解，將造成應(yīng)用加固構(gòu)筑物工程服役周期縮短，工程質(zhì)量安全形成一定隱患。而早強快凝灌漿料主要以無毒無害的水泥為主材，引入減水劑為環(huán)保環(huán)境友好型的聚羧酸減水劑，漿體硬化后形成穩(wěn)定耐疲勞、耐老化、耐水性，對氣候不敏感且與混凝土形成良好的結(jié)合體，展現(xiàn)出品質(zhì)優(yōu)良且環(huán)保和諧友好的特性，還具有較好的社會經(jīng)濟效益。

5 室內(nèi)應(yīng)用模擬加固

超細灌漿料對混凝土加固結(jié)合體性能試驗主要通過150 mm×150 mm×150 mm 標準試件進行，試件成型時[12]，先將拌制好的C30、C50 混凝土分別裝模成型制件。制件過程中，對裝好相應(yīng)混凝土的試件初凝前將事先準備好的用1.5 mm防水板加工的裂縫模型插入試件中，待試件剛終凝時將其拔出，等試件養(yǎng)護至24 h 時，對人造裂縫進行漿體自滲透性灌漿加固，標準養(yǎng)護至28 d 時，按照GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標準》 規(guī)定的試驗方法進行加固混凝土抗壓強度測試。具體試驗結(jié)果見表5。

表5 超細灌漿料與加固混凝土28 d 抗壓強度

由表5 可知，對于制件S 形貫穿裂縫，通過灌漿加固后C30、C50 混凝土制件的抗壓承載力分別可達到未破壞狀態(tài)下的94.4%和91.3%，與原生態(tài)混凝土抗壓強度相差均較小；對于制件樹枝形對角線貫穿裂縫，通過灌漿加固后C30、C50 混凝土制件的抗壓承載力分別可達到未破壞狀態(tài)下的80.0%和83.1%，與原生態(tài)混凝土抗壓強度相差均較大，說明當裂縫處于受力面的對角線上時，加固效果弱于裂縫處于受力面的其他方位。

綜上可知，采用早強快凝超細灌漿料加固處理C30、C50混凝土1.5 mm 的裂縫具有較好的效果，該方案具有一定的可行性。

6 結(jié)論

1）隨著水膠比的增大，超細灌漿料的流動性和可灌性得到快速改善，而力學(xué)性能隨著水膠比的增大不斷降低，特別是抗折強度更為顯著。

2）減水劑對超細灌漿料的工作性和后期抗折強度影響較大，應(yīng)綜合考慮整體膠凝材料性能，使減水劑摻量呈小幅動態(tài)。同時，調(diào)凝劑摻量的確定應(yīng)充分考慮施工工藝和工程要求，膨脹劑的類型與摻量結(jié)合漿體的工作性和力學(xué)性能來確定最優(yōu)方案。

3）通過對不同配合比進行驗證，結(jié)果表明上述配合比即為最優(yōu)配合比。制備出在水膠比0.36 時，初始流動度13.56 s，3 h 豎向膨脹率為0.23%，3 d 抗折、抗壓強度分別為13.5 MPa、72.6 MPa，28 d 抗折、抗壓強度分別為14.8 MPa、86.9 MPa，這些性能指標均滿足GB/T 25182—2010《預(yù)應(yīng)力孔道灌漿劑》標準規(guī)范的基礎(chǔ)上，中位粒徑4.2 μm，初終凝時間分別為552 s、1 196 s，5 h 抗折、抗壓強度分別為3.8 MPa、10.2 MPa，1 d 抗折、抗壓強度分別為11.3 MPa、40.2 MPa?？傮w各項指標滿足大流動度，可灌性優(yōu)異，早期強度增長快等工程對灌漿材料的要求。

4）與市售環(huán)氧樹脂灌漿料相比，生產(chǎn)成本大幅度降低且環(huán)保，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益具有一定的推廣應(yīng)用前景。

5）通過對不同類型C30 和C50 混凝土1.5 mm 裂縫的室內(nèi)模擬加固處理，7 d 和28 d 的抗壓強度比在0.8 以上，展現(xiàn)出良好的加固結(jié)合性能。