高強灌漿料的配制及其性能研究

周艷華

(合肥經濟技術職業學院 建筑工程系,安徽 合肥 230031)

0 引言

灌漿料是以高強度的原料作為骨料,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混料[1]。灌漿料具有快硬、高強、無收縮、微膨脹、自密性好和防滲等良好特點[2]。高強的水泥基灌漿料的配制原理是基于密實堆積的理論[3]。通過使用比較小的顆粒來添補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,為達到這一目標,不妨通過提高灌漿的原材料性能來實現[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,從而加強密實度,使強度有所提升[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,摻入礦物超細粉,使得一部分的礦物超細粉的玻璃體構造占據充水的空間,把絮凝結構中的水分釋放出來,使漿體流動性得以改善[8]。超細粉還與水泥粒子產生靜電斥力作用,加大了漿體粒子的分散效果,使流動性得到增強[9]。目前,國內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。通過響應面分析方法對各個組成材料的性能進行試驗分析,得到高強水泥基灌漿料的最優配比設計。同時采用微觀形貌分析與能譜分析,表征不同養護時間下高強灌漿料凝固后的性能。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

試驗材料包括: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)

試驗設備包括:掃描電子顯微鏡(S4700,日本日立公司);壓力試驗機(YAW4206,MTS系統(中國)公司);水泥膠砂攪拌機(JJ-5型,上海雷韻試驗儀器制造有限公司);水泥膠砂流動度跳桌(NLD-3,河北大宏實驗儀器有限公司);電子秤(HCE2006,上?；ǔ睂崢I有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1灌漿料的制備

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

表1 初步設定配合比表

1.2.2響應面試驗設計

在前期預實驗基礎上,選定對高強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設計3因素3水平響應面試驗,考察灌漿料凝固后的抗壓強度(y),共有15個試驗點,其中3個為零點,用于估計誤差。試驗因素與水平編碼見表2。

表2 響應面因素水平表

1.2.3灌漿料的性能測試

1)流動度試驗。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用技術規范中的要求完成,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。采用壓力試驗機按照GB/T 50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》測試灌漿料凝固后的抗壓強度。測試前需要對灌漿料進行注模,試驗的模具尺寸是:40 mm×40 mm×160 mm;靜置24 h后成型、養護、拆模。再將試塊放在常溫條件下(20 ℃)進行養護,直到達到規定的齡期,再進行強度測試。

3)微觀形貌測定。采用掃描電子顯微鏡對養護后(1 d,3 d和28 d)的樣品進行微觀形貌觀測,并進行能譜掃描。儀器參數設置為:電壓20 kV,放大倍數3 000倍(10 μm)。

2 結果分析

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度的影響,分別調節礦粉的摻量(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,試驗結果見表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準要求(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關系。

2.1.2各組分對灌漿料抗壓強度的影響

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

綜上所述,PII52.5硅酸鹽水泥對灌漿料的抗壓強度有著決定性的影響,隨著PII52.5硅酸鹽水泥摻量的增加,灌漿料的抗壓強度也逐步增加;水的摻量也影響著灌漿料的抗壓強度,水的摻量越多,灌漿料的抗壓強度就會越低。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 響應面分析結果

2.2.1回歸模型結果

通過響應面試驗設計,并對試驗數據進行方差分析,得到響應面結果,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度具有不顯著性差異(P>0.05).

表5 響應面試驗結果

利用Design Expert 8.0軟件對響應面結果進行優化,去除不顯著性,得到各個影響因素與響應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度;但當礦粉含量>140 g時,隨著礦粉含量的增加,灌漿料凝固后的抗壓強度降低,這主要是因為大量的礦粉減少了灌漿料的泌水量,容易出現分層現象,從而降低其抗壓強度。當礦粉含量一定時,隨水含量的增加抗壓強度增大,當水含量>168 g時,灌漿料中水含量過大,凝固體的含量較大,導致抗壓強度降低。通過Design Expert 8.0軟件對回歸方程進行求解,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。采用該配方進行灌漿料制備的混凝土28 d后抗壓強度達133.4 MPa。

圖1 礦粉含量與水含量交互作用響應面圖

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

為了檢驗灌漿料的耐久性能和耐化學腐蝕性能,分別進行氫氧化鈉和硫酸鹽侵蝕的試驗。灌漿料采用最佳配方進行配置,對照組在室溫條件下養護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,然后在室溫下養護至56 d。試驗結果如圖2所示。

圖2 氫氧化鈉和硫酸鹽侵蝕的試驗結果

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侵入硫酸鈉養護56 d的抗壓強度基本上都要比標準條件下養護56 d的抗壓強度大,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護期的SEM圖和能譜圖。

圖3 灌漿料不同養護期的SEM圖

圖4 灌漿料不同養護期的能譜圖

由圖3可知,灌漿料由1 d到28 d,孔隙逐漸減少,結構發生明顯變化,更加緊密。這使灌漿料具有穩定的后期強度。

由圖4可知,隨著養護期的增加,水化硅酸鈣的鈣硅比越低,灌漿料的強度越高,耐久性越好,結構密度在逐步提高。

3 結語

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,配制高強水泥基灌漿料,通過試驗得到以下結論:采用PII52.5硅酸鹽水泥可以更好地達到灌漿料應用技術規范的要求,抗壓強度達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性。通過Design Expert 8.0軟件對回歸方程進行求解,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。采用該配方進行灌漿料制備的混凝土28 d后抗壓強度達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腐蝕性和耐久性,鈣硅比是影響混凝土耐久性的主要因素。