呂 飛

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及自然災(zāi)害中被損建筑物亟需修復(fù)的需要,水泥基灌漿料被要求在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就達(dá)到要求的強(qiáng)度,而普通灌漿料已經(jīng)難以滿足這一特性,因此超早強(qiáng)水泥基灌漿料的研制已變得越來(lái)越有必要。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,在當(dāng)前一些重要工程中,早強(qiáng)型水泥基灌漿料發(fā)揮著重要作用,如我國(guó)大力推廣裝配式建筑,力爭(zhēng)用10年左右時(shí)間使裝配式建筑占新建建筑的比例達(dá)到30%,而裝配式建筑普遍采用鋼筋灌漿套筒連接技術(shù),灌漿料要求具有良好的早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹和流動(dòng)性等性能；機(jī)場(chǎng)跑道的修復(fù),需24小時(shí)后開放交通已難以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,超早強(qiáng)水泥基灌漿料的應(yīng)用可以縮短交通開放的時(shí)間；客運(yùn)專線橋梁盆式橡膠支座的安裝,要求超早強(qiáng)灌漿料8h達(dá)到20MPa以上,當(dāng)有特殊要求時(shí),常溫條件下灌漿材料2h抗壓強(qiáng)度不宜低于20MPa；同時(shí)在自然災(zāi)害中受損建筑的快速搶修以及其它需要短時(shí)間內(nèi)急需修復(fù)的工程中,超早強(qiáng)灌漿料都發(fā)揮著重要作用。關(guān)于超早強(qiáng)灌漿料,目前還沒(méi)有統(tǒng)一的定義,根據(jù)業(yè)內(nèi)的研究現(xiàn)狀,超早強(qiáng)灌漿料在加水?dāng)嚢韬髱讉€(gè)小時(shí)內(nèi)就可達(dá)到一定的強(qiáng)度,有的2h后其抗壓強(qiáng)度達(dá)到20MPa,有的甚至在1h后即達(dá)到30MPa。

1 超早強(qiáng)水泥基灌漿料的配制

超早強(qiáng)水泥基灌漿料的研究配制根據(jù)膠凝材料的不同主要集中在兩種途徑:①以硅酸鹽類水泥、硫鋁酸鹽類水泥和鋁酸鹽類水泥為主要膠凝材料,添加其它混凝土添加劑與礦物材料進(jìn)行改性。以硅酸鹽水泥為膠凝材料的灌漿料成本較低,應(yīng)用廣泛,但硅酸鹽類水泥早水化熱較大,后期體積水化收縮大,一般是通過(guò)加入早強(qiáng)劑、膨脹劑及其它外加劑來(lái)控制灌漿料早期強(qiáng)度與體積收縮。分別以硫鋁酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥為膠凝材料的灌漿料凝結(jié)速度塊,具有較高的早期強(qiáng)度以及可靠的膨脹性能,但生產(chǎn)成本較高且后期強(qiáng)度會(huì)有下降；②以硅酸鹽類水泥與硫鋁酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥復(fù)配,添加其它混凝土添加劑與礦物材料進(jìn)行改性。此類灌漿料結(jié)合了硫鋁酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥凝結(jié)硬化快、早期強(qiáng)度高、微膨脹,硅酸鹽類水泥后期強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)勢(shì)。但原料成分較復(fù)雜,配合比需經(jīng)常調(diào)整,受溫度影響較大,穩(wěn)定性差,施工使用前需進(jìn)行試配確定相關(guān)性能。硅酸鹽類水泥與硫鋁酸鹽水泥或鋁酸鹽水泥復(fù)配時(shí)會(huì)出現(xiàn)閃凝的情況,通常應(yīng)用石膏等緩凝劑控制鈣礬石生成的數(shù)量來(lái)改善復(fù)合體系的力學(xué)性能及膨脹性能。

2 超早強(qiáng)水泥基灌漿料的研究

2.1 超早強(qiáng)水泥基灌漿料的配合比研究

超早強(qiáng)水泥基灌漿料配比復(fù)雜,不同的水泥品種或不同品種水泥進(jìn)行復(fù)配,其各種添加劑、礦物摻合料的摻量配比也不同。

李嶠玲[1]選用硫鋁酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥作為復(fù)合膠凝材料,石英砂和普通河砂作為復(fù)合集料,摻入石灰促成早期生成大量鈣釩石來(lái)提高早期強(qiáng)度并產(chǎn)生微膨脹,硼酸和酒石酸作緩凝劑、碳酸鋰為早強(qiáng)劑,加入聚羧酸高性能減水劑、消泡劑,配制出2h抗壓強(qiáng)度超過(guò)20MPa的超早強(qiáng)灌漿料。確定石灰最佳摻量為2%,普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥最佳比例為2∶8,膠砂比確定為1∶1.2為宜,普通砂取代石英砂量控制在40%以內(nèi),聚羧酸減水劑最佳摻量為5%,緩凝劑硼酸和酒石酸摻量分別為0.03%、0.075%,早強(qiáng)劑碳酸鋰為0.1%。并得出結(jié)論流動(dòng)度會(huì)隨普通硅酸鹽水泥摻量的增加略有下降,隨著膠砂比的減小逐漸降低；灌漿料早期強(qiáng)度及后期強(qiáng)度均隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加而降低,隨著膠砂比的減小呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì),隨著普通砂摻量的增加而降低；干縮率會(huì)隨著普通硅酸鹽水泥摻量的增加逐漸變大,隨著膠砂比的減小而減小,干縮率與石灰摻量和普通砂摻量成反比[2,3]。

孫長(zhǎng)征等[4]利用普通硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、石膏和硅灰四元復(fù)合體系輔以多種外加劑,高膠砂比研制出初始流動(dòng)度大于325mm,30min保留值大于280mm；2h、28d抗壓強(qiáng)度分別為34.80MPa、99.90MPa,24h抗折達(dá)13.82MPa的超早強(qiáng)灌漿料,確定最佳配合比為65%-75%的高鋁水泥摻量,3%-8%的石膏摻量,3%-5%的硅灰摻量,20%-30%的42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥的摻量,膠砂比為1.0-1.5區(qū)間。

扶庭陽(yáng)等[5]利用42.5級(jí)快硬硫鋁酸鹽水泥加入研配的三種硫鋁酸鹽水泥專用復(fù)合外加劑成功制備出硫鋁酸鹽水泥膠砂,可以與普通硅酸鹽水泥膠砂很好的粘結(jié),且具有良好的抗凍性、抗硫酸侵蝕性、抗裂性、體積穩(wěn)定。通過(guò)試驗(yàn)配制出的主要成分為聚羧酸高效減水劑的復(fù)合減水劑RW飽和摻量約1.2%；由鋰鹽、鈣鹽和鋁鹽等復(fù)合而成復(fù)合早強(qiáng)劑ICCH最佳摻量在0.5%-0.6%；由硼酸鹽、鋁鹽和有機(jī)鈣鹽等復(fù)合而成復(fù)合緩凝劑BS最佳摻量為0.5%-2.0%。

2.2 外加劑對(duì)超早強(qiáng)水泥基灌漿料的性能影響

在灌漿料中摻入外加劑,可調(diào)節(jié)灌漿料凝結(jié)和硬化速率,加速或延緩凝結(jié)時(shí)間,提高灌漿料的減水或保水效果,解決泌水問(wèn)題,增強(qiáng)灌漿料的穩(wěn)定性、耐久性、防滲漏和抵抗破裂等性能,外加劑的種類和摻量不同會(huì)對(duì)灌漿料的強(qiáng)度和流動(dòng)性等的影響也不同。

仲朝明等[6]用普通硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復(fù)配,使用0-1mm石英砂為骨料,添加萘系減水劑、緩凝劑、膨脹劑、粉煤灰等材料研制出的超早強(qiáng)灌漿料成功應(yīng)用于鄭西客運(yùn)專線、京滬高鐵等高速鐵路橋梁盆式橡膠支座安裝工程中,試驗(yàn)中結(jié)論認(rèn)為硼酸與酒石酸復(fù)配可以對(duì)硅酸鹽與硫鋁酸鹽膠凝體系有較好的緩凝作用,摻入U(xiǎn)EA型膨脹劑時(shí)必須進(jìn)行濕養(yǎng)護(hù),否則開裂風(fēng)險(xiǎn)比不摻膨脹劑的還要大。

陳大川等[7]通過(guò)在硫鋁酸鹽水泥中摻加外加劑的辦法配制出超早強(qiáng)水泥膠砂,文中先通過(guò)單一組分的不同摻量對(duì)硫鋁酸鹽水泥的性能影響進(jìn)行分析得出最佳摻量范圍,然后采用正交試驗(yàn)優(yōu)選出最佳配合比聚羧酸高效減水劑、硅灰、碳酸鋰、亞硝酸鈣、納米鈣摻量分別為1.0%,4.0%,0.1%,0.5%和0.5%。試驗(yàn)得出結(jié)論：碳酸鋰對(duì)硫鋁酸鹽水泥的小時(shí)強(qiáng)度影響顯著且摻量越大對(duì)硫鋁酸鹽水泥3d強(qiáng)度影響越嚴(yán)重；少量的亞硝酸鈣對(duì)硫鋁酸鹽水泥小時(shí)強(qiáng)度有一定增強(qiáng)效果,但不明顯,且摻量越大,3d強(qiáng)度增加越顯著；聚羧酸高效減水劑在飽和摻量1.0%時(shí)可增大硫鋁酸鹽1h強(qiáng)度,但摻量大小對(duì)3d強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響；納米鈣摻量在0.1%以內(nèi)時(shí),可以一定程度提高硫鋁酸鹽水泥的1h膠砂強(qiáng)度,摻量在0.25%-0.5%時(shí),效果最明顯,但當(dāng)摻量過(guò)多時(shí)將會(huì)降低3d強(qiáng)度,少量納米鈣與硅灰組合可以有效解決泌水問(wèn)題。

于建軍等[8]探討硫酸鈉、三乙醇胺和早強(qiáng)組分A復(fù)合對(duì)超早強(qiáng)灌漿料終凝時(shí)間、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等性能與結(jié)構(gòu)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)螕饺掖及贰⒘蛩徕c和早強(qiáng)組分A最佳摻量分別為0.05%、0.8%和0.1%,超早強(qiáng)灌漿料的各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足要求。將硫酸鈉、三乙醇胺和早強(qiáng)組分A按合理比例進(jìn)行復(fù)合后摻入,超早強(qiáng)灌漿料的2h的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別提高了72.2%和79.0%,1d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別提高了69.8%和48.7%,7d抗折強(qiáng)度提高了22.4%和41%,28d的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都提高了8.0%。

丁慶軍等[9]使用硫鋁酸鹽水泥通過(guò)加入高效減水劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑及抗水分散劑研制出水下抗分散性能優(yōu)越,8h、28d水陸強(qiáng)度比都在0.85以上的水下超早強(qiáng)灌漿料。并得出硼酸的摻量增大會(huì)延長(zhǎng)初終凝時(shí)間且減小抗壓強(qiáng)度；碳酸鋰作為早強(qiáng)劑可以加速硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)水化但會(huì)降低后期強(qiáng)度；抗水分散劑羥乙基纖維素?fù)搅吭黾?抗水分散效果增強(qiáng),但會(huì)延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間并降低強(qiáng)度。

2.3 礦物摻合料對(duì)超早強(qiáng)灌漿料性能的影響

礦物摻合料是超早強(qiáng)水泥基灌漿料的重要原材料之一。礦物摻合料能改善、調(diào)節(jié)灌漿料在施工過(guò)程中的物理性能,提高灌漿料的強(qiáng)度增加灌漿料的密實(shí)度。

馬保國(guó)等[10]通過(guò)測(cè)定硫鋁酸鹽水泥凈漿的流動(dòng)性、凝結(jié)時(shí)間、水化熱、XRD和DTG分析來(lái)研究了硅灰和硫酸鋁對(duì)硫鋁酸鹽水泥水化歷程的影響。結(jié)果表明,硅灰會(huì)因其表面的成核效應(yīng)加快硫鋁酸鹽水泥水化速度,硫酸鋁會(huì)促進(jìn)硫鋁酸鹽水泥水化形成鈣釩石,從而共同縮短硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)時(shí)間同時(shí)也降低其流動(dòng)性。

張曉平等[12]研究了石膏、聚丙烯纖維對(duì)超早強(qiáng)灌漿料流動(dòng)度、終凝時(shí)間、抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度等性能的影響。結(jié)果表明：石膏可以改善超早強(qiáng)灌漿料的力學(xué)強(qiáng)度性能,在石膏摻量為5%時(shí),超早強(qiáng)灌漿料的水化速度較快,硬化漿體微膨脹,結(jié)構(gòu)致密,力學(xué)強(qiáng)度等綜合指標(biāo)最好；聚丙烯纖維摻量在0.1%以內(nèi)時(shí),其力學(xué)強(qiáng)度和抗裂性隨其摻量的增加而提高,當(dāng)其摻量大于0.15%時(shí),力學(xué)強(qiáng)度開始降低。聚丙烯纖維長(zhǎng)度在9mm以內(nèi)時(shí),其抗折強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度成正比；但當(dāng)其長(zhǎng)度超過(guò)12mm時(shí),增強(qiáng)效果會(huì)略有下降。

2.4 溫度對(duì)超早強(qiáng)水泥基灌漿料性能的影響

超早強(qiáng)水泥基灌漿料根據(jù)需要會(huì)用于不同溫度環(huán)境下的工程中。因此要求灌漿料具備良好的低溫溫度適應(yīng)能力和高溫耐火性能。

仲朝明等[13]使用快硬硫鋁酸鹽水泥研制出的CGM-6搶修料,經(jīng)過(guò)200次凍融后抗壓強(qiáng)度損失1.2%,300次凍融后抗壓強(qiáng)度損失2.9%；隨著環(huán)境溫度的降低1h抗壓強(qiáng)度也會(huì)降低,但只要保證初始溫度不低于20℃,即使-30℃環(huán)境溫度下1h抗壓強(qiáng)度也能達(dá)到20MPa以上。

張曉平等[14]對(duì)超早強(qiáng)灌漿料的耐火性能進(jìn)行了研究,試驗(yàn)中利用不同比例的鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥復(fù)配超早強(qiáng)灌漿料,然后進(jìn)行不同溫度下燃燒30min,分析其耐高溫機(jī)理,結(jié)果表明鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥的配比為1∶7時(shí),1000℃高溫中30min燃燒后殘留54.7%的抗壓強(qiáng)度,且殘留抗壓強(qiáng)度與溫度有較好的擬合關(guān)系,具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

張琪[15]研究了溫度變化對(duì)超早強(qiáng)灌漿料強(qiáng)度的影響,作者采用正交試驗(yàn)來(lái)研究溫度變化對(duì)超早強(qiáng)灌漿料立方體抗壓強(qiáng)度的的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明隨著溫度的升高在600℃左右,試塊的抗壓強(qiáng)度有不同程度的上升趨勢(shì),在600℃-800℃之間,試塊的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì),且在800℃的高溫?zé)崽幚砗?各配比的超早強(qiáng)灌漿料試塊的抗壓強(qiáng)度仍能保持室溫時(shí)的50%左右。

3 結(jié)語(yǔ)

在現(xiàn)今一些重要工程中以及重大搶修工程中,超早強(qiáng)水泥基灌漿料體現(xiàn)出比普通灌漿料較好的優(yōu)越性,因此對(duì)超早強(qiáng)水泥基灌漿料的研究變得越來(lái)越有必要。如今超早強(qiáng)灌漿料仍存在一些缺陷如：其性能受施工季度、溫度變化的影響大,不具備較強(qiáng)的適應(yīng)性及較好的穩(wěn)定性；灌漿料原料及外摻料較復(fù)雜,容易導(dǎo)致其生產(chǎn)成本高和性能不穩(wěn)定,難以滿足經(jīng)濟(jì)效益和性能的要求；又因施工中對(duì)不同膠凝體系的超早強(qiáng)灌漿料的指標(biāo)要求也不一樣,沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,導(dǎo)致超早強(qiáng)灌漿料的性能不一。今后的超早強(qiáng)灌漿料應(yīng)向操作簡(jiǎn)便、成本低、環(huán)境友好型、適應(yīng)性強(qiáng)的方向發(fā)展,這也是當(dāng)前早強(qiáng)灌漿料領(lǐng)域的重要研究課題。在調(diào)整膠砂比、水膠比、細(xì)集料顆粒級(jí)配的基礎(chǔ)上加入一定量的外加劑和摻和料,調(diào)整流動(dòng)度、膨脹率、凝結(jié)時(shí)間和力學(xué)性能等指標(biāo),減少配比的復(fù)雜性,使其性能更加穩(wěn)定且不易受施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及溫度的影響。

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