水泥基灌漿料的性能實驗研究

1、 水泥基灌漿料的性能實驗研究摘要：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)細石混凝土相比 , 具有流動性更好、強度更高和施工易于控制的特點 ; 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。本文主要通過實驗來研究水泥基灌漿料的流動性，豎向膨脹率，有效承載面，抗壓強度性能。關(guān)鍵字：水泥基灌漿料 流動性 豎向膨脹率 有效承載面 抗壓強度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63.1實驗材料63.2試驗主要測試技術(shù)指標63.3試驗方法73.3.1流動性73.3.2豎向膨脹率73.3.3有效承載面83.3.4抗壓強度94配合比設(shè)計及主要試驗結(jié)果105試驗結(jié)果分析及展望11參考文獻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性、微膨脹、高的早期和后期強度、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)細石混凝土相比 , 具有流動性更好、強度更高和施工易于控制的特點 ; 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。自20世紀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，其各項技術(shù)性能已達到國際水平。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)高強自流平無收縮灌漿料是由高強膠結(jié)成分、超塑化組分、膨脹組分、優(yōu)選高強微骨料組分以及一些微量改性組分以適當比例共同粉磨而成?？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，促進了水泥灌漿的發(fā)展。19世紀末20世紀初，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，同時高壓灌漿泵也研制成功。20世紀40年代，灌漿技術(shù)的研究和應(yīng)用的發(fā)展進入了一個鼎盛時期5，各種水泥漿材相繼問世，水泥作為灌漿材料，具有強度高、耐久性好、無

8、毒、無味、材料來源方便、成本低等優(yōu)點，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。上個世紀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重要因素。從那時起，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行灌漿試驗。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 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，某些方面已達到世界先進水平。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，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、實踐，我國灌漿料的技術(shù)性能逐步提高，其各項技術(shù)性能已達到國際水平。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，超細水泥的開發(fā)克服了水泥漿材難以滲入較細(0.6mm)顆粒巖土層中的缺點，并具有水泥漿材和化學(xué)漿材的優(yōu)點，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。但是目前我國超細水泥價格較貴，另外對超細水泥的滲透機理還有待進一步研究。2水泥基灌漿料特性的物理化學(xué)性質(zhì)高自流性：現(xiàn)場只需加水攪拌即可，使用不需要振搗便可自動填充所需灌注空隙：不泌水、不分層。早強高強：一天強度最高可達50MPa以上，設(shè)備安裝一天后即可運行生產(chǎn)。微膨脹性：粘結(jié)強度高。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，有較強的抗沖刷性，可用于海港污水處理廠等工程?？褂蜐B性：在機油中浸泡30天后其強度可以提高10%以上，耐久性本產(chǎn)品屬無機灌漿材料不老

12、化對鋼筋無銹蝕200萬次疲勞試驗50次凍融循環(huán)試驗強度無明顯變化。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、高強度、自密實、施工方便等特點。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)嚴謹探討，方可使用自如。11-16水泥基灌漿料是以高強度材料作為骨料，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，水泥基灌漿料的流動性能得到改善早期強度下降顯著后期強度則變化不大。20減水劑摻量過大和過小都會影響灌漿料的工作性能并會導(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，本文主要研究高強水泥基灌漿料的性能。24-313.高性能水泥基灌漿料性能試驗3.1實驗材料水泥：安徽珍珠水泥集團股份有限公司生產(chǎn)的P. O42.5級普通硅酸鹽水泥；細骨料：安徽省鳳陽縣生產(chǎn)的石英砂，細度模數(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、試驗主要測試技術(shù)指標試驗中，根據(jù)GB/T504482008水泥基灌漿材料主要性能指標要求，重點考察了高性能水泥基灌漿料的流動度( 包括初始值和30min保留值) 豎向膨脹率抗壓強度( 包括1328d) ， 測試性能指標參考值見表1 同時試驗還重點研究了高性能水泥基灌漿料的抗折強度，并研究了流動度和強度隨加水量變化規(guī)律以及強度齡期發(fā)展的規(guī)律。表1 高性能水泥基灌漿料主要技術(shù)指標【32】流動度/mm豎向膨脹率/%抗壓強度/MPa初始值30min保留值 3h 24h 3h之差1d3d28d340 3100.13.5 0.020.5 20 40603.3試驗方法3.3.1流動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, 同時計時，到截錐內(nèi)料流(一般以透亮為準)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十分重要的指標, 它決定所灌材料能否密實填充空隙, 塑性階段的膨脹對于密實性尤為重要。灌漿料是一種高流動性材料, 澆筑后會產(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、-時間關(guān)系曲線。SHRINKAGECONE收縮測量儀是通過在漿體上放置一個激光反射薄片, 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, 以百分數(shù)表示。這是一項十分重要的技術(shù)指標, 它直接反映灌漿層起到承載作用的程度。假設(shè)強度為0MPa的灌漿料, 有效承載面只有50%, 相當于有效荷載只有35MPa?？梢娂词箯姸群芨? 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。美國標準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，與標準圖樣做比較，確定有效承載面。圖47為參照標準ASTMC1339-02繪制的有效承載面的標準圖樣。 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抗壓強度力學(xué)性能試驗, 按水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)GB/ T1767133進行，步驟如下：

19、（1）將破型時得到的6塊荷載值（從壓力試驗機讀出單位為kN）分別換算為強度值（MPa），然后計算其平均值R。（2）用0.9R和1.1R 來衡量每一塊抗壓強度值，當有小于0.9R或大于1.1R 的數(shù)值時應(yīng)剔除該數(shù)值,注意衡量時應(yīng)采用全值法，即 0.9R和1.1R 不進行修約保留全值，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)的強度值。（3）若剔除后余下不足5個數(shù)據(jù)時該組試件應(yīng)作廢，當剩下5個數(shù)據(jù)時，取這5個數(shù)據(jù)的平均值R再用0.9R和1.1R去衡量5個中的每個數(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即為本組強度。4配合比設(shè)計及主要試驗結(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進行高性能水泥基灌漿料配合比設(shè)計，試驗配合比設(shè)計見表2，工作性能主要試驗技術(shù)指標及豎向膨脹率見表334，取下鋼板后的圖形見圖81135，各齡期抗壓強度抗折強度見表4。表2 水泥基灌漿料試驗配合比設(shè)計 kg t-1配合比編號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、膨脹率主要試驗結(jié)果編號流動度/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 抗壓強度和抗折強度試驗結(jié)果編號抗壓強度/MPa抗折強度/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試驗結(jié)果分析及展望高性能水泥基灌漿料工作性能試驗結(jié)果如表3所示，水膠比W/B=0.28的拌合物較為粘稠，流動性較差，其流動度的初始值和30min保留值均不滿足規(guī)范要求水膠比W/B=0.30的拌合物流動性很好，流動度試驗產(chǎn)生了很大的流動性，并且30min之后的流動度保留值仍然很高，但拌合物存在較為嚴重的泌水現(xiàn)象。水膠比W/B=0.29的拌合物流動性較好，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的流動度影響較大，當W/B=0.28時，HPCG1的流動度已經(jīng)不滿足規(guī)范要求，拌合物粘稠，流動性較差，當W/B=0.30時，HPCG3的流動度過大，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)。當氣泡量太大時, 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, 模擬灌注條件, 試驗有效承載面, 非常有必要(4) 水膠比對于強度影響較大，W/B=0.28和W/B=0.30 的28d抗 壓 強 度 相差22.8MPa，抗折強度相3.66MPa。當W/B較為合理時，高性能水泥基灌漿料具有早期高強的特點，HPCG1和HPCG2的7d抗壓強度分別達到28d強 度的78.84%和76.88%，HPCG1和HPCG2的28d抗壓強度均超過了80MPa。參考文獻1朱衛(wèi)華，水泥

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