摘要：本文從流動(dòng)性、豎向膨脹率、抗壓強(qiáng)度、有效承載面（EBA）4個(gè)方面，采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，系統(tǒng)分析了CGM系列水泥基灌漿材料與其他三種水泥基灌漿材料的性能優(yōu)劣。試驗(yàn)結(jié)果表明，CGM水泥基灌漿材料是一種綜合性能優(yōu)良的高性能灌漿料。文中還提出了作為高性能灌漿料應(yīng)具備的性能指標(biāo)。
關(guān)鍵詞： CGM 高性能水泥基灌漿材料 有效承載面（EBA）
水泥基灌漿材料（簡(jiǎn)稱灌漿料，下同）是由水泥、集料、外加劑和礦物摻和料等原材料經(jīng)工廠化生產(chǎn)的干混料，加水拌合均勻后具有高流動(dòng)性、不離析、微膨脹等良好工藝特性及硬化快、早強(qiáng)高強(qiáng)等性能特點(diǎn)，因此水泥基灌漿材料有著廣泛的應(yīng)用，確保了設(shè)備安裝、改擴(kuò)建工程、加固工程的精度和質(zhì)量，延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，簡(jiǎn)化了施工工藝，加快了施工進(jìn)度。與細(xì)石混凝土相比，該材料的高強(qiáng)、高流動(dòng)性和微膨脹的特性得以充分的發(fā)揮。
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)灌漿料的廠家很多，質(zhì)量參差不齊。中冶集團(tuán)建筑研究總院是國(guó)內(nèi)最早研究和規(guī)模生產(chǎn)灌漿料的單位，其生產(chǎn)的CGM系列高強(qiáng)無(wú)收縮灌漿料，在國(guó)內(nèi)外具有很高的知名度。根據(jù)近十幾年來(lái)的工程應(yīng)用情況，我們對(duì)產(chǎn)品性能不斷進(jìn)行改進(jìn)，技術(shù)含量不斷提高，現(xiàn)在已研制出更高性能的CGM新型系列灌漿料，該系列灌漿料對(duì)水的適應(yīng)性好，流動(dòng)度大，適度的塑性膨脹與硬化后膨脹，有效承載面高，因而具有更高的使用性能。下面從流動(dòng)性、豎向膨脹率、有效承載面、抗壓強(qiáng)度四個(gè)方面，詳細(xì)介紹CGM灌漿料的性能。
1 流動(dòng)性
灌漿料是一種高流動(dòng)性材料。測(cè)量灌漿料流動(dòng)度的方法，是依據(jù)《水泥基灌漿材料施工技術(shù)規(guī)程》YB/T9261-98，將拌合料倒入砂漿跳桌用圓截錐試模，提起試模讓灌漿料自流，到流動(dòng)停止后測(cè)量流開(kāi)料的直徑。
國(guó)外采用讀秒的方法較多。如日本資料介紹，用上口直徑70mm，下口直徑14mm，高400mm的圓截錐體，堵住下口，在其中注滿灌漿料，放開(kāi)下口，同時(shí)計(jì)時(shí)，到截錐內(nèi)料流完（一般以透亮為準(zhǔn)）為止。ASTM C939介紹了類似的方法。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的灌漿料，骨料粒徑一般大于2mm，不宜直接采用測(cè)定流秒的方法。
對(duì)比試驗(yàn)用灌漿料分別為FA、FB、DC，和CGM-300、CGM-340，進(jìn)行同條件試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。
作為高性能灌漿料，必須具有很好的流動(dòng)性，施工時(shí)基本不用助推等輔助措施，就能順利灌入空隙。
CGM-340型灌漿料的流動(dòng)度在340mm以上，最高流動(dòng)度可以達(dá)到350mm以上，且不泌水不離析，可以灌入很薄的空隙中。CGM-300型灌漿料的流動(dòng)度可以達(dá)到310mm以上。FA灌漿料流動(dòng)性較好，而FB和DC的流動(dòng)性能欠缺，F(xiàn)B灌漿料的初始流動(dòng)度較高，15分鐘后損失很大。當(dāng)增大用水量以增大流動(dòng)度時(shí)，出現(xiàn)泌水、離析、強(qiáng)度大幅度降低等負(fù)面效應(yīng)。
考察灌漿料的流動(dòng)性，有必要檢驗(yàn)流動(dòng)度損失，因?yàn)槭┕r(shí)并不一定攪拌后立即入模，如運(yùn)輸，或其他非預(yù)期的時(shí)間耽誤。CGM系列灌漿料具有很小的流動(dòng)度損失。但FB灌漿料，流動(dòng)度損失較大，應(yīng)用到施工時(shí)，可能因流動(dòng)度損失大而不能灌進(jìn)空隙中。一般來(lái)說(shuō)，如果30分鐘后，再重新攪拌流動(dòng)度損失很小，還可以達(dá)到280mm以上，可以滿足絕大部分的現(xiàn)場(chǎng)施工要求。
灌漿料對(duì)水的適應(yīng)性也是一項(xiàng)重要參數(shù)，用水可調(diào)節(jié)范圍越大，或者說(shuō)加水“帶寬”越大，越有利于現(xiàn)場(chǎng)施工。CGM系列灌漿料的用水量“帶寬”達(dá)2%以上。但對(duì)于DC灌漿料，推薦13.5%水料比，如果把用水量增大到14%，表面出現(xiàn)泌水，大量氣泡，而流動(dòng)度仍不到310mm，這樣的材料施工性非常差。
2 豎向膨脹率
灌漿材料的膨脹性是另一個(gè)十分重要的指標(biāo)，它決定所灌材料能否密實(shí)填充空隙，塑性階段的膨脹對(duì)于密實(shí)性尤為重要。
灌漿料是一種高流動(dòng)性材料，澆注后會(huì)產(chǎn)生較大的塑性收縮，包括沉漿收縮和失水收縮。上述收縮可能導(dǎo)致空鼓，即使后期的膨脹能夠補(bǔ)償前期的收縮，也易造成有效承載面降低。而具有塑性膨脹的灌漿料，能夠及時(shí)補(bǔ)償漿體早期收縮，甚至表現(xiàn)出正的膨脹，使得灌漿體更加密實(shí)，這樣對(duì)于增大有效承載面，確保灌漿質(zhì)量有重要意義。
圖3至圖6是FA、FB、DC和CGM-340四種灌漿料，采用SHRINKAGE CONE收縮測(cè)量?jī)x（見(jiàn)圖2），測(cè)得的豎向膨脹率-時(shí)間關(guān)系曲線。SHRINKAGE CONE收縮測(cè)量?jī)x是通過(guò)在漿體上放置一個(gè)激光反射薄片，利用非接觸式的測(cè)定方式精確測(cè)定漿體的高度變化，從而計(jì)算豎向膨脹率。
上述圖形是灌漿料典型的膨脹-時(shí)間關(guān)系曲線。有的灌漿料，灌注后其體積變化過(guò)程，是先塑性收縮，在2~4小時(shí)后膨脹，后期膨脹能夠補(bǔ)償前期的收縮，最后表現(xiàn)為正膨脹，膨脹曲線見(jiàn)圖4。有的灌漿料后期膨脹不能夠補(bǔ)償前期的收縮，如圖5所示，這種情況直接導(dǎo)致空鼓，灌漿層起不到承載作用；但如果按照《水泥基灌漿材料》JC/T986-2005[3]的豎向膨脹率測(cè)定方法，漿體先靜置2h再放玻璃板，就不能測(cè)得前期的收縮，最終膨脹率表現(xiàn)為正值。CGM-340和FA灌漿料，在加水后不到5分鐘即開(kāi)始體積膨脹，不存在塑性收縮的過(guò)程，F(xiàn)A灌漿料在3~4h后膨脹基本達(dá)到最大值，這樣能保證設(shè)備與基礎(chǔ)密切接觸，CGM-340灌漿料在4h后進(jìn)一步膨脹，能夠在地腳螺栓中產(chǎn)生一定的應(yīng)力，有利于克服后期的收縮。值得說(shuō)明的是，膨脹發(fā)生在塑性階段，結(jié)果是材料受到擠壓，填充更密實(shí)。ASTM C1109[4]標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在塑性階段膨脹，允許膨脹率最大達(dá)4.0%。
3 有效承載面
有效承載面（EBA）指設(shè)備或鋼結(jié)構(gòu)柱腳底板下面灌漿材料實(shí)際接觸底板并可傳遞受壓荷載的面積與設(shè)備或鋼結(jié)構(gòu)柱腳的底板總面積之比，以百分?jǐn)?shù)表示。這是一項(xiàng)十分重要的技術(shù)指標(biāo)，它直接反映灌漿層起到承載作用的程度。假設(shè)強(qiáng)度為70MPa的灌漿料，有效承載面只有50%，相當(dāng)于有效荷載只有35MPa?？梢?jiàn)即使強(qiáng)度很高，但有效承載面積很小，甚至根本沒(méi)有與設(shè)備底板接觸，對(duì)設(shè)備的危害很大。
美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1339-02[5]，給出聚合物灌漿料設(shè)備灌漿承載面積的測(cè)定方法。參照此方法，我們自制船型模，見(jiàn)圖7，其中上鋼板尺寸600×150mm，厚10mm；上下鋼板間隙為50mm。將拌和好的灌漿料從一側(cè)倒入，從另一側(cè)流出且流滿鋼板下部。24小時(shí)后取下鋼板，與標(biāo)準(zhǔn)圖樣做比較，確定有效承載面，見(jiàn)圖8~圖11。
圖12~圖15為參照標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1339-02繪制的有效承載面的標(biāo)準(zhǔn)圖樣。
可以看出，有效承載面差別很大。CGM-340灌漿料（用水量17%）、FB料（用水量14%）的有效承載面在95%以上，而FA灌漿料（用水量18%）、DC料（用水量13.5%）的有效承載面積很低，形成“虛接觸”，表現(xiàn)為底板下面有大量的氣泡孔穴。進(jìn)一步加大用水量，有效承載面均有一定程度的下降，F(xiàn)A料的表面基本為連續(xù)的氣泡孔穴，根本不能起到有效傳遞荷載的作用。
有效承載面的大小，主要和澆注后灌漿料的表面氣泡量和膨脹率有關(guān)。當(dāng)氣泡量太大時(shí)，灌漿層上表面有大量氣泡孔穴，直接導(dǎo)致有效承載面積太小；如果膨脹率太小，會(huì)導(dǎo)致空鼓，不僅失去了應(yīng)起的作用，還有很大的潛在危害。作為使用單位，在選擇灌漿材料時(shí)，模擬灌注條件，試驗(yàn)有效承載面，非常有必要。
4 抗壓強(qiáng)度
應(yīng)根據(jù)工程需要選擇合適強(qiáng)度的灌漿料。CGM的灌漿料28天強(qiáng)度在65MPa以上，可以滿足決大部分工程需要。幾種灌漿料的強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。
注：試體尺寸40mm×40mm×160mm，20℃標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。
5 結(jié)語(yǔ)
① 通過(guò)流動(dòng)性、豎向膨脹、強(qiáng)度、有效承載面等方面試驗(yàn)，CGM灌漿料是一種綜合性能優(yōu)越的高性能灌漿料。
?、?CGM灌漿料具有特殊的塑性膨脹性能，能夠有效克服澆注初期產(chǎn)生的塑性沉降，保證灌注密實(shí)，杜絕空鼓現(xiàn)象。
?、?CGM系列灌漿料的流動(dòng)度在300mm以上，可達(dá)360mm，工程可施工性好。
?、?考察灌漿料的性能，不能僅僅局限于流動(dòng)度、強(qiáng)度、豎向膨脹等，有效承載面是十分重要的指標(biāo)，應(yīng)該把這項(xiàng)指標(biāo)作為衡量高性能灌漿料性能的指標(biāo)之一。
⑤ 根據(jù)我公司在灌漿料領(lǐng)域多年的科研和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為新型高性能灌漿料的性能指標(biāo)如下：
流動(dòng)性：流動(dòng)度大于300mm；
抗壓強(qiáng)度：一天大于30MPa，28天大于70MPa；
膨脹性：具有塑性膨脹和硬化后膨脹，3h豎向膨脹率0.10%~3.5%，3h后膨脹率增長(zhǎng)0.02%~0.5%；
有效承載面：大于90%。
?、?CGM灌漿料的性能特點(diǎn)：塑性膨脹與后期膨脹的有機(jī)結(jié)合，有效承載面可達(dá)95%以上，保證有效傳遞荷載、高流動(dòng)度、可施工時(shí)間長(zhǎng)、早強(qiáng)高強(qiáng)、施工加水“帶寬”寬等。
參考文獻(xiàn)
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[2] 日本公路公團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)JHS312 無(wú)收縮砂漿質(zhì)量管理試驗(yàn)方法
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[5]美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C 1339-02 standard test method for flowability and bearing area of chemical-resistant polymer machinery grouts
作者簡(jiǎn)介
邵正明，男，1971年5月生，中冶集團(tuán)建筑研究總院工程材料院，高級(jí)工程師，副總工，主要從事水泥基特種干混砂漿的研究
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