水泥基灌漿料的性能實(shí)驗(yàn)研究

1、 水泥基灌漿料的性能實(shí)驗(yàn)研究摘要：水泥基灌漿料是目前注漿工程中應(yīng)用最廣泛的漿材，泥基灌漿料與傳統(tǒng)細(xì)石混凝土相比 , 具有流動(dòng)性更好、強(qiáng)度更高和施工易于控制的特點(diǎn) ; 與傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿相比 ,具有膨脹性好、施工簡便快捷等特點(diǎn)。本文主要通過實(shí)驗(yàn)來研究水泥基灌漿料的流動(dòng)性，豎向膨脹率，有效承載面，抗壓強(qiáng)度性能。關(guān)鍵字：水泥基灌漿料 流動(dòng)性 豎向膨脹率 有效承載面 抗壓強(qiáng)度Experimental study on performance of cement-based grout Abstract：Cement-based grout grouting project is currently the

2、 most widely used pulp wood, clay-based grouting material compared to traditional fine aggregate concrete has better mobility, higher strength and construction features easy to control; with traditional epoxy mortar compared with the expansion is good, quick and easy construction and so on. In this

3、paper, cement-based grout to study the mobility, vertical expansion through experiments, the effective bearing surface, compressive strength and properties.Key word：Cement-based grout Liquidity vertical expansion effective bearing surface compressive strength目錄1.水泥基灌漿料31.1水泥基灌漿料研究的背景和意義31.2 國內(nèi)外灌漿材料研

4、究概況31.2.1 國外灌漿材料研究概況31.2.2 國內(nèi)灌漿材料研究概況42水泥基灌漿料特性的物理化學(xué)性質(zhì)53.高性能水泥基灌漿料性能試驗(yàn)63.1實(shí)驗(yàn)材料63.2試驗(yàn)主要測試技術(shù)指標(biāo)63.3試驗(yàn)方法73.3.1流動(dòng)性73.3.2豎向膨脹率73.3.3有效承載面83.3.4抗壓強(qiáng)度94配合比設(shè)計(jì)及主要試驗(yàn)結(jié)果105試驗(yàn)結(jié)果分析及展望11參考文獻(xiàn)13致謝161.水泥基灌漿料1.1水泥基灌漿料研究的背景和意義水泥基灌漿料是一種由水泥、骨料(或不含骨料)、外加劑和礦物摻和料等原材料 , 經(jīng)工廠化配制生產(chǎn)而成的具有合理級配的干混料。 加水拌合均勻后具有可灌注的流動(dòng)性、微膨脹、高的早期和后期強(qiáng)度、不泌水

5、等性能。1灌漿材料在建筑工程中是一類應(yīng)用量大、使用面廣的建筑材料。水泥基灌漿材料是目前注漿工程中應(yīng)用最廣泛的漿材。2水泥基灌漿料與傳統(tǒng)細(xì)石混凝土相比 , 具有流動(dòng)性更好、強(qiáng)度更高和施工易于控制的特點(diǎn) ; 與傳統(tǒng)環(huán)氧砂漿相比 ,具有膨脹性好、施工簡便快捷等特點(diǎn)。自20世紀(jì)90年代初 ,我國自主研發(fā)生產(chǎn)的水泥基灌漿材料在眾多大中型企業(yè)的設(shè)備安裝、建筑結(jié)構(gòu)加固改造工程中得到廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)從事水泥基灌漿材料的生產(chǎn)企業(yè)達(dá)200余家 ,年產(chǎn)量近50萬t。近年來,由于新材料發(fā)展日新月異 ,新的外加劑如雨后春筍 ,我國灌漿料的技術(shù)性能飛速提高，其各項(xiàng)技術(shù)性能已達(dá)到國際水平。而灌漿料的使用范圍 , 已逐漸從

6、早期單一的冶金建設(shè)全面拓展到市政、環(huán)保、港口、電力、造紙等行業(yè)。隨著國內(nèi)外外加劑的迅速發(fā)展，灌漿料的發(fā)展也日新月異。除常規(guī)產(chǎn)品外，類似BY- 2 20H2等搶修型灌漿料的高端產(chǎn)品才是灌漿料的發(fā)展趨勢所在。 目前國內(nèi)高強(qiáng)自流平無收縮灌漿料是由高強(qiáng)膠結(jié)成分、超塑化組分、膨脹組分、優(yōu)選高強(qiáng)微骨料組分以及一些微量改性組分以適當(dāng)比例共同粉磨而成?？梢灶A(yù)見，通過在特種骨料和膠凝材料中加入各種高效減水劑、硅微粉、礦渣微粉、阻裂纖維、可再分散乳膠粉等聚合物添加劑 , 新一代的灌漿料今后會(huì)朝著性能優(yōu)越、成本低廉的方向有更大的發(fā)展。1.2 國內(nèi)外灌漿材料研究概況1.2.1 國外灌漿材料研究概況灌漿材料的發(fā)展已有近

7、百年的歷史。早在1802年，法國人開辟了灌漿施工的先河，用木制沖擊泵注入粘土和石灰漿液加固地層3,4。1826年英國人發(fā)明了波特蘭水泥（硅酸鹽水泥)，大約1858年英國人W.R.Kinippe首次將水泥用于灌漿。英國于1864年在阿里因普瑞貝礦首次用水泥灌漿對井筒進(jìn)行灌漿堵水，成功地解決了井筒漏水問題。1886年，英國研制成功了壓縮空氣灌漿機(jī)，促進(jìn)了水泥灌漿的發(fā)展。19世紀(jì)末20世紀(jì)初，灌漿技術(shù)在法國和秘魯煤礦的豎井施工堵水中獲得巨大成就，同時(shí)高壓灌漿泵也研制成功。20世紀(jì)40年代，灌漿技術(shù)的研究和應(yīng)用的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)鼎盛時(shí)期5，各種水泥漿材相繼問世，水泥作為灌漿材料，具有強(qiáng)度高、耐久性好、無

8、毒、無味、材料來源方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此，灌漿多采用普通水泥6,7。瑞士大學(xué)的R.H.EVANS教授早在1953年就提出了灌漿質(zhì)量問題，他在預(yù)應(yīng)力混凝土橫梁的承載力測試的破壞性試驗(yàn)中，從橫梁的裂縫中觀察到水泥漿因泌水而形成的自由水流出，從而開始提出改善水泥漿的質(zhì)量和灌漿方法。上個(gè)世紀(jì)80年代中期，歐洲幾座預(yù)應(yīng)力混凝土大橋的倒塌，暴露出預(yù)應(yīng)力混凝土破壞的一個(gè)重要因素。從那時(shí)起，人們才開始關(guān)注灌漿材料的質(zhì)量問題，在施工中有針對性地進(jìn)行灌漿試驗(yàn)。隨著灌漿材料的飛速發(fā)展，灌漿工藝和灌漿設(shè)備也得到了巨大發(fā)展，各國大力發(fā)展和研制灌漿材料及其灌漿技術(shù)。灌漿技術(shù)應(yīng)用工程規(guī)模越來越廣，它涉及到幾乎所有的土木工

9、程領(lǐng)域。本世紀(jì) 40 年代，灌漿技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，各種水泥漿材相繼問世，特別是 60 年代以來，各國大力發(fā)展新型灌漿材料，灌漿材料和灌漿技術(shù)得到了空前的進(jìn)步，其應(yīng)用范圍越來越廣8,9。1.2.2 國內(nèi)灌漿材料研究概況我國對灌漿材料和灌漿技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展很快，某些方面已達(dá)到世界先進(jìn)水平。50年代初期，我國開始了矽化法的研究，在固矽、防止?jié)裣菪渣S土的濕陷、加固構(gòu)筑物等方面做了大量工作；同時(shí)，礦山行業(yè)逐漸采用井巷灌漿技術(shù)；50年代后期，灌漿技術(shù)在水壩防滲和加固工程中逐步應(yīng)用。20世紀(jì)50年代初期，我國才開始在煤礦豎井堵水、加固工程中使用灌漿技術(shù)，70年代改革開放之初，

10、為了滿足進(jìn)口設(shè)備的需要，我國開始了灌漿料的研制工作，并于1977年研制成功，開始在冶金設(shè)備安裝中大量應(yīng)用。經(jīng)過20多年的研究、實(shí)踐，我國灌漿料的技術(shù)性能逐步提高，其各項(xiàng)技術(shù)性能已達(dá)到國際水平。在灌漿料的使用上獲得了良好的效果。但經(jīng)三次壓漿后，24小時(shí)在孔道的觀察段仍能看到寬度為24cm的稀漿微沫帶。在水平孔道灌漿試驗(yàn)中，待水泥漿凝固后，將孔道鋸開，測得孔道頂部的月牙形孔隙最大寬度為35mm，最大高度為3mm。但總的來說灌漿效果還是較好的。近年來，超細(xì)水泥的開發(fā)克服了水泥漿材難以滲入較細(xì)(0.6mm)顆粒巖土層中的缺點(diǎn)，并具有水泥漿材和化學(xué)漿材的優(yōu)點(diǎn)，且對環(huán)境無污染。這種新型水泥為灌漿界開辟了新

11、的領(lǐng)域，有逐步取代化學(xué)漿材的趨勢。但是目前我國超細(xì)水泥價(jià)格較貴，另外對超細(xì)水泥的滲透機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。2水泥基灌漿料特性的物理化學(xué)性質(zhì)高自流性：現(xiàn)場只需加水?dāng)嚢杓纯?，使用不需要振搗便可自動(dòng)填充所需灌注空隙：不泌水、不分層。早強(qiáng)高強(qiáng)：一天強(qiáng)度最高可達(dá)50MPa以上，設(shè)備安裝一天后即可運(yùn)行生產(chǎn)。微膨脹性：粘結(jié)強(qiáng)度高。具有微膨脹性能，無收縮，可確保地腳螺栓、設(shè)備與基礎(chǔ)以及新老混凝土間的牢固結(jié)合?？垢g性：早強(qiáng)型灌漿料抗侵蝕，耐沖刷，具有良好的抗硫酸鹽抗污水侵蝕性能，有較強(qiáng)的抗沖刷性，可用于海港污水處理廠等工程?？褂蜐B性：在機(jī)油中浸泡30天后其強(qiáng)度可以提高10%以上，耐久性本產(chǎn)品屬無機(jī)灌漿材料不老

12、化對鋼筋無銹蝕200萬次疲勞試驗(yàn)50次凍融循環(huán)試驗(yàn)強(qiáng)度無明顯變化。10水泥基灌漿料是由水泥為基本材料，適量的細(xì)骨料及加入少量的混凝土外加劑及其它材料組成的干混材料。具有無收縮、高強(qiáng)度、自密實(shí)、施工方便等特點(diǎn)。為獲得無收縮、高流態(tài)、防離析、高有效承載面等性能，水泥基灌漿料需摻加較多組分，例如膨脹劑，減水劑，早強(qiáng)劑，消泡劑等，這些組分物質(zhì)，特別是外加劑摻量少，但對性能的影響較大，需經(jīng)嚴(yán)謹(jǐn)探討，方可使用自如。11-16水泥基灌漿料是以高強(qiáng)度材料作為骨料，以水泥作為結(jié)合劑，輔以高流態(tài)、微膨脹、防離析等物質(zhì)配制而成。它在施工現(xiàn)場加入一定量的水，攪拌均勻后即可使用17。水泥基灌漿料組分對性能的影響包括水泥

13、硅灰膠砂比和外加劑的選用和大致?lián)搅?。?8】水泥的種類也對水泥基灌漿料性能有著巨大的影響?！?9】鋼渣微粉取代硅酸鹽水泥時(shí)，水泥基灌漿料的流動(dòng)性能得到改善早期強(qiáng)度下降顯著后期強(qiáng)度則變化不大。20減水劑摻量過大和過小都會(huì)影響灌漿料的工作性能并會(huì)導(dǎo)致超出規(guī)范的要求，因此減水劑的含量對水泥基灌漿料有著重要影響。21隨著受火溫度的升高，冷卻方式對水泥基灌漿料棱柱體試塊在低周重復(fù)荷載作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線影響明顯，噴水冷卻下試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線較自然冷卻下更為飽滿，殘余塑性變形更大。22HLCPE與硫鋁酸鈣膨脹劑復(fù)合使用可有效防止各類水泥基灌漿材料早期及后期收縮，有效保證灌漿質(zhì)量。23很多文章研究了不同

14、種類的水泥基灌漿料的性能及一些外加劑對水泥基灌漿料的影響，本文主要研究高強(qiáng)水泥基灌漿料的性能。24-313.高性能水泥基灌漿料性能試驗(yàn)3.1實(shí)驗(yàn)材料水泥：安徽珍珠水泥集團(tuán)股份有限公司生產(chǎn)的P. O42.5級普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料：安徽省鳳陽縣生產(chǎn)的石英砂，細(xì)度模數(shù)Mx=2.93，堆積密度1750kg/m2；礦物摻合料：安徽合肥電廠產(chǎn)I級粉煤灰和安徽廬江縣產(chǎn)細(xì)度為800目的礬土礦粉；外加劑：江蘇蘇州產(chǎn)聚羧酸系高性能減水劑和安徽廬江縣產(chǎn)高效膨脹劑；灌漿料：分別為FA、FB、DC和CGM-300、CGM-340, 拌和水：普通自來水。灌漿料：FA、FB、DC和CGM-300、CGM-340, 3.2

15、試驗(yàn)主要測試技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)中，根據(jù)GB/T504482008水泥基灌漿材料主要性能指標(biāo)要求，重點(diǎn)考察了高性能水泥基灌漿料的流動(dòng)度( 包括初始值和30min保留值) 豎向膨脹率抗壓強(qiáng)度( 包括1328d) ， 測試性能指標(biāo)參考值見表1 同時(shí)試驗(yàn)還重點(diǎn)研究了高性能水泥基灌漿料的抗折強(qiáng)度，并研究了流動(dòng)度和強(qiáng)度隨加水量變化規(guī)律以及強(qiáng)度齡期發(fā)展的規(guī)律。表1 高性能水泥基灌漿料主要技術(shù)指標(biāo)【32】流動(dòng)度/mm豎向膨脹率/%抗壓強(qiáng)度/MPa初始值30min保留值 3h 24h 3h之差1d3d28d340 3100.13.5 0.020.5 20 40603.3試驗(yàn)方法3.3.1流動(dòng)性國外采用讀秒的方法較多。

16、如日本資料介紹，用上口直徑70mm，下口直徑14mm, 高400mm的圓截錐體（流錐儀，見圖1），堵住下口，在其中注滿灌漿料，放開下口, 同時(shí)計(jì)時(shí)，到截錐內(nèi)料流(一般以透亮為準(zhǔn))為止。ASTMC939介紹了類似的方法。國內(nèi)生產(chǎn)的灌漿料，骨料粒徑一般大于2mm，不宜直接采用測定流秒的方法，要采用對比的方法。圖1 流錐儀3.3.2豎向膨脹率灌漿材料的膨脹性是另一個(gè)十分重要的指標(biāo), 它決定所灌材料能否密實(shí)填充空隙, 塑性階段的膨脹對于密實(shí)性尤為重要。灌漿料是一種高流動(dòng)性材料, 澆筑后會(huì)產(chǎn)生較大的塑性收縮, 包括沉漿收縮和失水收縮。采用SHRINKAGECONE收縮測量儀(見圖2) ，測得的豎向膨脹率

17、-時(shí)間關(guān)系曲線。SHRINKAGECONE收縮測量儀是通過在漿體上放置一個(gè)激光反射薄片, 利用非接觸式的測定方式精確測定漿體的高度變化, 從而計(jì)算豎向膨脹率。圖2 SHRINKAGECONE收縮測量儀3.3.3有效承載面有效承載面( EBA) 指設(shè)備或鋼結(jié)構(gòu)柱腳底板下面灌漿材料實(shí)際接觸底板并可傳遞受壓荷載的面積與設(shè)備或鋼結(jié)構(gòu)柱腳的底板總面積之比, 以百分?jǐn)?shù)表示。這是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)指標(biāo), 它直接反映灌漿層起到承載作用的程度。假設(shè)強(qiáng)度為0MPa的灌漿料, 有效承載面只有50%, 相當(dāng)于有效荷載只有35MPa?？梢娂词箯?qiáng)度很高, 但有效承載面積很小, 甚至根本沒有與設(shè)備底板接觸, 對設(shè)備的危害很

18、大。美國標(biāo)準(zhǔn)ASTMC1339-02, 給出聚合物灌漿料設(shè)備灌漿承載面積的測定方法。參照此方法,我們自制船型模，見圖3，其中上鋼板尺寸600mm150mm,厚10mm；上下鋼板間隙為50mm。將拌和好的灌漿料從一側(cè)倒入，從另一側(cè)流出且流滿鋼板下部。24h后取下鋼板，與標(biāo)準(zhǔn)圖樣做比較，確定有效承載面。圖47為參照標(biāo)準(zhǔn)ASTMC1339-02繪制的有效承載面的標(biāo)準(zhǔn)圖樣。 圖3 船型模結(jié)構(gòu)圖 圖4 有效承載面積95% 圖5 有效承載面積90% 圖6 有效承載面積85% 圖7 有效承載面積80%3.3.4抗壓強(qiáng)度力學(xué)性能試驗(yàn), 按水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)GB/ T1767133進(jìn)行，步驟如下：

19、（1）將破型時(shí)得到的6塊荷載值（從壓力試驗(yàn)機(jī)讀出單位為kN）分別換算為強(qiáng)度值（MPa），然后計(jì)算其平均值R。（2）用0.9R和1.1R 來衡量每一塊抗壓強(qiáng)度值，當(dāng)有小于0.9R或大于1.1R 的數(shù)值時(shí)應(yīng)剔除該數(shù)值,注意衡量時(shí)應(yīng)采用全值法，即 0.9R和1.1R 不進(jìn)行修約保留全值，若全部6塊數(shù)值在0.9R1.1R 范圍內(nèi)，則R 為該組數(shù)據(jù)的強(qiáng)度值。（3）若剔除后余下不足5個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)該組試件應(yīng)作廢，當(dāng)剩下5個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，取這5個(gè)數(shù)據(jù)的平均值R再用0.9R和1.1R去衡量5個(gè)中的每個(gè)數(shù)據(jù)，若有再被剔除,本組數(shù)據(jù)應(yīng)作廢,若無剔除則R即為本組強(qiáng)度。4配合比設(shè)計(jì)及主要試驗(yàn)結(jié)果在其它參數(shù)不變情況下，使用三種水膠

20、比，分別為W/B=0.28，0.29，0.30進(jìn)行高性能水泥基灌漿料配合比設(shè)計(jì)，試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)見表2，工作性能主要試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)及豎向膨脹率見表334，取下鋼板后的圖形見圖81135，各齡期抗壓強(qiáng)度抗折強(qiáng)度見表4。表2 水泥基灌漿料試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì) kg t-1配合比編號(hào)W/BWCMAQSAHPCG1 0.28136.0360.091.0475.038.0HPCG20.29141.0360.091.0475.038.0HPCG30.30146.0360.091.0475.038.0注: 表中W/B為水膠比; W為拌和水; C為水泥; MA為礦物摻合料;QS為石英砂; A為外加劑表3 工作性能及豎向

21、膨脹率主要試驗(yàn)結(jié)果編號(hào)流動(dòng)度/mm豎向膨脹率/%初始值30min保留值 損失值3h 24h 3h之差HPCG1 324 268561.30.09HPCG2357 322352.60.18HPCG3376 35917-0.150.04 圖8 CGM有效承載表面 圖9 FA有效承載表面 圖10 FB有效承載表面 圖11 DC有效承載表面表4 抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果編號(hào)抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa3d 7d28d3d7d28dHPCG1 47.5 66.784.66.5710.2113.54HPCG244.6 62.5 81.3 6.13 9.78 12.15HPCG332.5 42.961

22、.84.565.249.885試驗(yàn)結(jié)果分析及展望高性能水泥基灌漿料工作性能試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，水膠比W/B=0.28的拌合物較為粘稠，流動(dòng)性較差，其流動(dòng)度的初始值和30min保留值均不滿足規(guī)范要求水膠比W/B=0.30的拌合物流動(dòng)性很好，流動(dòng)度試驗(yàn)產(chǎn)生了很大的流動(dòng)性，并且30min之后的流動(dòng)度保留值仍然很高，但拌合物存在較為嚴(yán)重的泌水現(xiàn)象。水膠比W/B=0.29的拌合物流動(dòng)性較好，并且具有良好的保水性，未發(fā)現(xiàn)泌水現(xiàn)象 圖1給出了流動(dòng)度隨水膠比W/B變化趨勢，從圖中可以看出，在其他參數(shù)不變的條件下，初始流動(dòng)度和30min的保留值均隨W/B的變大而增大。從表3中可以看出，HPCG-1和HPCG-2

23、的3h-24h與3h之差的豎向膨脹率均能滿足規(guī)范要求，但HPCG-3的3h豎向膨脹率為負(fù)值，說明該配比的水泥基灌漿料由于加水量過多，影響了其早期豎向膨脹率。從表3中可以看出，HPCG-1和HPCG-2的3h24h與3h之差的豎向膨脹率均能滿足規(guī)范要求，但HPCG-3的3h豎向膨脹率為負(fù)值，說明該配比的水泥基灌漿料由于加水量過多，影響了其早期豎向膨脹率。從圖811可以看出, 有效承載面差別很大。CGM-340灌漿料(用水量17%) 、FB料(用水量14%) 的有效承載面在95%以上, 而FA灌漿料(用水量18%) 、DC料(用水量13.5%) 的有效承載面積很低, 形成“虛接觸”, 表現(xiàn)為底板下

24、面有大量的氣泡孔穴。進(jìn)一步加大用水量, 有效承載面均有一定程度的下降, FA料的表面基本為連續(xù)的氣泡孔穴, 根本不能起到有效傳遞荷載的作用。(1) 水膠比對于HPCG的流動(dòng)度影響較大，當(dāng)W/B=0.28時(shí)，HPCG1的流動(dòng)度已經(jīng)不滿足規(guī)范要求，拌合物粘稠，流動(dòng)性較差，當(dāng)W/B=0.30時(shí)，HPCG3的流動(dòng)度過大，拌合物出現(xiàn)了泌水現(xiàn)象，保水性較差。（2）HPCG1和HPCG2的3h24h與3h豎向膨脹率之差均能滿足規(guī)范要求，而HPCG3的3h豎向膨脹率出現(xiàn)了負(fù)值，即水泥基灌漿料出現(xiàn)了收縮，說明加水量過大對于灌漿料早期豎向膨脹率影響較大。（3）有效承載面的大小, 主要和澆筑后灌漿料的表面氣泡量和膨

25、脹率有關(guān)。當(dāng)氣泡量太大時(shí), 灌漿層上表面有大量氣泡孔穴,直接導(dǎo)致有效承載面積太小;如果膨脹率太小, 會(huì)導(dǎo)致空鼓, 不僅失去了應(yīng)起的作用, 還有很大的潛在危害。作為使用單位, 在選擇灌漿材料時(shí), 模擬灌注條件, 試驗(yàn)有效承載面, 非常有必要(4) 水膠比對于強(qiáng)度影響較大，W/B=0.28和W/B=0.30 的28d抗 壓 強(qiáng) 度 相差22.8MPa，抗折強(qiáng)度相3.66MPa。當(dāng)W/B較為合理時(shí)，高性能水泥基灌漿料具有早期高強(qiáng)的特點(diǎn)，HPCG1和HPCG2的7d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到28d強(qiáng) 度的78.84%和76.88%，HPCG1和HPCG2的28d抗壓強(qiáng)度均超過了80MPa。參考文獻(xiàn)1朱衛(wèi)華，水泥

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