早强剂对微膨胀注浆料早期力学性能的影响研究

殷璐，侯维红，吴文选，黎超，叶显

（武汉源锦建材科技有限公司，湖北 武汉 430083）

0 引言

微膨胀注浆料是以普通硅酸盐水泥、超细掺和料、聚羧酸减水剂、微膨胀剂及骨料等为主要成分，经均匀复合而成，具有良好的流动性和可泵送性，浆体匀质性好，且早期体积微膨胀与衬砌混凝土具有良好的结合性能，保证了隧道初期支护与二次衬砌之间的密实填充[1]。主要适用于新建隧道衬砌背后脱空，衬砌厚度不足部位的处理。通过在衬砌背后进行充填压浆，不仅可以充填由于混凝土浇筑不饱满形成的空腔，使初期支护和二次衬砌密贴共同受力，而且可以填塞由于混凝土不密实或开裂形成的缝隙，封堵地下水而起到防水作用[2-3]。为满足施工，要求微膨胀注浆料在90min后仍具有高流态，又要求试件养护至12 h能够有初期力学强度，与混凝土强度发展相匹配。因此，选择合适的早强剂对材料的应用效果至关重要。

1 试验

1.1 原材料

水泥：武汉华新P·O52.5水泥，主要性能指标如表1所示。河砂：特细砂，连续级配，细度模数0.85。早强剂：甲酸钙，市售，工业级，相对密度2.023（20℃），纯度≥98.0%；硫酸钠及硅酸钠：市售，化学纯。微珠粉：深圳道特科技有限公司生产，堆积密度≥700kg/m3，SiO2含量≥50%。减水剂：江苏兆佳建材科技有限公司生产的ZJ-PC8010型聚羧酸高效减水剂，减水率25%。消泡剂：江苏兆佳建材科技有限公司生产的D130型有机硅类消泡剂，有效固含量≥98%。膨胀剂：武汉善达化工有限公司生产的AC7000塑性膨胀剂，纯度≥97.0%。

表1 水泥的主要性能指标

1.2 试验方法

参照GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行试验、成型及养护，并测试其抗压、抗折强度。微膨胀注浆料的基准配合比见表2，固定水料比为0.2。

表2 微膨胀注浆料的基准配合比 %

2 结果与分析

2.1 早强剂种类对微膨胀注浆料早期力学性能的影响

固定早强剂掺量（按占注浆料质量计）为0.4%，早强剂种类对微膨胀注浆料12 h、1 d、3 d、7 d力学性能的影响见表3。

表3 早强剂种类对微膨胀注浆料早期力学性能的影响

由表3可知，掺甲酸钙和硅酸钠的注浆料12h均无强度，同掺量下只有硫酸钠对注浆料12h强度有显著提高。掺3种早强剂的微膨胀注浆料在3d内抗压强度均快速增长，3～7d抗压强度增长趋于平缓，并且同掺量下硫酸钠组各龄期强度均略高于其它2组，而硅酸钠对注浆料早期抗压强度贡献最小。3种早强剂对注浆料早期抗折强度的影响规律与对抗压强度的影响规律一致。

随着养护龄期的延长，掺3种早强剂的微膨胀注浆料折压比均逐渐降低，说明养护龄期越长，注浆料的韧性越小。养护龄期为1d时，掺硫酸钠的注浆料折压比最小。而随着养护龄期的延长，硫酸钠组注浆料折压比下降幅度较小，因而3d和7d其折压比要略高于甲酸钙组和硅酸钠组。

由此可知，早强剂种类对微膨胀注浆料的早期力学强度具有明显影响，且硫酸钠能够显著提高微膨胀注浆料的力学强度，甲酸钙次之，而硅酸钠对微膨胀注浆料的早期强度影响不大。这主要是因为硫酸钠是强电解质，能够增加浆体中离子浓度。在水泥基体系中掺入硫酸钠，其首先与水化产物氢氧化钙反应生成硫酸钙和氢氧化钠，又因硫酸钙粒径较小，可与铝酸三钙迅速发生进一步反应生成水化硫铝酸钙晶体，同时氢氧化钠可以使水泥基体系中碱性增大，使铝酸三钙和石膏的溶解度增大，进而提高体系中硫铝酸钙的数量[4-5]。

2.2 早强剂掺量对微膨胀注浆料早期力学性能的影响

由上述试验可知，硫酸钠能够显著提高微膨胀注浆料的早期力学强度。因此，主要考察硫酸钠作为早强剂对微膨胀注浆料早期力学强度的影响，设计硫酸钠掺量分别为注浆料质量的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%，对微膨胀注浆料早期力学性能的影响见表4。

表4 早强剂掺量对微膨胀注浆料早期力学性能的影响

由表4可知：

（1）随着硫酸钠掺量的增加，微膨胀注浆料各龄期抗压强度及抗折强度均呈现逐渐提高的趋势。硫酸钠掺量由0.2%增大到0.4%时，注浆料的12h和1d抗压强度均有明显提高。但随着硫酸钠掺量提高到0.4%～0.8%，注浆料早期抗压强度的增长趋于平缓。

（2）硫酸钠掺量的提高对注浆料抗折强度的影响规律与对抗压强度的影响规律一致。

（3）随硫酸钠掺量的增加，注浆料的折压比逐渐减小，说明硫酸钠的掺入使注浆料的脆性增大。当硫酸钠掺量低于0.6%时，随着养护龄期的延长，其掺量越大，注浆料折压比减小幅度越小。

这是因为，硫酸钠的掺入及掺量的增加，导致微膨胀注浆料体系内部早期水化产物生成速率较快，使水化产物相互搭接和联结成水泥石结构分布不均匀，从而影响注浆料的力学强度发展[6]。因此，选取硫酸钠作为早强剂时，当硫酸钠掺量高于0.4%时，掺量的增大对于注浆料早期强度的提高不明显。

3 结论

（1）在相同掺量的条件下，相对于甲酸钙和硅酸钠，硫酸钠能够明显提高微膨胀注浆料的力学强度，尤其对注浆料12h力学强度影响显著，抗压强度为4.6MPa，抗折强度为1.7MPa。

（2）随着养护龄期的延长，掺3种早强剂的注浆料折压比均逐渐减小，导致材料韧性逐渐变小。

（3）随硫酸钠掺量的增加，微膨胀注浆料的早期力学强度呈现逐渐增大的趋势，当硫酸钠掺量为0.8%时，微膨胀注浆料力学强度达到最大。

（4）随硫酸钠掺量的增加，注浆料的折压比逐渐减小，其脆性增大。