正交试验下水泥基灌浆料力学试验研究

张凯峰，任慧超，耿飞，赵世冉，姚源，刘磊

（中建西部建设北方有限公司，陕西　西安　710116）

正交试验下水泥基灌浆料力学试验研究

张凯峰，任慧超，耿飞，赵世冉，姚源，刘磊

（中建西部建设北方有限公司，陕西西安710116）

本文通过正交试验及极差分析，研究了水胶比、胶砂比、粉煤灰掺量、减水剂含量以及膨胀剂对水泥基灌浆料抗折、抗压强度的影响。试验研究表明：正交试验方案能有效地找到比较好的配比方案，使得试验过程更加有效率；水胶比0.35、粉煤灰掺量10%、减水剂含量1.4%、胶砂比控制在1∶1.2时，可以得到初始流动度300mm、28d 抗折强度9.49MPa、抗压强度43.30MPa 的水泥基灌浆料。

水泥基灌浆料；正交试验；粉煤灰；抗折强度；抗压强度

0　引言

水泥基灌浆料是以水泥为基材，适量加入细骨料和其他一些掺合料、外加剂等组成的干混材料，加水拌合后具有高流动度、早强、高强、微膨胀等特性[1]。它广泛用于设备基础的二次灌浆，钢结构柱基础灌浆，轨道基础等小缝隙粘结灌浆，地铁、隧道、地下工程逆打法施工缝嵌固，地脚螺栓锚固，混凝土梁、柱、板、墙的加固修补灌浆，其他普通混凝土难以浇注的不规则死角、边角及混凝土空洞补灌修复[2-3]等。

近年来，国内也有越来越多的机构和人员对水泥基灌浆料进行了全方位的研究。冷达[4]总结了减水剂和早强剂对干粉水泥基灌浆砂浆新拌性能和力学性能的影响影响规律；徐国强[5]则通过灌浆料配比的正交试验发现硅灰等掺合料对灌浆料的流动度及抗压强度有较大影响；吴元等人[6]基于试验数据，给出了水泥基灌浆料的尺寸效应、强度转化及龄期强度的计算公式。本次试验结合正交试验方案，欲以复合硅酸盐水泥为主，探讨水胶比、胶砂比、粉煤灰掺量、减水剂含量以及膨胀剂对水泥基灌浆料流动度及力学性能的影响，进而筛选出一种强度高、经济性好的水泥基灌浆料。

1　试验原材料及正交方案

1.1试验原材料

水泥分别采用陕西某有限公司 P·C32.5R 水泥；粉煤灰采用铜川某电厂Ⅱ级粉煤灰，45μm 筛余为13.5%，需水量比为99%，烧失量为4.3%；细集料采用灞河河砂，用筛子去除2.5mm 以上颗粒，细度模数为2.1，属于 Ⅱ 区细砂，级配良好；膨胀剂为西安某外加剂厂 UEA-S 型高效混凝土膨胀剂；减水剂采用西安某建筑科技有限公司提供的聚羧酸减水剂，固含量为20%。

1.2正交方案选取

本次试验方案，为了解每个因素的影响大小，采用三个水平位级。胶砂比选取1∶1、1∶1.2、1∶1.4三种；水胶比采用0.35、0.36、0.37三种；减水剂（聚羧酸高效减水剂）采用1.2%、1.3%、1.4% 三种；膨胀剂掺量控制在10%；粉煤灰（Ⅱ级）掺量采用10%、15%、20% 三种；胶体采用定量850g，以上百分比均指胶体总量。其中水、粉煤灰、减水剂、砂试验时采用正交表格设计，正交试验表格如表1所示。

表1　正交试验设计　kg/m3

2　试验内容

2.1水泥基灌浆料流动性研究

流动度试验采用上端直径为70mm、下端直径为100mm、高为60mm 的圆台体试模，试验室温度为 (20±2)℃，按照 GB/T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》[7]规范进行试验，在搅拌结束后应立即进行测试。

2.2水泥基灌浆料抗折试验研究

水泥基灌浆料抗折试验参照 GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》[8]进行，试件尺寸为40mm×40mm×160mm，试验所用仪器为 DKZ-5000电动抗折试验机。

2.3抗压试验研究

水泥基灌浆料抗压试验以抗折强度测定后的两个断块进行抗压强度测定，试验时须用抗压夹具固定，使试件受压面积为 (40×40)mm2。试验所用仪器为华龙 WAW-1000C 微机电液伺服万能试验机，最大试验力1000kN，试验力测试范围50～1000kN。

3　结果与分析

3.1流动度测试结果

经过测试，各配合比下的流动度指标及极差分析如表2、3所示。

表2　流动度测试指标　mm

表3　流动度极差分析

由表3可知，胶砂比、水胶比对灌浆料流动度影响较大，是其最重要影响因素，减水剂含量次之，粉煤灰掺量影响最小；由表2可以看出，在1、8、9配合比下，灌浆料流动度均达到300mm 以上，在水胶比0.37，粉煤灰掺量20%，减水剂含量1.4%，胶砂比1∶1的情况下，灌浆料流动度最大能达到320mm。

3.2力学性能试验结果

灌浆料各龄期强度结果如表4所示，各龄期强度极差分析如表5、6所示，各配合比不同龄期强度发展趋势如图1、2所示。

表4　灌浆料各龄期力学试验结果　MPa

由表4、5及图1可以看出，灌浆料各配合比组抗折强度均随龄期的增大而有所增长。水胶比是影响灌浆料各龄期抗折强度的最重要因素，粉煤灰掺量、减水剂含量次之，胶砂比为最不重要影响因素。3d 时9个配合比除 P9外抗折强度均在5MPa 左右；7d 时，所有配合比组基本都在6MPa 以上，P1组甚至达到了7.34MPa；28d 时，除 P3、P9外，其余几组抗折强度均在9MPa 以上。

图1　抗折强度趋势图

图2　抗压强度趋势图

表5　抗折强度极差分析

表6　抗压强度极差分析

由表4、6和图2可以看出各配比下灌浆料的抗压强度均随龄期的增长而提高，但由极差分析可知不同龄期时各影响因素发挥的重要性有所不同。3d 时，粉煤灰掺量为最重要的影响因素，胶砂比和水胶比次之，减水剂含量影响最小；7d时，粉煤灰仍影响最大，水胶比次之，减水剂含量和胶砂比影响较弱；28d 时，粉煤灰掺量和减水剂含量影响较大，胶砂比次之，水胶比为最不重要影响因素。9组配合比抗压强度3d 龄期时均在20MPa 以上，7d 在30MPa 以上，28d 除 P5、P6外基本都在40MPa 左右，P9组抗压强度接近44MPa。另外 P1～P6在3～7d 龄期强度发展较快，7d 以后较为缓慢，P7～P9前期强度一般，但则在7d 以后仍有较好的强度发展。

综合考虑灌浆料流动性，各龄期抗折抗压强度，最终选择适合的方案为水胶比为0.35，粉煤灰掺量10%，减水剂含量1.4%，胶砂比控制在1∶1.2，膨胀剂掺量为10%。由此可得到初始流动度300mm，28d 抗折强度9.49MPa，3d、7d、28d抗压强度分别为27.93MPa、38.30MPa、43.30MPa 的水泥基灌浆。

3.3水泥基灌浆料力学性能影响因素分析

（1）试验用砂选用直径2.5mm 以下的细骨料，使得基体的缺陷减少，骨料和水泥基体之间的薄弱过渡区得到增强，同时还能够细化定向晶体结构。

（2）提高低需水量比的矿物掺合料（粉煤灰）掺量以及高效减水剂，从而在达到相同工作性能基础上减少用水量，从而降低灌浆料内部孔隙率。

（3）采用常温水养护的养护方法，最大限度抑制由于低水胶比产生的收缩。

（4）试验中10% 的 UEA-S 型高效混凝土膨胀剂，其内部含有硅铝复盐、氧化铝、硫酸钙等无机化合物，早期能与试件中的硅酸三钙、硅酸二钙等反应生成水化硅酸钙、铁铝酸四钙等胶凝产物，提高了其早期强度。

（5）粉煤灰具有三大效应，有效改善了灌浆料内部的孔结构，增大密实度，从而使灌浆料的强度有所提高。

4　结论

（1）除 P4、P5、P7组外，其他6组灌浆料流动度均在270mm 以上，其中胶砂比和水胶比对流动度影响较大，胶砂比越小，水胶比越大，流动度越大。

（2）在不同龄期时各影响因素所发挥的程度有所不同，试验过程中，粉煤灰掺量对灌浆料各龄期抗折及抗压强度均发挥着重要作用。

（3）当水胶比为0.35，粉煤灰掺量10%，减水剂含量1.4%，胶砂比控制在1∶1.2时，可以得到初始流动度300mm，28d 抗折强度9.49MPa，3d、7d、28d 抗压强度分别为27.93MPa、38.30MPa、43.30MPa 的水泥基灌浆。

[1] GB/T50448—2008．水泥基灌浆料应用技术规范[S]．

[2] 涂胜强，邹小卫．水泥基灌浆料的发展情况[J]．科技信息，2013(3)∶371-371．

[3] 朱卫华．水泥基灌浆料的发展[J]．施工技术，2009,38(6)∶76-80．

[4] 冷达，张雄，沈中林．减水剂和早强剂对水泥基灌浆材料性能的影响[J]．新型建筑材料，2008,35(11)∶21-25．

[5] 徐国强，张静．高强水泥基灌浆料配合比的正交试验研究[J]．混凝土，2015(3)∶149-151．

[6] 吴元，王凯，杨晓婧，等．水泥基灌浆料基本力学性能试验研究[J]．建筑结构，2014(19)∶95-98．

[7] GB/T2419—2005．水泥胶砂流动度测定方法[S]．

[8] GB/T17671—1999．水泥胶砂强度检验方法[S]．

［通讯地址］陕西省西安市长安区王寺西街中建西部建设北方有限公司研发中心（710116）

张凯峰（1986—），男，中建西部建设北方有限公司研发中心负责人。