不同胶凝材料复配的水泥灌浆料力学性能影响分析

李佳凌 王成平

摘要：为了提升高性能水泥基灌浆料的基本性能，采用普通硅酸盐水泥和快硬性硫铝酸盐水泥进行复配，通过该方式作为高性能水泥基灌浆料的胶凝材料，并向灌浆料中加入水泥、骨料、外加剂等成分。为解决灌浆料的粒子团聚问题，利用水泥砂浆标准搅拌程序提高水泥基的强度，有利于提高水泥基灌浆料的性能。将其应用于装配式建筑领域，可降低工程施工的成本。

关键词：高性能水泥基；流动度；力学性能；性能测试

中图分类号：TU528.042+.7    文献标志码：A      文章编号：1001-5922（2023）03-0168-04

Effect of different cementitious materials on mechanicalproperties of cement grout

LI Jialing，WANG Chengping

（School of Architecture and Rail Transit，Xi an Vocational and Technical College，Xi an 710077，China）

Abstract：In order to improve the basic performance of high performance cement-based grouting material，ordinary Portland cement and fast hard sulphoaluminate cement are used as the cementing material of high performance ce? ment-based grouting material，and cement，aggregate，additives and other components are added to the grouting ma? terial. In order to solve the particle agglomeration problem of grouting material，the standard mixing procedure ofce? ment mortar is used to improve the strength of cement base，which is beneficial to improvingthe performance ofce? ment base grouting material. The cost of engineering construction can be reduced if it is applied to the field of pre? fabricated buildings.

Keywords：high-performance cement base；fluidity；mechanical properties；the performance test

随着我国经济的不断发展，使人们的生活水平得到了提升，建筑领域的建设规模越来越大。高性能水泥基灌浆料凭借自身优异的性能，被广泛应用于建筑领域，成为建筑的核心材料。水泥基灌浆料主要由水泥、骨料、外加剂等材料共同组成，可填充至带肋钢筋与套筒的空隙中，在材料中掺入水搅拌后，有利于提高灌浆料的性能，该材料可广泛应用于装配式建筑领域。

1 高性能水泥基灌浆料的试验原料与设备

高性能水泥基灌浆材料实际上是一种干混料，主要由水泥、骨料、外加剂等材料共同组成。该材料具有合理的级配，将高性能水泥基灌浆材料与水均匀混合后，可使其具有流动性强、微膨胀、不渗水以及无毒无害等特性。

1.1 高性能水泥基灌浆料的试验原材料

1.1.1 水泥

当前市场上主要采用普通硅酸盐水泥完成灌浆料的制备，仅有少量灌浆料采用硫铝酸盐水泥作为原材料。为取得更好的试验效果，许多研究人员对硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥进行复配，将其作为水泥基灌浆材料的胶凝材料。水泥为水泥基灌浆材料的核心成分，该材料的质量可直接决定灌浆料各项指标的优劣。为满足水泥基灌浆材料的性能要求，采用普通硅酸盐水泥和快硬性硫铝酸盐水泥进行复配。普通硅酸盐水泥（P·O42.5R）的化学成分可从烧失量、氧化镁、三氧化硫三方面进行分析，分析结果依次为：3.28%、1.12%、2.78%。快硬性硫铝酸盐水泥内包含6种化学成分：CaO、SiO2、Al2 O3、Fe2 O3、SO3、MgO ，6种化学成分的含量依次为：42.04%、6.58%、34.27%、1.62%、13.05%、1.25%。普通硅酸盐水泥（P. O42.5R）性能参数、42.5快硬性硫铝酸盐水泥性能参数如表1、表2所示[1-2]。

1.1.2 骨料

为保证水泥基灌浆料的质量，选用颗粒级配较好的细骨料作为水泥基灌浆料的原材料之一。细骨料内部核心成分为硅砂，其密度为2.65 g/cm3、粒径为0.075～0.55 mm、表观密度2650 kg/m3。通过对硅砂的性能指标进行分析可知，硅砂的堆积密度为1780 kg/m3、孔隙率为21%、表观密度为2650 kg/m3、吸水率为0.5%、压碎值为10%[3-4]。

1.1.3 矿物掺合料

矿物掺和料主要由硅灰、粉煤灰、矿粉以及外加剂共同组成，其中硅灰采用94级硅灰，该硅灰的密度2.26 g/cm3、比表面积22200 m2/kg、需水量比122%、28 d活性指数93%。SiO2、烧失值、碱含量、活性度（7 d）、细度指数和密度数值依次为：93%、2.5%、3.0%、120%、18500 kg/m3、2700 kg/m3，均符合规范要求。粉煤灰的表观密度为2200 kg/m3，通过对粉煤灰进行提纯，即可得到纯度为98%的粉煤灰微珠，粉煤灰的容重、含水率、细度、烧失量、MgO、SO3、Fe2O3、Al2O3、SiO2和CaO的数值依次为：548～560 kg/m3、0.1%、1.5%～4.1%、1.66%、0.80%～0.87%、0.31%、0.38%、5.21%～ 6.36%、35.68%～38.64%、50.90%～51.48%、2.5%～ 3.0%。矿粉采用 S95级矿粉，该矿粉的需水量比为96%、密度为2.85 g/cm3、比表面积456 m2/kg、28 d活性指数97%。硅粉内包含8种化学成分：SiO2、 Al2 O3、Fe2 O3、CaO、MgO 、K2 O、Na2 O 、烧失量，8种化学成分的质量分数依次为：35.1%、14.83%、1.56%、35.7%、9.8%、0.63%、0.32%、2.06%。各项性能指标均符合标准要求。

外加剂主要包括减水剂、膨胀剂、消泡剂、水，其中减水剂为08-sika vicocrete 20sp 粉末状聚羧酸高性能减水剂，该减水剂的含固量、密度、pH 值、减水率数值依次为：98%、550 g/L、6.5、35.0%，外观呈现白色粉末状。UEA 膨胀剂的外观呈现灰白色粉末状，由硫酸铝、氧化铝及硫酸铝钾等成分组成。有机硅消泡剂的外观呈现白色粉末状，由矿物油和聚乙二醇组成，其活性物质占比65%，可适用于水泥干粉砂浆的非离子表面活性剂，具有较强的稳定性。本研究为保证灌浆料性能的稳定性，选用普通自来水作为灌浆料的拌合水[5-6]。

1.2 高性能水泥基灌浆料的试验仪器与设备

在试验过程中需要用到的设备为：FA2004B 电子分析天平、JJ-5行星式水泥净浆搅拌机、 YEW-300B 型压力试验机等。对灌浆料进行注浆成型时，采用三联试模进行实现，三联试模的尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。对灌浆料进行竖向膨胀率的测量时，其试模尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。

2 高性能水泥基灌浆料的制备方法

2.1 高性能水泥基灌浆料试件的成型

试件的成型过程为：准备好试件所需原材料，将定量的灌浆料依次放入至JJ-5行星式水泥净浆搅拌机，搅拌过程中向其中加入拌合水，该拌合水应在10 s 内加完。拌合水加入完毕后，将搅拌机的搅拌速度调慢，搅拌时间为60 s，停止30 s 后调快搅拌机60 s，再停止90 s，最后快速搅拌60 s，即可得到流动性能良好的灌浆料。搅拌完毕后将其装入至尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的砂浆试模中[7-8]。

2.2 高性能水泥基灌浆料试件的养护

试件成型后，将其置于室温下养护24 h，并对试件进行拆模操作。试件的养护方式包括标准养护和自然养护，其中标准养护的温度为（20±1）℃ ，湿度为99%。自然养护的温度与试验时的空气温度一致。

2.3 高性能水泥基灌浆料流动度试验

该试验需要用到的模具为截锥圆模，其下口内径为（100±0.5）mm、上口内径为（70±0.5）mm、高为（60±0.5）mm。流动度试验包括5个步骤：

（1）选取尺寸为500 mm×500 mm 的玻璃板，将其置于水平试验台上，利用湿抹布完成搅拌锅的擦拭，在无明水的状态下进行玻璃板和截锥圆模内壁的湿润，湿润完毕后，在玻璃板的中间放置截锥圆模，在其上方覆盖湿抹布，以此防止水分的快速蒸发；

（2）将事先准备好的混合料倒入搅拌锅中，启动搅拌机，搅拌过程中向其中加入拌合水，该拌合水应在10 s 内加完，拌合水加入完毕后，将搅拌机的攪拌速度调节至150 r/min，搅拌时间为1.5 min，最后以300 r/min的速度搅拌2 min；

（3）以最快的速度将搅拌后的浆体倒入至截锥圆模内，等待浆体与截锥圆模上口相平后停止，通过刮刀将多余部分刮平，缓慢提起截锥圆模，使浆体在无扰动的情况下自由流动；

（4）测量浆体的最大扩散直径和垂直方向的直径，并计算其平均值，计算结果应精确至1 mm，精确后的数值即为流动度初始值，上述搅拌时间和测量的过程均应在6 min之内完成；

（5）将处理完毕的浆体装入至搅拌锅中，通过湿抹布盖好封口，自加水时间为26.5 min 后，重复（1）至（4），即可测试试件的流动度[9-10]。

2.4 高性能水泥基灌浆料力学性能试验

该试验需要用到棱柱体试块，其尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。试件的力学性能试验包括3个步骤：（1）采用中心加荷法在棱柱体的侧面进行抗折强度试验，该过程需要连续且均匀的加载，加载速率为（50±10）N/s，直至试件折断后即可停止加载，抗折强度 Rf 的公式为：

式中：Ff 表示的含义为施加在试件中部的破坏荷载 N；L 表示的含义为支撑圆柱间的距离，mm；b 表示的含义为试件截面的边长，mm[11-12]。

（2）试件折断后可形成2个半截棱柱体，在半截棱柱体的侧面即可进行抗压试验，该试验的加载速率为（2400±200）N/s，直至试件折断后即可停止加载，抗压强度Rc的公式为：

式中：Fc 表示的含义为试件破坏时刻的最大荷载， N；A表示的含义为受压部分面积，mm2[13-14]。

（3）3个试件为1组测定的平均值即为抗折强度，6个试件为1组测定的平均值即为抗压强度，若抗折强度和抗压强度的1组数据中存在2个数值均超过平均值的±10%，即可作废该组数据。

3 水胶比与搅拌方式对装配式建筑高性能水泥基灌浆料性能的影响

3.1 水胶比对水泥基性能的影响

水胶比是控制水泥基灌浆料性能的重要指标，合理的水胶比在一定程度上可提升水泥基灌浆料的性能，同时可增强该材料的经济效应。本研究为探究水胶比对水泥基性能的影响，将水泥基基准配方中的砂胶比设定为1∶1，并向其中掺入胶凝质量为5%的硅灰、25%的矿粉、10%的膨胀剂，其中减水剂的质量分数为0.6%，消泡剂的质量分数为0.2%，水胶比对水泥基性能的影响如表3所示。

由表2通过分析水胶比对水泥基性能的影响可知，水胶比与水泥基流动度之间呈现正比关系，随着水胶比的不断增大，可增强材料的流动度。产生该现象的主要原因是水在灌浆料中起到润滑作用，合理的水比例有利于降低混合料之间的摩擦力[15-16]。对试验样本的强度进行分析可发现，试件的水化反应速率可直接决定生产水化产物的数量，试件抗压强度测试时间为1 d 时，水化反应速率较快，其生成的水化产物增多。当试件抗压强度测试时间为3 d 时，水胶比的流动性能较好，可有效排出灌浆料搅拌过程中卷入的气泡，此时抗压强度呈现上升趋势。随着水胶比的增大，使试件内部微孔隙率逐渐增大，降低了试件的抗压强度[17-18]。

3.2 搅拌方式对水泥基性能的影响

由于灌浆料易出现粒子团聚的现象，可降低水泥基的强度。为解决该问题，采用水泥砂浆标准搅拌程序提高水泥基的强度。水泥砂浆标准搅拌程序，首先采用行星式水泥胶砂搅拌机完成混合料的搅拌；其次采用自动控制程序控制搅拌机的搅拌速度，低速搅拌30 s 后向其中加水，加水完毕后在低速搅拌30 s，高速搅拌30 s 后停止90 s 搅拌；最后对混合料进行高速搅拌，时间为60 s。全部搅拌过程均在室温为21℃的环境下进行，混合料应保持干燥状态。通过研究搅拌方式对水泥基性能的影响可知，随着搅拌时间的延长，减水剂在混合料中发挥作用，使灌浆料的流动度增大，从而增强灌浆料的水泥基强度[19-20]。搅拌手段对水泥基性能的影响如表4所示。

4 结语

为满足水泥基灌浆材料的性能要求，采用普通硅酸盐水泥和快硬性硫铝酸盐水泥进行复配，通过该方式作为高性能水泥基灌浆料的胶凝材料，并向灌浆料中加入水泥、骨料、外加剂等成分。水泥基灌浆料具有合理的级配，将其与水均匀混合后，可使水泥基灌浆料具有流动性强、微膨胀、不泌水以及无毒无害等特性。在未来发展中，应进一步研究水泥基灌浆料的多种性能差异。

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