摘要：水泥基灌漿材料主要應(yīng)用于地腳螺栓錨固、設(shè)備基礎(chǔ)及鋼結(jié)構(gòu)柱腳底板的二次灌漿、混凝土結(jié)構(gòu)改造、加固及后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)孔道灌漿。隨著社會(huì)需求的不斷增加，國(guó)內(nèi)外對(duì)水泥基灌漿材料進(jìn)行了很多研究，為進(jìn)一步開發(fā)更高性能的灌漿材料提供了研究基礎(chǔ)。本文通過對(duì)集料和配合比主要參數(shù)的優(yōu)選、優(yōu)化，配制出高流動(dòng)度、高強(qiáng)、超高強(qiáng)度、優(yōu)異工作性、具有微膨脹等性能而成本相對(duì)較低的高性能灌漿料。產(chǎn)品符合《水泥基灌漿材料》（JC/T986—2005）標(biāo)準(zhǔn)要求，并從工作性、強(qiáng)度、豎向膨脹率、鋼筋握裹強(qiáng)度等方面對(duì)該灌漿材料的性能進(jìn)行了較全面研究。
關(guān)鍵詞：水泥基灌漿材料；流動(dòng)度；抗壓強(qiáng)度；豎向膨脹率；鋼筋握裹強(qiáng)度
中圖分類號(hào)：TQ172.463
Research on High Capability and None Shrinkage Cementitious Grouts
Abstract:The cementitious grouts mainly applies to anchor bolt、equipment foundation and quadratic grouting of steel structure soleplate, reconstruct and consolidate of concrete structures and aperture grouting of prestressed concrete and concrete structure.With the continuously increase of social demand, the development of grouting material are attached more and more importance. Judging by the developing actuality of grouting material, according to the optimize and optimal of such main parameter as aggregate and mix proportion, this dissertation confect the high performance grouting material with high flowability, high strength, ultrahigh strength, better workability, microdilatancy, but has lower cost. The product meets the standard request of “Cementitious grout” (JC/T986—2005), and make a comprehensive research on the performance of grouting material from the following aspects: workability, strength, vertical expansivity, and bond force.
Key words: cementitious grouts; flowability; compressive strength; vertical expansivity; bond force
引言
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們對(duì)建筑的需求也不斷發(fā)展，許多已有建筑物無論是外觀狀況還是使用功能，均已無法滿足現(xiàn)代生活的要求，急需進(jìn)行加固和改造。然而，在以往加固和改造的工程中，多采用有機(jī)高分子材料，如：環(huán)氧樹脂、不飽和樹脂等，該類材料存在環(huán)保問題，低溫施工問題，焊接問題，防火問題等等問題。因此，建議在建筑物的加固和改造工程中盡可能采用無機(jī)材料代替有機(jī)高分子材料，以避免上述問題的出現(xiàn)。灌漿料的產(chǎn)生從根本上解決了以上問題，用灌漿料進(jìn)行植筋和工程加固，完全可以滿足設(shè)計(jì)、施工和使用功能的要求。
水泥基灌漿材料是一種應(yīng)用最多的材料, 它具有耐久性好、強(qiáng)度高、無毒、無污染、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外對(duì)水泥基灌漿材料進(jìn)行了很多研究，并且取得了不少的成果，為進(jìn)一步開發(fā)更高性能的灌漿材料提供了研究基礎(chǔ)。高強(qiáng)無收縮灌漿料最早是在第二次世界大戰(zhàn)中由于軍事需要而出現(xiàn)的，最早起源于美國(guó)，是為加固軍事設(shè)施而研制的一種高強(qiáng)快速凝固材料。到20世紀(jì)50年代，發(fā)達(dá)國(guó)家將其應(yīng)用于工業(yè)部門。
目前我國(guó)常用的，有代表性的灌漿材料成品有：
冶金工業(yè)部建筑研究總院（現(xiàn)中冶集團(tuán)建筑研究總院）研制的CGM高強(qiáng)無收縮灌漿材料系列產(chǎn)品。該產(chǎn)品主要是由特殊的膠凝材料、膨脹材料、高強(qiáng)骨料和多種添加劑組成，是一種具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、高流態(tài)、微膨脹和耐久性好等多種優(yōu)點(diǎn)的新型復(fù)合材料。這類材料可用于大中型設(shè)備的二次灌漿、地腳螺栓的錨固和墊板座漿，還可以用于梁柱接頭和工程修補(bǔ)等建筑施工。
FGRM超早強(qiáng)水泥基自流平灌漿料（又名FGRM超早強(qiáng)自流平灌注料）是中國(guó)建筑材料科學(xué)研究院水泥所等單位合作研制的新技術(shù)產(chǎn)品，是一種水泥基、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)的水硬性的灌漿材料，其顯著特點(diǎn)是具有超早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹和自密實(shí)、自流平的特性。并且，使用簡(jiǎn)單，可灌性好。該產(chǎn)品特別適用于緊急搶修工程，如鐵路基床病害整治；快速錨固工程；隧道灌漿堵漏工程；噴射混凝土；配制超早強(qiáng)混凝土等。
TGRM水泥基特種灌漿料是北京中鐵瑞威鐵道工程技術(shù)有限公司研制生產(chǎn)的水硬性灌漿材料，具有超早強(qiáng)、可灌性好、自密實(shí)、自找平、微膨脹的特點(diǎn)，30min期齡抗壓強(qiáng)度大于8MPa，同時(shí)具有超細(xì)和在水中不離散的特性，無氯低堿，對(duì)堿骨料反應(yīng)具有抑制作用及抗酸性腐蝕作用，比傳統(tǒng)的灌漿材料具有良好的流動(dòng)性。
以上只是列舉了幾種國(guó)內(nèi)比較常用的灌漿料，他們基本上利用水泥作為基體材料，加入不同種類的外加劑，只需加入適量水分?jǐn)嚢璩蓭Я鲃?dòng)性的灰漿即可。產(chǎn)品基本具有自流平、早強(qiáng)、微膨脹等特點(diǎn)。具有良好的施工性能、力學(xué)性能和耐久性能。
2005年，我國(guó)發(fā)布了最新的中華人民共和國(guó)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水泥基灌漿材料》（JC/T986—2005），提出“水泥基灌漿材料是由水泥為基本材料，適量的細(xì)骨料及加入少量的混凝土外加劑及其他材料組成的干混材料，加水拌合后具有大流動(dòng)度，早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹的性能”，對(duì)水泥基灌漿材料的發(fā)展指明了新的方向，對(duì)灌漿材料的性能提出了新的要求。為適應(yīng)新的市場(chǎng)需要，結(jié)合灌漿材料的發(fā)展現(xiàn)狀，本文擬采用本地現(xiàn)有的原材料開發(fā)一種具有價(jià)廉、環(huán)境友好特點(diǎn)的新型高性能水泥基灌漿材料，全面符合或超越JC/T986—2005的標(biāo)準(zhǔn)，并從流動(dòng)度、強(qiáng)度、豎向膨脹率以及鋼筋握裹強(qiáng)度等方面對(duì)該灌漿材料的性能進(jìn)行了較全面研究。
1 試驗(yàn)及結(jié)論
1.1試驗(yàn)原材料
水泥: 海螺52.5硅酸鹽水泥，主要物理性能如表1所示。
砂:采用粒徑小于4.75mm中粗砂， 0.63mm—5mm（45%）0.16mm—0.63mm（55%）進(jìn)行復(fù)摻，混合均勻，細(xì)度模數(shù)為2.72，堆積密度為1425 kg/m3。
水: 室溫自來水。
外加劑:
（1）減水劑：木質(zhì)素磺酸鹽類（木鈣、木鈉等）、多環(huán)芳香族磺酸鹽類（萘系與甲醛縮合的鹽類等）、芳香族類（聚羧酸鹽類等）；
（2）膨脹劑：UEA型干粉膨脹劑
1.2試驗(yàn)方法及內(nèi)容
流動(dòng)度:
目前我國(guó)普遍采用流動(dòng)度法考查灌漿料的流動(dòng)性能，為了滿足灌漿施工自行流動(dòng)的要求，灌漿料的流動(dòng)度必須大于240mm。如果沒有必要的流動(dòng)性能，狹小的空間是灌不進(jìn)去的，達(dá)不到飽滿填充的效果，即使其他性能再好，對(duì)灌漿工程也沒有意義。所以，灌漿料的流動(dòng)度是評(píng)價(jià)灌漿料質(zhì)量?jī)?yōu)劣的首要條件。JC/T986—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求應(yīng)當(dāng)滿足水泥基灌漿材料的初始流動(dòng)度≥260mm；30min后流動(dòng)度保留值≥230mm。
流動(dòng)度試驗(yàn)按GB 50119-2003附錄A進(jìn)行，其中截錐形圓模的尺寸改為:高度60mm±0.5mm;上口內(nèi)徑70mm±0.5mm:下口內(nèi)徑100mm±0.5mm;下口外徑120mm。每次稱取不少于2000g 的水泥基灌漿材料。
膨脹率:
為了使灌漿料硬化后，能夠獲得飽滿填充效果，灌漿料必須具有適宜的膨脹性能。灌漿料在灌漿完成后也有下沉現(xiàn)象。但是，由于它有膨脹性能，膨脹的體積能夠補(bǔ)償空隙，并且有余，填滿空隙體積后產(chǎn)生膨脹壓應(yīng)力。所以能夠密切接觸，形不成空隙。JC/T986—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求應(yīng)當(dāng)滿足水泥基灌漿材料的1d豎向膨脹率：≥0.02％。
豎向膨脹率按GB 50119-2003附錄C進(jìn)行。將水泥基灌漿材料倒入試模后2h蓋玻璃板安裝千分表讀初始值。
豎向膨脹率按下式進(jìn)行計(jì)算： 
抗壓強(qiáng)度:
在結(jié)構(gòu)加固修補(bǔ)中，一般都希望有較高的早期強(qiáng)度，以便盡早投入使用。灌漿料的1d抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于20MPa。目前，國(guó)內(nèi)常用灌漿料的抗壓強(qiáng)度指標(biāo)一般為：R1≥22MPa，R3≥40MPa，R28≥60MPa。JC/T986—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求應(yīng)當(dāng)滿足水泥基灌漿材料的抗壓強(qiáng)度：R1≥22MPa；R3≥40MPa；R28≥70MPa。
抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)按GB/T 17671-1999進(jìn)行。其中水泥基灌漿材料拌合時(shí)，采用砂漿攪拌機(jī)攪拌，砂漿攪拌機(jī)應(yīng)滿足JG/T 3033規(guī)定，攪拌時(shí)間由加水開始計(jì)算,攪拌3min。將拌合好的水泥基灌漿材料倒入試摸，不振動(dòng)。
鋼筋握裹強(qiáng)度:
無論是修補(bǔ)加固工程還是設(shè)備基礎(chǔ)灌漿要保證灌漿料與鋼筋具有足夠的握裹強(qiáng)度，才能達(dá)到一體化的目的。JC/T986—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求應(yīng)當(dāng)滿足水泥基灌漿材料的28d鋼筋握裹強(qiáng)度：≥4MPa。
鋼筋握裹強(qiáng)度按DL/T5150-2001水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程中的4.8進(jìn)行，采用(Φ20mm的光面鋼筋，鋼筋埋入長(zhǎng)度200mm. 
凝結(jié)時(shí)間:
JC/T986—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求應(yīng)當(dāng)滿足水泥基灌漿材料的初凝時(shí)間：≥120min。凝結(jié)時(shí)間試驗(yàn)采用灌入阻力法按GB/T 50080規(guī)定進(jìn)行.
泌水率:
JC/T986—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的技術(shù)要求應(yīng)當(dāng)滿足水泥基灌漿材料的泌水率：≤1.0％。泌水率試驗(yàn)按GB/T 50080規(guī)定進(jìn)行
1.3 試驗(yàn)過程及結(jié)果
膠砂比的確定： 通過針對(duì)流動(dòng)度、強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間的三大指標(biāo)的試驗(yàn)工作，初步確定基準(zhǔn)配合比。以下各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為室溫22℃時(shí)，相同條件下，兩次測(cè)定結(jié)果的平均值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖4所示： 
由圖可知： 在固定用水量，不摻入任何外加劑的情況下，膠砂比接近1：1時(shí)，流動(dòng)度達(dá)到峰值。分析原因如下：
（1）膠砂比大于1時(shí)，由于水泥的比表面積大于砂的比表面積，所以在相同質(zhì)量的水泥和砂的情況下，水泥顆粒表面所需要包裹的水要比砂多，宏觀表征流動(dòng)度下降；
（2）膠砂比小于1時(shí)，漿體保水性較差，由于泌水問題導(dǎo)致流動(dòng)度非但沒有增大，反而有下降的趨勢(shì)。
綜上，得出膠砂比為1：1時(shí)，流動(dòng)度可以達(dá)到峰值。
外加劑和水灰比的確定：
調(diào)節(jié)高效減水劑adva的摻量及相應(yīng)的用水量，使得灌漿料流動(dòng)度、強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間均達(dá)標(biāo)。試驗(yàn)如下：
由表可知：
1.在相同外加劑摻量的情況下，雖然灌漿料的水灰比越大，流動(dòng)度越大，但是強(qiáng)度卻有所下降，原因在于水泥水化需要的理論的用水量是很有限的，通常在拌和物凝結(jié)硬化后，多余的水分蒸發(fā)后在漿料內(nèi)部留下孔隙，尤其是在骨料下面，因此水灰比增大后，其強(qiáng)度出現(xiàn)下降。
2.要想達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的流動(dòng)度，水灰比和高效減水劑的摻量都有所增加。
對(duì)以上滿足流動(dòng)度要求的4、5兩組進(jìn)行試件成型，養(yǎng)護(hù)后1d抗折、抗壓數(shù)據(jù)如下：
1d強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)大于22MPa的要求。故水灰比保證在0.245以上，adva摻量保證在0.33%以上。
試驗(yàn)嘗試用木鈉和萘系減水劑復(fù)摻的方式代替聚羧酸粉劑，效果不理想：木鈉和萘系減水劑復(fù)摻法與單摻相比可提高部分減水率，但與聚羧酸類減水劑相比減水效果仍然相差甚遠(yuǎn)，較難符合本灌漿料產(chǎn)品的研發(fā)要求，導(dǎo)致相同水灰比的情況下，流動(dòng)度不能達(dá)標(biāo)；而增大用水量以保證流動(dòng)度，由于木鈉的引氣及緩凝效果又對(duì)1天強(qiáng)度產(chǎn)生較大負(fù)面影響。
因?yàn)楣酀{料還要有微膨脹的特征，所以加入U(xiǎn)EA型干粉膨脹劑（產(chǎn)品建議摻量10%），并確定水灰比及高效減水劑的摻量。 
由于膨脹劑的加入，使得水灰比和外加劑的摻量進(jìn)一步加大，對(duì)達(dá)標(biāo)的第2組進(jìn)行凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)果：表5 摻加UEA后的性能數(shù)據(jù) 
以上流動(dòng)度和抗壓數(shù)據(jù)，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求：初始流動(dòng)度≥260mm；30min后流動(dòng)度保留值≥230mm；抗壓強(qiáng)度：1d強(qiáng)度≥22MPa；3d強(qiáng)度≥40MPa；28d強(qiáng)度≥70MPa；初凝時(shí)間：≥120min。
綜上，在保證流動(dòng)度、強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間的情況下，得到灌漿料的基本配比為:
水泥：膨脹劑：砂：水：adva=450：50：500：130：0.34%
豎向膨脹率的測(cè)定結(jié)果、分析與配合比的調(diào)整
根據(jù)之前確定的配比，進(jìn)行膨脹率實(shí)驗(yàn)，整個(gè)膨脹過程如圖5所示： 
由圖可知：在開始2h—3h膨脹率為負(fù)值，表示有收縮，4h后出現(xiàn)正值，22h—24h膨脹結(jié)束，達(dá)到0.02%，開始的負(fù)值是因?yàn)樗嘤不a(chǎn)生的收縮，接著膨脹劑中的礦物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生二次反應(yīng)，生成鈣礬石晶體，是一個(gè)體積膨脹的過程。因此，摻加膨脹劑可以補(bǔ)償水泥漿硬化過程中的收縮。
由此可知，豎向膨脹率符合標(biāo)準(zhǔn)要求：1d豎向膨脹率：≥0.02％；沒有必要再對(duì)膨脹劑的摻量做任何改變，鋼筋握裹強(qiáng)度的測(cè)定結(jié)果、分析與配合比的調(diào)整 按確定配合比成型兩組，48h后拆模，28d后在萬能試驗(yàn)機(jī)上，做拔出鋼筋實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表： 
由此可知：
（1）相同條件下，灌漿料的水灰比越大，其泌水率越大；
（2）以上各配比條件下的灌漿料在攪拌后3h內(nèi)，其泌水率均不超過1%，24h內(nèi)析出的水分能被完全吸收，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求，泌水率：≤1.0％。
2.結(jié)論
綜上所述，通過室內(nèi)配合比試驗(yàn)，確定灌漿料的配比為：
水泥（海螺52.5普通硅酸鹽水泥）：膨脹劑（UEA干粉膨脹劑）：砂：水（自來水）：外加劑（高效減水劑adva粉劑）=450：50：500：130：0.34%；其各性能指標(biāo)如表8所示：
在試驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，固定用水量的情況下，膠砂比對(duì)灌漿材料的流動(dòng)度有較大影響，膠砂比過大時(shí)，水泥的比表面積大于砂的比表面積，在相同質(zhì)量的水泥和砂的情況下，水泥顆粒表面所需要包裹的水要比砂多，宏觀表征流動(dòng)度下降；膠砂比過小時(shí)，漿體保水性較差，由于泌水問題導(dǎo)致流動(dòng)度非但沒有增大，反而有下降的趨勢(shì)。
聚羧酸外加劑較適合用在低水灰比情況下產(chǎn)生較大流動(dòng)度，拌合物漿體有較好粘聚性；萘系及木鈉減水劑減水效果不及聚羧酸類減水劑，且對(duì)強(qiáng)度有較大負(fù)作用，不適合作為早強(qiáng)高強(qiáng)且高流動(dòng)性灌漿料的減水劑。
