高強(qiáng)灌漿料的配制及其性能研究

周艷華

(合肥經(jīng)濟(jì)技術(shù)職業(yè)學(xué)院 建筑工程系,安徽 合肥 230031)

0 引言

灌漿料是以高強(qiáng)度的原料作為骨料,由硅酸鹽水泥、外加劑(減水劑、膨脹劑、消泡劑等)和礦物的摻合料等材料拌合形成的混凝土預(yù)混料[1]。灌漿料具有快硬、高強(qiáng)、無收縮、微膨脹、自密性好和防滲等良好特點(diǎn)[2]。高強(qiáng)的水泥基灌漿料的配制原理是基于密實(shí)堆積的理論[3]。通過使用比較小的顆粒來添補(bǔ)較大的顆粒之間的縫隙,使原料能夠擁有最小的孔隙比,以此尋求高勻稱、高密集的理想狀態(tài),為達(dá)到這一目標(biāo),不妨通過提高灌漿的原材料性能來實(shí)現(xiàn)[4]。例如,礦粉顆粒的粒徑要比水泥顆粒的粒徑小很多,所以用礦粉取代少量的水泥,減小膠凝材料顆粒間的空隙率,從而加強(qiáng)密實(shí)度,使強(qiáng)度有所提升[5];此外,還能夠擠壓出水泥顆粒之間的少量水分,使灌漿料能夠有比較良好的流動性能[6]。另外,在灌漿材料中加入一些外加劑,如減水劑、消泡劑和膨脹劑等,也能改善并提高灌漿料的流動性能和防水性[7]。例如,摻入礦物超細(xì)粉,使得一部分的礦物超細(xì)粉的玻璃體構(gòu)造占據(jù)充水的空間,把絮凝結(jié)構(gòu)中的水分釋放出來,使?jié){體流動性得以改善[8]。超細(xì)粉還與水泥粒子產(chǎn)生靜電斥力作用,加大了漿體粒子的分散效果,使流動性得到增強(qiáng)[9]。目前,國內(nèi)用的比較多的水泥型號一般為PII42.5硅酸鹽水泥,然而,采用PII52.5硅酸鹽水泥配制高強(qiáng)灌漿料的研究鮮有報道[10]。本文采用PII52.5硅酸鹽水泥代替PII42.5硅酸鹽水泥,通過加入礦粉、適量的減水劑、膨脹劑以及消泡劑,使得灌漿料更加地完善。通過響應(yīng)面分析方法對各個組成材料的性能進(jìn)行試驗(yàn)分析,得到高強(qiáng)水泥基灌漿料的最優(yōu)配比設(shè)計。同時采用微觀形貌分析與能譜分析,表征不同養(yǎng)護(hù)時間下高強(qiáng)灌漿料凝固后的性能。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

試驗(yàn)材料包括:PII52.5硅酸鹽水泥(海螺水泥有限公司);礦粉(水淬高爐礦渣,自制);石英砂(靈壽縣亞恒礦產(chǎn)品加工廠);膨脹劑(東興開石膨脹劑廠);減水劑(山東喬邦化工有限公司);消泡劑(天津高田新材料有限公司)

試驗(yàn)設(shè)備包括:掃描電子顯微鏡(S4700,日本日立公司);壓力試驗(yàn)機(jī)(YAW4206,MTS系統(tǒng)(中國)公司);水泥膠砂攪拌機(jī)(JJ-5型,上海雷韻試驗(yàn)儀器制造有限公司);水泥膠砂流動度跳桌(NLD-3,河北大宏實(shí)驗(yàn)儀器有限公司);電子秤(HCE2006,上?；ǔ睂?shí)業(yè)有限公司)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1灌漿料的制備

采用水泥膠砂攪拌機(jī),按照初步設(shè)定的原料配比進(jìn)行灌漿料制備,各組分配合比見表1。水泥膠砂攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為20 r/min,為防止預(yù)凝膠,灌漿料的溫度維持在35 ℃以下。

表1 初步設(shè)定配合比表

1.2.2響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計

在前期預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,選定對高強(qiáng)灌漿料抗壓性能影響較大的因素:礦粉含量(A)、石英砂粒徑(B)、水含量(C)作為影響因素。通過Design-Expert(版本12.0)軟件,采用Box-Behnken設(shè)計3因素3水平響應(yīng)面試驗(yàn),考察灌漿料凝固后的抗壓強(qiáng)度(y),共有15個試驗(yàn)點(diǎn),其中3個為零點(diǎn),用于估計誤差。試驗(yàn)因素與水平編碼見表2。

表2 響應(yīng)面因素水平表

1.2.3灌漿料的性能測試

1)流動度試驗(yàn)。采用水泥膠砂流動度跳桌測定灌漿料的流動度,測量過程按照水泥基灌漿料的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范中的要求完成,截錐流動度的初始值要求≥290 mm,30 min后需≥260 mm。

2)灌漿料抗壓試驗(yàn)。采用壓力試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》測試灌漿料凝固后的抗壓強(qiáng)度。測試前需要對灌漿料進(jìn)行注模,試驗(yàn)的模具尺寸是:40 mm×40 mm×160 mm;靜置24 h后成型、養(yǎng)護(hù)、拆模。再將試塊放在常溫條件下(20 ℃)進(jìn)行養(yǎng)護(hù),直到達(dá)到規(guī)定的齡期,再進(jìn)行強(qiáng)度測試。

3)微觀形貌測定。采用掃描電子顯微鏡對養(yǎng)護(hù)后(1 d,3 d和28 d)的樣品進(jìn)行微觀形貌觀測,并進(jìn)行能譜掃描。儀器參數(shù)設(shè)置為:電壓20 kV,放大倍數(shù)3 000倍(10 μm)。

2 結(jié)果分析

2.1 單因素分析

為分析礦粉含量、石英砂粒徑和水含量對灌漿料流動度與抗壓強(qiáng)度的影響,分別調(diào)節(jié)礦粉的摻量(從90 g到190 g,以50 g遞增)、石英砂粒徑(粒徑4.75～2.36 mm; 2.36～1.18 mm;1.18～0.63 mm)、含水量(163 g,168 g和173 g),測量灌漿料的流動度與抗壓強(qiáng)度。其中,PII52.5硅酸鹽水泥和礦粉的總量690 g、石英砂1 100.00 g、消泡劑0.52 g、膨脹劑5.50 g、減水劑0.40 g,試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4。

表3 各組分對灌漿料流動度的影響

表4 各組分對灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響

2.1.1各組分對灌漿料流動度的影響

從表3可知,灌漿料的流動度隨著礦粉的增加而逐步增加,均滿足灌漿料對流動度的標(biāo)準(zhǔn)要求(初始的流動度≥290 mm,30 min的流動度≥260 mm)。灌漿料的初始流動度隨著石英砂平均粒徑的減小而減小,灌漿料30 min的流動度會隨著最大粒徑砂的減小而增大。灌漿料的流動度與水含量呈正相關(guān)關(guān)系。

2.1.2各組分對灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響

從表4可知,隨著水泥的減少以及礦粉的增加,第28 d的灌漿料的抗壓強(qiáng)度先升高后降低。從1 d到28 d的抗壓強(qiáng)度逐步提高。灌漿料的抗壓強(qiáng)度會隨著石英砂平均粒徑的減小而逐步減小。水含量與抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

綜上所述,PII52.5硅酸鹽水泥對灌漿料的抗壓強(qiáng)度有著決定性的影響,隨著PII52.5硅酸鹽水泥摻量的增加,灌漿料的抗壓強(qiáng)度也逐步增加;水的摻量也影響著灌漿料的抗壓強(qiáng)度,水的摻量越多,灌漿料的抗壓強(qiáng)度就會越低。礦粉、石英砂和減水劑的摻量都影響著灌漿料的流動度,礦粉和砂總量不變的情況下,隨著礦粉的遞增、砂摻量的降低,灌漿料的流動度會逐步提高。

2.2 響應(yīng)面分析結(jié)果

2.2.1回歸模型結(jié)果

通過響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計,并對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,得到響應(yīng)面結(jié)果,見表5。從表5可以看出,因素A,B,C,BC和A2對灌漿料凝固后的抗壓強(qiáng)度具有顯著性差異(P<0.05);因素AB,AC,B2和C2對灌漿料凝固后的抗壓強(qiáng)度具有不顯著性差異(P>0.05).

表5 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果

利用Design Expert 8.0軟件對響應(yīng)面結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,去除不顯著性,得到各個影響因素與響應(yīng)值之間的回歸方程為:

y=123.57-0.225 0A+0.162 5B-0.687 5C+1.400 0BC-2.120 0A2-1.900 0B2-1.850 0C2

2.2.2交互作用響應(yīng)面分析

如圖1所示,通過加入的礦粉減少了水泥的用量,大幅度地提高了灌漿料的強(qiáng)度;但當(dāng)?shù)V粉含量>140 g時,隨著礦粉含量的增加,灌漿料凝固后的抗壓強(qiáng)度降低,這主要是因?yàn)榇罅康牡V粉減少了灌漿料的泌水量,容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象,從而降低其抗壓強(qiáng)度。當(dāng)?shù)V粉含量一定時,隨水含量的增加抗壓強(qiáng)度增大,當(dāng)水含量>168 g時,灌漿料中水含量過大,凝固體的含量較大,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度降低。通過Design Expert 8.0軟件對回歸方程進(jìn)行求解,得到最佳配方為:PII52.5硅酸鹽水泥567.00 g、礦粉133.00 g、石英砂1 100.00 g(平均粒徑2.3 mm)、減水劑5.50 g、膨脹劑0.40 g、消泡劑0.52 g、水167.00 g。采用該配方進(jìn)行灌漿料制備的混凝土28 d后抗壓強(qiáng)度達(dá)133.4 MPa。

圖1 礦粉含量與水含量交互作用響應(yīng)面圖

2.3 灌漿料的耐久性以及微觀性能分析

2.3.1灌漿料耐久性分析

為了檢驗(yàn)灌漿料的耐久性能和耐化學(xué)腐蝕性能,分別進(jìn)行氫氧化鈉和硫酸鹽侵蝕的試驗(yàn)。灌漿料采用最佳配方進(jìn)行配置,對照組在室溫條件下養(yǎng)護(hù)56 d;測試組分別在0.3 mol/L氫氧化鈉溶液和5%硫酸鈉溶液侵蝕1 d,7 d和28 d,然后在室溫下養(yǎng)護(hù)至56 d。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 氫氧化鈉和硫酸鹽侵蝕的試驗(yàn)結(jié)果

由圖2(a)可知,早期侵入侵蝕液(1 d和7 d)耐堿性比較差,后期侵蝕液(28 d)耐堿性能良好。由圖2(b)可知,1 d,7 d,28 d侵入硫酸鈉養(yǎng)護(hù)56 d的抗壓強(qiáng)度基本上都要比標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)56 d的抗壓強(qiáng)度大,這就表示灌漿料的耐酸性能良好。

2.3.2灌漿料微觀性能分析

圖3和圖4分別為灌漿料不同養(yǎng)護(hù)期的SEM圖和能譜圖。

圖3 灌漿料不同養(yǎng)護(hù)期的SEM圖

圖4 灌漿料不同養(yǎng)護(hù)期的能譜圖

由圖3可知,灌漿料由1 d到28 d,孔隙逐漸減少,結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,更加緊密。這使灌漿料具有穩(wěn)定的后期強(qiáng)度。

由圖4可知,隨著養(yǎng)護(hù)期的增加,水化硅酸鈣的鈣硅比越低,灌漿料的強(qiáng)度越高,耐久性越好,結(jié)構(gòu)密度在逐步提高。

3 結(jié)語

本研究采用PII52.5硅酸鹽水泥,在水泥中加入礦粉、膨脹劑、減水劑、消泡劑、水,配制高強(qiáng)水泥基灌漿料,通過試驗(yàn)得到以下結(jié)論:采用PII52.5硅酸鹽水泥可以更好地達(dá)到灌漿料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范的要求,抗壓強(qiáng)度達(dá)100 MPa以上。加入礦粉,可以減少水泥的用量,提高灌漿料的流動度和密實(shí)性。通過Design Expert 8.0軟件對回歸方程進(jìn)行求解,得到最佳配方為:PII52.5硅酸鹽水泥567.00 g、礦粉133.00 g、石英砂1 100.00 g(平均粒徑2.3 mm)、減水劑5.50 g、膨脹劑0.40 g、消泡劑0.52 g、水167.00 g。采用該配方進(jìn)行灌漿料制備的混凝土28 d后抗壓強(qiáng)度達(dá)133.4 MPa。利用最佳配方制備的灌漿料混凝土具有良好的耐化學(xué)腐蝕性和耐久性,鈣硅比是影響混凝土耐久性的主要因素。