内隔墙板用灌浆材料组成设计研究

贾仁甫，钱清华，严帅帅

（扬州大学建筑工程学院 绿色建筑材料研究所，江苏 扬州 225127）

0 引言

水泥基灌浆材料为将水泥、矿物掺合料、细骨料及外加剂在工厂按一定比例混合，在施工现场加入水及相关外加剂等组分均匀拌合后，用于螺栓锚固、结构加固及预应力孔洞等灌浆的材料[1]。由于灌浆材料具有流动性高、早期强度高、微膨胀、耐久性能好等优点，广泛应用于装配式建筑（节点连接灌浆）、地下工程（挡土墙灌浆）、采用预应力的工程（预应力孔洞灌浆）等多种领域。

对于灌浆材料的力学性能，李世元[2]对装配式建筑钢筋套筒灌浆材料进行了研究，研究表明，由于多余的自由水挥发形成毛细孔隙，在一定范围内，水胶比的增大会降低灌浆材料的强度。但过低的水胶比会使水泥无法完全水化，也会影响其强度。对于灌浆材料的工作性能，徐长伟等[3]对装配式建筑用灌浆材料的组成进行了研究，研究表明水灰比的增大会提高流动度。贾雪丽[4]对高性能水泥基灌浆材料的制备与性能进行了研究，研究发现过高的水胶比会导致灌浆材料离析泌水。对于灌浆材料的膨胀性能，吕代江[5]对装配式建筑钢筋套筒灌浆材料进行了研究，研究表明塑性膨胀剂补偿了早期收缩，AEA膨胀剂补偿了硬化后的收缩。贾雪丽[4]的研究表明，膨胀剂的加入优化了灌浆材料的孔结构，使其抗冻性、耐久性及体积稳定性提高。李宗阳[6]对装配式建筑灌浆材料进行了研究，研究表明细骨料的加入有利于保证灌浆材料的体积稳定性。

本文通过试验研究缓凝剂、水胶比、胶砂比、掺合料种类和掺量、膨胀剂对灌浆材料的流动度、力学性能、竖向膨胀率的影响，设计内隔墙板用Ⅱ类水泥基灌浆材料，目标性能如表1所示。

表1 水泥基灌浆材料主要性能指标

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

水泥，P·O42.5级普通硅酸盐水泥，表观密度3100 kg/m3，扬州绿扬水泥厂生产。粉煤灰，Ⅰ级粉煤灰，表观密度2200 kg/m3，南京共创防腐保温有限公司生产。矿渣粉，S95级，表观密度2900 kg/m3，泰州生产。膨胀剂，拓达建材生产。砂，中砂，密度2604 kg/m3，扬州近郊生产。缓凝剂，葡萄糖酸钠，工业级，吴江市华誉化工有限公司生产。减水剂，聚羧酸减水剂，含固量30%，西卡集团生产。拌合用水，符合JGJ63-2006[7]的规定。

1.2 试验方法

灌浆材料的制备、成型、截锥流动度试验参考GB/T50448-2015[1]；抗折、抗压强度试验参考GB/T17671-1999[8]；凝结时间试验参考GB/T1346-2011[9]；竖向膨胀率试验参考GB/T50448-2015[1]、GB50119-2003[10]。

2 结果与讨论

2.1 缓凝剂掺量

水胶比0.28、胶砂比1:1、粉煤灰掺量20%、减水剂掺量1.0%、缓凝剂掺量0.5‰～2.5‰设计配比，研究缓凝剂掺量对灌浆材料的影响，试验结果如图1～图3所示。

图1 不同缓凝剂掺量的灌浆材料抗折强度

图2 不同缓凝剂掺量的灌浆材料抗压强度

图3 不同缓凝剂掺量的灌浆材料流动度

由图1、图2可知，缓凝剂掺量对灌浆材料早期的抗折、抗压强度影响较大，在0.5‰～2.5‰范围内，随着缓凝剂掺量的增加，1 d强度明显降低，掺量大于2.0‰时，灌浆材料1 d无法完全硬化，缓凝效果明显。缓凝剂试验掺量范围内，灌浆材料3 d抗压强度略有降低，28 d强度变化规律不明显。由图3可知，在0.5‰～2.5‰范围内，随着缓凝剂掺量的增加，截锥流动度随之增加，且30 min流动度经时损失逐渐减小。

综合上述分析，缓凝剂掺量为0.5‰时，灌浆材料的凝结时间、流动度和抗压强度满足要求，因此选择缓凝剂掺量为0.5‰。

2.2 水胶比

水胶比0.24～0.32、胶砂比1:1、粉煤灰掺量20%、减水剂掺量1.0%、缓凝剂掺量0.5‰设计配比，研究水胶比对灌浆材料的影响，测试结果如图4～图6所示。

图4 不同水胶比的灌浆材料抗折强度

图5 不同水胶比的灌浆材料抗压强度

图6 不同水胶比的灌浆材料流动度

由图4、图5可知，水胶比0.24～0.32时，随着水胶比的增大，灌浆材料各龄期抗折、抗压强度降低，1 d强度降低最为显著。由图6可知，随着水胶比增大，流动度显著增加。水胶比为0.28时，灌浆材料的流动度和抗压强度均满足要求，灌浆材料浆体更加均匀，适宜自流平成型，因此选择水胶比为0.28。

2.3 胶砂比

水胶比0.28、胶砂比1:0.5～1:1.5、粉煤灰掺量20%、减水剂掺量1.0%、缓凝剂掺量0.5‰设计配比，研究胶砂比对灌浆材料的影响，试验结果如图7～图9所示。

图7 不同胶砂比的灌浆材料抗折强度

图8 不同胶砂比的灌浆材料抗压强度

图9 不同胶砂比的灌浆材料流动度

由图7、图8可知，胶砂比1:0.5～1:1.5时，随着胶砂比的提高，抗折、抗压强度先增大后减小，胶砂比1:1时灌浆材料1 d抗压强度最高，胶砂比1:0.75时3 d和28 d强度最高。由图9可知，胶砂比1:0.75时流动度达最大。但由于流动度过大，浆体匀质性差，且由于砂含量低，体积稳定性难以保证。

综上，胶砂比为1:1时，灌浆材料的流动度和抗压强度满足要求，因此选择胶砂比为1:1。

2.4 掺合料种类与掺量

基于上述试验结果，在水胶比0.28、胶砂比1:1、缓凝剂掺量0.5‰的基础上，研究矿渣、粉煤灰及两者复掺使用对灌浆材料的影响。

2.4.1 单掺粉煤灰

水胶比0.28、胶砂比1:1、粉煤灰掺量0%～20%、减水剂掺量1.0%、缓凝剂掺量0.5‰设计配比，研究粉煤灰掺量对灌浆材料的影响，试验结果如图10～图12所示。由图10、图11可知，粉煤灰掺量0%～20%时，随着粉煤灰掺量的增加，灌浆材料各龄期抗折、抗压强度降低。由图12可知，粉煤灰对灌浆材料的流动度影响较小，初始流动度在350～360 mm之间波动。

图10 单掺粉煤灰的灌浆材料抗折强度

图11 单掺粉煤灰的灌浆材料抗压强度

图12 单掺粉煤灰的灌浆材料流动度

综上，粉煤灰掺量15%时，灌浆材料的流动度和抗压强度满足要求，因此选择粉煤灰掺量15%作为后续试验的掺量。

2.4.2 单掺矿渣

水胶比0.28、胶砂比1:1、矿渣掺量0%～20%、减水剂掺量1.0%、缓凝剂掺量0.5‰设计配比，研究矿渣掺量对灌浆材料的影响，试验结果如图13～图15所示。

图13 单掺矿渣的灌浆材料抗折强度

图14 单掺矿渣的灌浆材料抗压强度

由图13、图14可知，在0%～20%范围内，随着矿渣掺量的增加，灌浆材料1 d抗折、抗压强度降低，但与单掺粉煤灰相比，降幅不明显。且灌浆材料3 d、28 d抗折、抗压强度先减小后增大，掺量15%时强度最低。由图15可知，随着掺量的增大，初始流动度先增大后减小，掺量10%达到最大。

图15 单掺矿渣的灌浆材料流动度

综上，矿渣掺量为20%时，灌浆材料的流动度和抗压强度满足要求，因此选择矿渣掺量20%作为后续试验掺量。

2.4.3 复掺粉煤灰和矿渣

水胶比0.28、胶砂比1:1、粉煤灰：矿渣=0%:20%～20%:0%（且总掺量20%不变）、减水剂掺量1.0%、缓凝剂掺量0.5‰设计配比，试验结果如图16～图18所示。

图16 复掺粉煤灰和矿渣的灌浆材料抗折强度

图17 复掺粉煤灰和矿渣的灌浆材料抗压强度

由图16、图17可知，在掺合料总掺量保持20%不变的情况下，随着粉煤灰比例的提高，0%:20%～5%:15%的强度降幅明显。由图18可知，复掺掺合料的改变对流动度影响不明显，初始流动度在370～380 mm波动。

图18 复掺粉煤灰和矿渣的灌浆材料流动度

综上，粉煤灰：矿渣为10%:10%时，灌浆材料的流动度和抗压强度满足要求，因此选择粉煤灰：矿渣为10%:10%作为后续试验的复掺比例。

2.5 膨胀剂

水胶比0.28、胶砂比1:1、粉煤灰：矿渣=10%:10%且总掺量20%、膨胀剂掺量0.0%～8.0%设计配比，研究膨胀剂对灌浆材料的影响。由于膨胀剂的加入，需要增加减水剂与缓凝剂的掺量，提高灌浆材料的工作性能，便于其成型。图19～图21为膨胀剂掺量不同时灌浆材料的测试结果。

图19 不同膨胀剂掺量的灌浆材料抗折强度

由图19、图20可知，膨胀剂0%～8%，随着膨胀剂掺量的增加，灌浆材料1 d、3 d强度显著降低，膨胀剂4%～8%时，早期强度较小，且体积稳定性较差，试件体积增大明显，气孔明显增多，不适宜作为灌浆材料使用。由图21可知，膨胀剂1.5%～8.0%时，随着膨胀剂掺量增加，流动度减小，且缓凝剂掺量相应增加，30 min流动度经时损失减小。膨胀剂掺量为1.5%时，灌浆材料的流动度、抗压强度及竖向膨胀率满足要求，因此选择膨胀剂掺量1.5%对应的QHG7.6配合比为灌浆材料的最优配比，见表2、表3。

图20 不同膨胀剂掺量的灌浆材料抗压强度

图21 不同膨胀剂掺量的灌浆材料流动度

表2 灌浆材料最优配合比

表3 最优配比灌浆材料的性能

3 结论

本实验范围内，灌浆材料试验结果如下：

（1）水胶比0.24～0.32时，随着水胶比的增大，灌浆材料流动度增大，各龄期压强度降低，胶砂比1:0.5～1:1.5时，灌浆材料的流动度和强度随胶砂比提高先增大后减小。

（2）单掺粉煤灰0%～20%时，随着粉煤灰掺量的增加，灌浆材料各龄期压强度降低；单掺矿渣0%～20%时，随着矿渣掺量的增加，灌浆材料1 d强度降低，但后期强度增加；粉煤灰与矿渣复掺使用时，随着粉煤灰比例的增加，灌浆材料强度降低。

（3）缓凝剂0.5‰～2.5‰时，随着缓凝剂掺量增加，流动度增大，30 min流动度经时损失减小，早期强度降低；膨胀剂掺量1.5%～8.0%时，随着膨胀剂掺量增加，流动度减小，早期强度降低。

（4）最优灌浆材料配合比为水泥：粉煤灰：矿渣：膨胀剂=78.5%:10%:10%:1.5%（占胶材总量的比例）、胶砂比1:1、水胶比0.28，初始和30 min截锥流动度分别为390 mm、350 mm，1 d、3 d、28 d抗压强度分别为 28.7 MPa、42.0 MPa、70.5 MPa，3 h和24 h竖向膨胀值分别为2.792 mm、2.362 mm。