高强水泥灌浆材料的制备

1、摘 要近年来，灌浆材料在堵漏止水、帷幕防渗、基础加固和裂缝修补等方面的应用越来越广泛。其中水泥基灌浆材料是最受欢迎的，因为水泥基灌浆料加水拌合后具有流动性好、微膨胀、早期和后期强度高、不泌水等性能。高强水泥基灌浆材料指由胶结料、细集料、水以及为实现某种功能而加入的外加剂或掺加料，按一定比例配制而成的，搅拌后浇注时无需振捣靠自重便可自由流变，达到要求均匀密实状态的结构用的灌浆材料。本文采用试验研究的方法，通过改变砂胶比、水胶比以及外加剂和矿物掺合料等来测定水泥基灌浆材料的工作性能和力学性能，分析确定出影响水泥基灌浆材料性能的主要因素以及各因素的影响规律和最佳取值范围，最终优化出28d普通硅酸盐水

2、泥基灌浆料抗压强度大于70Mpa的配合比。关键词：水泥基灌浆材料；加固；流动性；抗压强度；配合比ABSTRACTIn recent years, the grouting materials have been used more and more widely in water blocking, anti-seepage curtain, reinforcing in the foundation and repairing cracks. Cement-based grouting material is most welcomed for it mixed with water has

3、 some characteristics of good fluidity, micro-expansibility, high early and later strength and no bleeding.High strength cementations grout is made up of binders, fine aggregate, water as well as some chemical or mineral admixtures with proper proportion. When placing, the mixture can flow freely to

4、 reach uniform and compact state without vibrating.This paper measured the workability and mechanical properties of cementations grout by changing sand -to- binder ratio, water-to-binder ratio and chemical or mineral admixtures, and analyzed every factors affect on the performance of cementations gr

5、out and their optimal value range ,consequently determined the main factors. Finally, the optimal mix of P.0 grout at 28d with the compressive strength more than70Mpa was determined. Key words: cementations grout; strengthening, fluidity, compressive strength, mix ratio目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK

6、l _Toc264362498 摘 要 PAGEREF _Toc264362498 h I HYPERLINK l _Toc264362499 ABSTRACT PAGEREF _Toc264362499 h II1 前言1 HYPERLINK l _Toc264362502 1.1 灌浆料的发展历程2 HYPERLINK l _Toc264362503 1.2 灌浆料的分类 PAGEREF _Toc264362503 h 3 HYPERLINK l _Toc264362504 1.3 国内外研究现状5 HYPERLINK l _Toc264362505 1.4 水泥基灌浆材料性能要求7 HY

7、PERLINK l _Toc264362507 1.5 当前存在的问题8 HYPERLINK l _Toc264362514 2 试验材料与方法 PAGEREF _Toc264362514 h 11 HYPERLINK l _Toc264362515 2.1试验材料11 HYPERLINK l _Toc264362516 2.1.1 实验材料选择依据 PAGEREF _Toc264362516 h 11 HYPERLINK l _Toc264362517 2.1.2 试验所用原材料 PAGEREF _Toc264362517 h 13 HYPERLINK l _Toc264362518 2.2

8、 实验方法 PAGEREF _Toc264362518 h 15 HYPERLINK l _Toc264362516 2.2.1 实验研究手段 PAGEREF _Toc264362516 h 15 HYPERLINK l _Toc264362516 2.2.2 实验仪器与设备 PAGEREF _Toc264362516 h 15 HYPERLINK l _Toc264362519 3 实验研究与结果分析 PAGEREF _Toc264362519 h 17 HYPERLINK l _Toc264362520 3.1 研究目的与研究内容 PAGEREF _Toc264362520 h 17 HY

9、PERLINK l _Toc264362517 3.1.1 研究目的 PAGEREF _Toc264362517 h 17 HYPERLINK l _Toc264362517 3.1.2 研究内容 PAGEREF _Toc264362517 h 17 HYPERLINK l _Toc264362521 3.2 相关因素试验分析 PAGEREF _Toc264362521 h 18 HYPERLINK l _Toc264362521 3.3 高强水泥基灌浆材料配制23 HYPERLINK l _Toc264362517 补充相容性试验23 HYPERLINK l _Toc264362517 3.

10、3.2 配合比确定24 HYPERLINK l _Toc264362517 物理性能实验25 HYPERLINK l _Toc264362521 3.4 本试验研究不足之处26 HYPERLINK l _Toc264362522 结 论27 HYPERLINK l _Toc264362523 参 考 文 献28 HYPERLINK l _Toc264362524 致 谢30前言历史上，建筑业的发展大体经历了三阶段：即从大规模新建阶段，新建与维修并举阶段，到重点转向旧建筑物的维修、改造和加固阶段1。在世界新兴经济体，随着经济建设的快速发展，它们的城市建设和水利、交通、房建等基础设施建设速度和规模

11、也相应加快和扩大。他们的建筑业还处于第一或第二阶段。在世界发达国家和地区，二战后经济快速发展，历经半个多世纪的高速建设，他们的建筑业已经进入到第三阶段，建筑物的鉴定、维修和加固改造技术已成为这些国家和地区现代建筑技术中极其重要、最富活力的新兴技术分支。对于他们的建筑业来说，二十一世纪是修补的世纪。此外，城市大规模基本建设速度的加快，在促进城市经济的发展的同时，也带来了城市人口和企业密度过大、城市土地价格高、交通拥挤以及环境污染严重等问题，即所谓城市发展综合症。在陆上空间发展到了极致之时，地下空间的开发为“治疗”发展综合症提供了很好的思路。因此，一些国内外专家预言：二十一世纪是城市地下空间等岩土

12、工程建设全面开展的世纪。建筑业的发展，不可避免遇到填充加固、防水堵漏等技术难题，灌浆技术的应用可以很好解决这些问题，是工程建设中不可或缺的一个关键环节，对地下空间的开发和建筑物的修补加固都具有重要的意义。灌浆材料作为灌浆技术的关键环节之一，其性能优劣直接影响了建筑工程的质量，因此，对灌浆材料进行研究具有重要的意义。灌浆(Grouting) 2，是把适量的可以凝结的浆液灌入裂隙含水岩层、混凝土或松散土层中，从而降低被灌基体的渗透性并提高其强度、延长其使用寿命的方法，又称注浆。灌浆在建筑土木工程上应用非常广泛，是一项起防渗、补强、加固、增强、堵漏作用的重要技术。灌浆涉及工程地质学、水文地质学、环境

13、地质学、土力学、岩体力学、流体力学、化学、岩土工程化学、材料学、矿物结构学、工程机械学、地球物理学等学科，并与泵技术、射流技术、液压技术、电子信息技术等密切相关。国外一直认为灌浆是项以经验为主的“技术(Technique)”，个别理论还认为其是一门“工艺(Art)”。近年来，国内有关学者提出“岩土灌浆工程学”概念。一般的灌浆定义包括灌浆形式、灌浆材料、作用机理、灌浆目的四个部分，灌浆分类就是以其定义的四部分为分类依据。灌浆形式包括简单倒填、机械压注、气压、电动、喷射切割和机械搅拌等，注浆形式是注浆参数设计的依据,同时也是注浆施工的关键。灌浆材料包括化学灌浆、水泥灌浆、粘土类浆液灌浆浆; 浆液的

14、作用机理可分为充填注浆法、渗透注浆法、挤密注浆法和劈裂注浆法。灌浆用途包括加固注浆、防渗注浆以及基础托换注浆。此外, 近几年在土层注浆中又出现了高压喷射注浆、旋喷注浆等注浆法, 丰富了注浆内容, 扩大了注浆法的应用范围。灌浆是一种形式与内容的统一。日本把灌浆称为“土质稳定”，而欧美则称为“地基处理或“地基加固”。尽管世界各地对灌浆的完整定义有所不同，但其实质都是指用气压、液压或电化学原理，把某些可固化的浆液注入各种介质的裂隙和孔隙中进行化学反应，以改善处理对象的物理力学性能，并最终满足工程需要。1.1 灌浆料的发展历程自1802年法国土木工程师查理士.贝里尼在港口城市戴佩利用灌浆技术加固修复砌

15、筑墙3以来，灌浆在人类文明史上已存在二百多年。历经二百多年的发展，灌浆材料不断变革，灌浆技术不断革新，灌浆已经成为最有效也是最有前途的加固、堵漏方法。纵观灌浆发展史，其是以水泥化学类灌浆材料水泥基灌浆材料为主线4，逐渐向大流动度、早强、高致密度方向发展的。灌浆的发展历程可以大致分成四个阶段（1）原始粘土浆液阶段有了查理士.贝里尼成功应用灌浆技术的先例，法国开始不断地对灌浆材料和灌浆技术进行探索，灌浆开始被用于建筑物地基加固并在之后传入英国、埃及。但是此阶段灌浆方法原始、浆液简单只使用一些粘土、火山灰、生石灰混合配制而成。（2）初级水泥浆液灌浆阶段1824年10月21日，英国利兹城（Leeds）

16、的泥水匠阿斯普丁(JosephAspdin)获得了英国第5022号“波特兰(Portland)水泥”专利证书，从此水泥被大量应用于土木建筑工程中，与此同时，欧洲人探索把水泥应用到灌浆领域中。1838年，英国人开始在汤姆逊隧道使用水泥灌浆材料，并达到理想的效果。在此之后几十年里，水泥灌浆在灌浆领域一直占据着主导地位。1845年美国沃森第一次在溢洪道陡槽基础下灌注水泥砂浆；18561858年英国基尼普尔成果完成水泥注浆试验；1864年巴洛利用水泥浆液进行隧道衬砌壁后充填注浆，并用于伦敦、巴黎地铁。此外，注浆设备在这阶段也得到快速发展，1880年压缩空气及压力注浆泵研制成功，为注浆技术更广泛应用创造

17、了条件。（3）中级化学浆液灌浆阶段由于波特兰水泥最大粒径达到80100微米，在细微裂缝中往往难以灌入，面对这类难题，英国人豪斯古德（Hosagood）在1884年最早开始使用化学灌浆材料替代水泥灌浆材料，由于能解决水泥灌浆材料的不足，又能够满足工程需要，欧洲掀起了一股化学灌浆材料和灌浆技术的研究热潮，化学灌浆材料也得以在欧美各国迅速发展起来，其中最具有开拓性的发明包括1887年德国人佐斯基(Jeyiosky)发明的化学灌浆一一双液浓硅酸钠化学灌浆5和1920年荷兰尤斯登（EJJoosten)发明的水玻璃、氯化钙双液双系统两次压注法。二十世纪50年代以后，以美国为首的西方国家研制成功丙烯酰铵浆液

18、等10余种性质各异的化学浆液。时至今日，常用的化学浆材包括水玻璃类灌浆材料、丙烯酰胺类浆液、丙稀酸盐类浆液、木质素类浆液、环氧树脂类注浆材料6、水泥水玻璃类浆材等。（4）现代灌浆阶段化学灌浆材料具有良好的可灌性，但是有毒，而且造价高、易老化，另外不少化学浆材如水玻璃类灌浆材料在固结强度和耐久性方面还不能满足大型工程的需要。因此，人们又开始积极探索化学灌浆材料的替代品。尤其是1974年日本福冈发生的丙烯酞胺灌浆引起环境污染造成中毒的事故，震惊了全世界。在那之后，化学灌浆材料及其技术的研究和应用跌入到了低谷，世界各国陆续开始禁止使用毒性较大的化学灌浆材料，日本更是直接禁止除水玻璃之外的所有其它化学

19、浆液的应用。伴随着建筑施工技术的日益成熟以及混凝土外加剂的迅速发展，在二十世纪八十年代，科研工作者开始把目标转移到一类新型灌浆材料水泥基灌浆材料上来，从此水泥基灌浆材料进入工程修补领域，并占据举足轻重的地位，与化学灌浆材料共同占据多半灌浆材料应用市场。我国在灌浆材料的研究和应用方面起步比较晚，但发展迅速。直到二十世纪七十年代，为了满足进口设备安装锚固的需要，我国才开始了灌浆材料的研制工作，并在1977年取得成功，从此灌浆材料在设备安装领域被广泛应用。而此时西方发达国家已经进入了现代灌浆阶段，开始为提高灌浆材料的强度和改善耐久性能而不懈努力。我国灌浆料的技术性能飞速提高，经过三十多年的发展，其各

20、项指标已达到国际水平。代表性产品如ANG-型灌浆料、CGM高强无收缩灌浆料、HL-HGM高强无收缩灌浆料、RGM高性能加固型灌浆料、硫铝酸盐水泥基灌浆料以及水泥基速凝灌浆料等。1.2 灌浆料的分类当前市场上常用的灌浆材料主要有两大类7，一类是有机灌浆材料，另一类是无机灌浆材料。有机灌浆材料可以分为丙烯酰胺类、脲醛树脂类、木质素类、聚氨酯类、糠醛树脂类、环氧树脂类、聚乙烯醇类，无机灌浆材料则包括单液水泥浆、水玻璃类、水泥-水玻璃类、粘土类、水泥粘土类等。在实际工程中应用较多的灌浆材料有以下三类。（1）粘土类灌浆材料粘土类灌浆材料一般选用粘土或者亚粘土为原料，其基本要求是要具有遇水崩解，吸水膨胀，

21、有一定的稳定性，有一定的粘结力等特点。根据灌浆部位不同，灌浆使用的材料要求也不同。纯粘土浆的配制很简单，只需将土料经过浸泡、搅拌、筛滤净化后拌和而成。但是，为了提高灌浆效果，很多灌浆都不能用纯粘土浆，一般都掺加适当的水泥，这就要控制好水泥的用量。粘土类浆材由于其广泛的来源和低廉的成本，得到了较多的应用。在土工堤坝防渗注浆工程中，粘土类灌浆材料依靠应力条件下的脱水固结性能，可在充填注浆、劈裂注浆的过程中和后期的应力条件下，形成固结防渗体。但在实际工程中，粘土类浆液保水性强，不易“脱水”，固结时间长甚至不固结，容易产生结石强度低等缺陷，从而严重影响灌浆质量。粘土类灌浆材料一般仅用于要求很低、破坏性

22、小的简单工程。（2）化学灌浆材料化学灌浆材料是以有机高分子为基础的化学材料，作为溶液型灌浆材料，它具有如下优良的特点：匀质性好。它是溶液型材料，不分层，不沉淀；可灌性好。化学灌浆材料粘度很低，有些浆材粘度甚至接近于水；固化或胶凝时间可以人为控制；可用泵灌入裂缝，填充渗漏水，具有原位修复止水结构或单独构建防渗帷幕之功能，特别适用于地下隐蔽工程；固化或胶凝时体积收缩很小；固化物或胶凝体本身不渗水；固化体或胶凝体耐久性良好。但是，化学灌浆材料也具有一定的缺陷，比如具有一定毒性，污染环境，耐久性差；而且，生产成本高，在一定程度上限制了它的使用范围。因此，化学灌浆材料使用量较少，一般为修补较小的工程缺陷

23、。（3）水泥基灌浆材料水泥基灌浆材料8是一种由水泥、集料（或不含集料）、外加剂和矿物掺合料等原材料，经工厂化配制生产而成的具有合理级配的干混料。加水拌和均匀后具有可灌注的流动性、微膨胀、不离析、不泌水、有效承载面高等性能。水泥基灌浆材料的优点是加水搅拌均匀后，其具有硬化快、自流平、微膨胀、不泌水、不离析特点，因而早强、高强、耐久性好。另外，和化学灌浆料相比，水泥基灌浆料无毒、无污染、价格便宜。与普通砂浆相比，水泥基灌浆料有更好的工作性能，流动度更大，保水性能更好，还具有更高的强度、更短的凝结硬化时间、更小的收缩和更好的耐久性能；与结构修补加固用混凝土相比，具有小空隙灌浆的优势，可灌性更好，均匀

24、密实度更好，能够改善干缩引起的裂缝及耐久性。目前，世界上许多已有建筑物由于其使用功能的改变，无法达到生产生活所要求的承载力，有些由于逐年老化，承载力降低，耐久性退化。这些建筑物都急需进行加固和改造。然而，在加固和改造过程中，如何选择适宜的材料，以满足施工要求以及建筑物的使用功能和安全环保要求，是一项十分重要的内容。灌浆料作为一类重要的修补加固材料，已经被广泛应用于工程建设中的堵漏止水、帷幕防渗、基础加固和裂缝修补等方面。水泥基灌浆材料的浆液稳定性好，流动性得到改善，而且硬化后的结石体具有微膨胀性等优越性能，适用于地脚螺栓锚固、设备基础或钢结构柱脚底板的灌浆、混凝土结构加固改造及后张预应力混凝土

25、结构孔道灌浆。同时，水泥基灌浆材料具有结石体强度高和抗渗性强的特点，既可用于防渗又可用来加固地基，而且原材料成本较低，无毒性和环境污染问题。随着人们对建筑和工程质量要求的提高9，一系列比较优势使得水泥基灌浆材料在水电、建筑、采矿和交通等行业应用越来越广泛，水泥基灌浆材料是目前注浆工程中应用最广泛的灌浆材料。当然，水泥基灌浆材料也有一些不可忽视的缺点。如水泥浆析水性大，稳定性差，注入能力有限，且凝胶时间长，在地下水流速较大的条件下，浆液易受冲刷和稀释，影响注入效果。（4）超细水泥自从70年代初日本研制成功MC-500型超细水泥10以来，由于其浆液稳定性好，流动性比普通水泥有显著改善，并在固结时很

26、少析水或不析水，具有良好的防渗固结效果，达到与化学浆液相媲美的可灌性，其结石强度大大高于化学浆材，无污染，不老化，价格低。目前，关于超细水泥还没有统一标准，一般以其粒径大小来定义。一般认为，超细水泥最大粒径小于20微米，平均粒径小于5微米，比表面积大于800 /。超细水泥的生产原料与普通水泥相同，只是采用超细粉磨设备和技术使其颗粒微细化。它们的区别主要表现在颗粒大小与比表面积方面。随着水泥颗粒的超细化，也会产生一些应用问题，影响水泥的灌浆效果。可以在超细水泥的制备过程中加入了一些性能调节剂来解决这类问题。性能调节剂的选择和掺量是根据灌浆工程的需要决定的。1.3 国内外研究现状 灌浆理论研究现状

27、灌浆材料快速发展的同时，人们对灌浆理论的研究也收获颇丰。目前，国内外灌浆理论11的研究成果主要包括流变理论、渗透灌浆理论、压密灌浆理论、劈裂灌浆理论以及浆液充填机理。（1）流变理论根据流变学观点，任何灌浆载体和浆液基质均可以用流变模型来描述。灌浆载体在弹性与塑性之间变化，浆液基质(水泥浆液或化学浆液)用粘性和粘-塑性来界定。在流变学中，一般将其分为牛顿(Newton)流体和宾汉(Bingham)流体。根据牛顿粘滞定律描述，在牛顿流体中浆液流动时剪应力与剪应变成正比关系。在宾汉流体中同时具有粘性和塑性的流体，浆液流动时剪应力与剪应变不成正比关系。在灌浆研究中，一般将流动性好的化学浆液视为牛顿流体

28、，而把水泥或水泥粘土的悬浮浆液视为宾汉流体。（2）渗透灌浆理论渗透灌浆是在不破坏地层颗粒排列条件下，通过灌浆压力使浆液克服阻力渗透到土体的孔隙或岩石、混凝土的裂隙中，将颗粒胶结成整体，在浆液凝固后达到加固和防渗作用的灌浆方法。使用渗透灌浆法时灌浆压力最小。灌浆必要条件是满足浆液粒径远远小于土粒粒径。国内外学者通过对渗透灌浆法的理论试验研究，提出了不少渗透灌浆理论，有代表性的包括球形扩散理论、柱形扩散渗透理论、袖套管法理论。我国对渗透灌浆理论的研究没有建立系统性的研究成果，主要侧重于对灌浆机理的研究。（3）压密灌浆理论压密灌浆是指采用严密施工控制方法，通过钻孔在土中灌入极浓的浆液，在灌浆点处挤向

29、被灌载体形成浆泡，灌浆管端部周围被置换和压密载体。压密灌浆能够压密周围土体，使土体产生塑性变形，但不使土体产生劈裂破坏。浆泡形状一般为球形或回柱形，向外扩张的浆泡在土体中引起复杂的径向和切向应力体系，压密灌浆可能引起三种灌浆载体变形模型：腔膨胀、锥型破坏和水力劈裂，主要取决于浆泡与周围载体接触面的空腔压力。压密灌浆主要用于中砂地基，或有适宜排水条件的粘性土。（4）劈裂灌浆理论劈裂灌浆是指浆液在灌浆压力作用下，先克服底层的切应力和抗拉强度，使其垂直于小主应力的平面发生劈裂，形成新的裂缝，或原有裂缝继续扩展、张开，浆液沿此劈裂面渗入和挤密底层体，形成脉状或条带状胶结体，对灌浆载体起到加固固结作用。

30、其主要应用于土体加固、裂隙岩体防渗加固、高压扩缝效应。山东科技大学乔卫国教授在劈裂灌浆理论的基础上对压水扩缝注浆工艺进行了可行性分析并提出了压水扩缝计算方法12，这是近期国内劈裂灌浆的重要研究成果。（5）充填或裂隙注浆理论充填或裂隙注浆理论认为，在以水泥为代表的粒状灌浆材料，其浆液内的大部分多余水都可以在灌浆过程中给予排除。该理论又涵盖三种观点：压迫滤水论、流动沉积论以及两种观点的综合理论。充填或裂隙注浆主要用于大洞穴，构造断裂带，衬砌壁后注浆及节理裂隙的防渗固结注浆，压力可小可大。1.3.2 灌浆应用研究现状经过多年的快速发展,高强无收缩灌浆材料已经从传统的用于机械设备安装的二次灌浆发展到用

31、于地脚螺栓锚固,钢结构柱脚底板的二次灌浆,混凝土结构改造、加固及后张预应力混凝土结构预留孔道灌浆与封锚等新的领域。其具体应用领域13大体如下：（1）大坝、水库、涵闸、水渠等基础防渗帷幕和基础加固；（2）港工建筑物(如码头、船闸、防波堤等)的基础防渗和加固；（3）桥基加固及桥体裂缝补强；（4）机场跑道和停机坪、公路和铁路特殊路段的软弱地层加固、防渗和混凝土裂缝补强加固；（5）矿山、工厂有毒废渣、废水和城市垃圾场等截渗工程的防渗帷幕； （6）矿井建设中的涌水堵漏、流沙治理及对软弱地层加固、稳定的预灌浆；（7）地下建筑物的防渗、堵漏止水、基础加固和裂缝的修补加固；（8）核电站等的封闭止水防渗和基础加

32、固。1.4 水泥基灌浆料的性能要求高强水泥灌浆材料的性能要求高强水泥灌浆材料的性能要求具有高强度、高流动性、不泌水、收缩微小、细度小、可灌性强等特点，具体指标达到JCT 986-2005水泥基灌浆材料标准要求。表1.1 水泥基灌浆料标准要求项目技术指标粒径4.75mm方孔筛筛余/ %2.0凝结时间初凝/min120泌水率/ %1.0流动度/mm初始流动度26030min流动度保留值230抗压强度/Mpa1d22.03d40.028d70.0竖向膨胀率/%1d0.020钢筋握裹强度/Mpa28d4.0对钢筋锈蚀作用应说明对钢筋有无锈蚀作用（1）抗压强度：它表示水泥浆液硬化后的抗压强度。采用 40

33、mm*40mm*160mm立方体砂浆试模， 测定 1d、3d、28d龄期抗压强度，要求强度分别达到22Mpa、40Mpa、70Mpa以上，越高越好。（2）流动度：它表示水泥浆液的稀稠程度，也表示浆液流动性的高低。灌浆料是一种高流动度的材料。国外测定灌浆料流动度主要采用读秒的方法。如日本相关文献介绍：用上口径为70mm，下口径为14mm，高400mm的圆锥截体，堵在下口，在其中灌满浆料，放开下口并同时计时，到截锥内浆料流完为止。美国材料试验协会也推荐了类似的方法，据ASTM C939介绍国内生产的灌浆料由于其骨料粒径一般大于2mm，不宜直接采用读秒的方法，而是根据YB/T9261-98水泥基灌浆

34、材料施工技术规程，将拌合料倒入砂浆跳桌用圆锥试模，提起试模让灌浆料自流直至停止，测定流开料的直径。灌浆料不但要求初始流动度达到一定值，而且要求流动度经时损失小，一般情况要求30min流动度保持值达到90%以上。不同等级的水泥基灌浆料流动度具体要求14见表1.2：表1.2 不同等级的水泥基灌浆料流动度要求类别最大集料粒径/(mm)流动度(坍落度)(mm)初始值不小于30min保留值不小于 = 1 * ROMAN I类不大于4.75380340 = 2 * ROMAN II类340310 = 3 * ROMAN III类300270 = 4 * ROMAN IV类260230 = 5 * ROMA

35、N V类大于4.75且不大于16270*240*（3）离析泌水：由于水泥浆液中，水泥的表观密度与水不同，容易产生水泥沉积而浆液泌水现象，为保证灌浆质量，浆液的分层、离析应越小越好。分层度凭实践经验，在试验中通过定性来评价。（4）细度：为了使浆液能够充分充填蜂窝、孔隙、层隙，保证灌注质量，水泥及掺合料细度应尽可能小。其中集料细度要求保证4.75mm方孔筛筛余不大于百分之二。（5）自由干缩率：它表示浆液硬化后的干缩大小。采用水泥胶砂干缩试验方法， 测定7d、14d、28d、60d龄期的自由干缩率。浆液的干缩越小越好，要求不大于千分之一。（6）限制膨胀率：它表示浆液硬化后内包钢筋时的膨胀性能，采用混

36、凝土膨胀剂标准中的限制膨胀率试验方法，测定14d、28d、60d龄期的限制膨胀率。要求膨胀率不小于万分之二。1.5 当前存在的问题 理论研究的误区目前，国内外对于灌浆材料的研究往往是针对某些具体项目进行的，即针对相关工程研究出某类具有特殊用途或具备某项特点的灌浆材料。公开文献中，一方面许多研究人员对水泥、砂、减水剂、膨胀剂等灌浆料常用组分的性能做了系统研究，另一方面也有不少灌浆材料的研究者在研究中提及灌浆料的配合比。但是，关于高性能水泥基结构灌浆料的配合比设计方法的详细资料和系统研究很少。当前这种研究现状导致的直接后果是：（1）严重影响灌浆理论的进一步发展；（2）灌浆剂和灌浆料种类多样、成分复

37、杂，影响其性能的稳定性，也不利于针对实际情况对出现的问题做出快速反应；（3）同品种灌浆料的生产和应用难以形成规模效应，致使当前市场上性能优越的灌浆剂价格高昂，限制了其在施工中更广泛的应用。 工程应用中凸显的问题经过几十年的发展，灌浆料及灌浆技术的发展都得到了长足进步。但是，在建筑快速发展、对建筑材料要求越来越高的今天，灌浆料依然存在不少实际问题（1）流动度小有些生产厂家在生产中将灌浆料的流动度控制在标准的最低要求，而由于施工现场和试验室的环境和原料状况的差异性，导致这样的灌浆料在很多场合根本不能使用。现场只能临时增加拌合用水量，这又会引起强度等其他性能改变，导致灌浆料的使用性能达不到设计性能。

38、（2）用水量带宽小用水量带宽15是指产品的拌和用水量范围，通常进口产品以及国内较好的水泥基灌浆料产品，其推荐用水量一般都是一个范围，例如干料量的13-15，在推荐的用水量范围，其产品的各项性能指标均能符合标准要求且差别不大，即使采用推荐用水量的上限值进行现场旋工，现场也不会发生离析、泌水等问题。与此不同的是，国内有些厂家的灌浆料产品，其用水量往往是一个固定的值。当用水量小于这个值时，产品流动性不够；当用水量大于这个值，产品会发生泌水、离析、硬化强度远低于材料检验强度等问题。但是，现场对用水量往往做不到这样精确的计量，所以这样的产品对现场施工要求太苛刻，在应用中发生一些工程问题也是在所难免。（3

39、）膨胀性能差有些产品不能精确控制产品的膨胀量，导致膨胀不稳定。灌浆料的膨胀值必须限制在规定范围，当膨胀量过小时，无法补偿浆体硬化过程产生的收缩，导致灌浆料与设备底板接触面较小甚至虚接触；当膨胀量过大时，会对设备底板造啦挤压，导致已经调整好的底板发生变形，造成工程事故。（4）有效承载面低二次灌浆的目的是为了有效传递荷载。只有确保有效承载面较高和适当的强度，才能确保最佳灌注效果。美国标准ASTM C1339给出了耐化学腐蚀聚合物设备灌浆料的流动性和承载面积的试验方法。对有效承载面进行测量并在试验中不断提高有效承载面也反映了一个灌浆料厂家的技术实力，目前国内只有少数几个厂家提出这个概念。（5）性能改

40、善发生冲突水泥基灌浆料浆体硬化和强度发展与灌浆操作在时间上的矛盾突出，受结构修补灌浆过程受到混凝土基础二次浇筑的硬化和养护时间的限制，强度发展缓慢，早期强度低，耐久性差，影响结构稳定性和使用寿命16。2 实验材料与方法2.1 实验材料 实验材料选择依据（1）水泥选择工程上使用最多的水泥是通用硅酸盐水泥。其按混合材的品种和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥；按强度等级分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个等级。结合灌浆材料的强度特性，充分考虑产品组分简单化和性能稳定性要求，一般选用P.O 42

41、.5R或P.O 52.5R。另外，当前有部分研究者在研究中使用硫铝酸盐水泥17。硫铝酸盐水泥是一种由中国建筑材料科学研究院水泥所发明并投入工业生产的我国特有的新品种水泥。它以由无水硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组成的熟料，通过外掺二水石膏粉磨而成。硫铝酸盐水泥被称作继硅酸盐水泥和铝酸盐水泥之后的第三系列水泥。其主要特性包括：早强高强性；高抗冻性能；耐蚀耐久性；高抗渗性能。（2）矿物掺合料的选择粉煤灰，是从煤燃烧后的烟气中收集下来的细灰。粉煤灰是燃煤电厂的主要固体废物，也是我国当前排量最大的工业废渣之一。“垃圾是放错了地方的宝物”，作为工业废渣的粉煤灰同时也是混凝土行业重要的掺合料，粉煤灰18的掺

42、入对水泥浆体流动性会产生以下三种作用。分散作用粉煤灰中极细的一部分在浆体中能迅速吸附在水泥颗粒表面，使水泥颗粒表面由于电性的不同而产生吸引，破坏浆体中的絮凝结构，提高浆体流动度。填充作用由于粉煤灰较细，加入水泥之后，使整个凝胶粉体的颗粒分布加宽，细颗粒填充到水泥颗粒之间，将孔隙中水置换成自由水，这种作用也能提高浆体流动度。表面吸附作用由于粉煤灰相对水泥来说，其比表面积大，具有较高的表面能，增加了表面吸水量，这一作用降低了浆体的流动度。因此，粉煤灰掺入对浆体流动度影响是以上三种作用的综合。级粉煤灰的吸水量比低于95%，能有效提高浆液流动性。另外其细度、颗粒级配等性能也相对优越，有利于降低因粉煤灰

43、掺入导致的强度下降。粉煤灰的掺量确定要综合考虑其对流动度和强度的影响，掺量过低，流动度增加不明显；掺量过高，会影响灌浆料强度。通过变化粉煤灰掺量，依据初始流动度、30min流动度保持值和3d强度，确定粉煤灰的最佳掺量。高炉矿渣是高炉炼铁过程中排出的非金属矿物熔渣，在高温状态下迅速水淬即成为粒化高炉矿渣。其玻璃体含量多，结构处在高能量状态不稳定，潜在活性大。粒化高炉矿渣磨细后的细粉可以使活性发挥出来，称为矿渣微粉。矿渣作为生产水泥基胶凝材料的原料，影响其潜在活性发挥的主要因素有：玻璃体含量、矿渣的化学组成以及矿渣微粉的细度。玻璃体是矿渣活性的主要来源，玻璃体含量的多少直接影响着矿渣的活性。矿渣中

44、玻璃体含量越多，结晶态的物质就越少，矿渣无定形化的程度越高，矿渣的结构越不稳定，活性越大。矿渣微粉用作灌浆料的掺合料能改善或提高灌浆料的综合性能，其作用机理在于矿渣微粉在灌浆料中具有三大效应19：微集料效应；微晶核效应；火山灰效应。矿渣微粉的掺入能提高水泥基灌浆材料的强度，但是由于其比表面积远远大于水泥的比表面积一般在500/以上，所以会有较大的吸水作用，导致浆液流动度下降。通过变化矿渣掺量，依据初始流动度、30min流动度保持值和3d强度，确定矿渣的最佳掺量。在水泥基灌浆材料配合比设计中掺加矿物掺合料主要是提高流动性和后期强度。前者主要通过掺加级粉煤灰，后者主要通过掺加矿渣微粉。值得注意的是

45、：掺加粉煤灰提高了浆液的流动性，但是其活性指数较低，会影响灌浆料的强度；而矿渣微粉能提高产品强度，尤其是后期强度，但是会降低浆液流动性。（3）早强剂的选择通过加入早强剂或者早强性外掺料，可以方便有效地加速混凝土早期强度发展，提高混凝土早期强度。早强剂与早强性掺合料在混凝土中的作用机理主要有以下两方面20：通过激发等作用提高水泥等材料的早期活性或化学反应速度；参与水泥的化学反应，迅速产生具有超早强特性的新成分。目前工程中较常用的早强性成分主要有氯化物、硫酸盐、硝酸盐或亚硝酸盐、二乙醇胺、三乙醇胺等。（4）晶种的选择当前，晶核诱导技术已经在陶瓷和水泥工业中得到广泛应用， 并且取得了明显的经济效益和

46、社会效益。水泥砂浆的强度来源于水泥水化产物从液相中结晶。如果在砂浆混合料中掺入晶种，诱导其水化产物更快地析晶， 这无疑会提高水泥砂浆的早期强度。水泥晶种的研究早在40年前就有报导，EI艾.沃克尔等人利用水热法合成C-S-H凝胶晶种，掺人后明显提高水泥的强度，尤其是早期强度。石家庄铁道大学要秉文21等人通过实验研究，得出以下结论：将水泥水化产物作晶种引入水泥砂浆和混凝土中， 可以降低晶体析出的成核位垒，加速水泥的凝结硬化，从而提高混凝土早期强度。掺入晶种的水泥混凝土其它性能得到改善，如泌水、收缩等。可利用晶种的增强特性将其研究开发为粉状外加剂的载体。李远中等人也研究证明，掺人少量的C-S-H凝胶

47、后，水泥石的平均孔径和最大孔径降低。当然，也有少数文献指出，用C-S-H凝胶作为晶种时，水泥石强度不升反降。支持晶种能够提高水泥混凝土制品早期强度的理论研究认为：水泥是多组份的集合体，其水化产物水泥胶粒的核化是多相核化。核化是在不均匀介质中产生的，而这些促进核化的异相界面通常被称为“核化基体”。当核在核化基体的表面上形成时， 就产生了晶核-液体界面，这样就使原来核化基体-液体的界面自由能降低，这种界面取代比界面创生所需要的功要小。因而，在水泥混凝土制品混合料中掺入适量的晶种，能够起到降低核化位垒、促进晶核的形成的作用，从而提高早期强度。（5）减水剂的选择减水剂22又称塑化剂，或称水泥分散剂，因

48、使用时可使新拌混凝土的用水量明显减少而得名。掺入适量的减水剂，可以在保持新拌混凝土和易性的情况下，减少用水量，降低水灰比，起到提高强度和改善抗冻、抗渗等作用。也可以在不改变用水量的条件下增加混凝土和易性。还可以在保持混凝土拌合物有相同流动性及硬化混凝土有相近强度时，减少水泥用量。减水剂的种类主要有木质素类减水剂、高级多元醇类减水剂、羟基羧酸盐类减水剂、萘系减水剂、三聚氰胺磺酸盐类减水剂、聚羧酸减水剂及聚羧酸盐减水剂等等。减水剂大多是表面活性物质，且以阴离子表面活性剂为主。其分散减水机理基本上包括以下五个方面：降低水泥颗粒固液界面能；静电斥力作用；空间位阻斥力作用；水化膜润滑作用；引起隔离“滚珠

49、”作用。 实验所用原材料（1）砂为了和工程实际应用相匹配，实验过程中所用砂均为河砂。其细度模数为2.8左右。在实验前通过筛析，保证砂的4.75mm筛下不小于98%，200目筛余为100%。（2）水泥本实验中选用山水集团东岳水泥生产的P. O 42.5R水泥，其各项主要指标如下表。表2.1 P.O 42.5R水泥物理性能指标安定性密度比表面积标准稠度凝结时间抗压强度抗折强度初凝终凝3d28d3d28d/g/cm3/%minminMpaMpaMpaMpa合格3.1135027.517526029.251.35.68.5表2.2 P.O 42.5R水泥化学成分表氧化钙二氧化硅氧化铝氧化镁氧化铁三氧化

50、硫烧失量66.1820.815.422.083.331.120.24（3）矿渣微粉实验过程中使用两种矿渣微粉，分别记为K1和K2。K1比表面积为500/。K2为昆钢嘉华产。根据GB/T18046-2008用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉检测，K2主要性能指标见下表表2.3 K2主要性能指标比表面积含水率三氧化硫流动度比7d活性指数28d活性指数/%3600.60.81016688（4）粉煤灰实验过程中使用两种粉煤灰，分别记为F1和F2。F1是级粉煤灰，细度为0%（200目方孔筛筛余），需水量比为92%。F2为级粉煤灰，昆明环恒粉煤灰有限责任公司生产。根据GB/T1596-2005用于水泥和混

51、凝土中的粉煤灰标准检测，F2相关性能指标如下表。表2.4 F2主要性能指标细度含水率烧失量需水量比游离氧化钙三氧化硫80.2207980.20.3（5）晶种水泥水化物晶种，自制，合理掺量为3-5%。（6）早强剂硫酸钠，分析纯，白色晶体；亚硝酸钠，分析纯，白色固体颗粒；二乙醇胺，分析纯，无色液体。（7）减水剂试验提供五种减水剂，其中KDSP-1聚羧酸盐减水剂、HPWP-S聚羧酸高效减水剂和HPWP-R聚羧酸高效减水剂均为山西凯迪生产，后两者更是同一系列减水剂，区别在于HPWP-S为标准型，HPWP-R为缓凝型。表2.5 实验用减水剂编号减水剂类型固含量/%最佳掺量/%最大减水率/%HPWP-R9

52、.62.528.9HPWP-S28.570.6528.0KDSP-1聚羧酸盐减水剂23.651.226.5聚羧酸减水剂A33.60.832.0聚羧酸减水剂B18.32.029.5（8）硫铝酸盐水泥熟料硫铝酸盐水泥熟料经磨机磨细并通过200目方孔筛，取适量实验待用。2.2 实验方法 实验研究手段（1）砂浆制作砂浆搅拌23使用行星式水泥胶砂搅拌机，具体步骤为加部分水和水泥及矿渣低速搅拌30s-在30s的低速搅拌下加砂-高速搅拌30 s-停90s-加入减水剂和剩余的水-高速搅拌60s。（2）流动性试验采用水泥胶砂流动性测试方法中的流动试模，截锥圆模尺寸为：高度600.5mm，上口内径700.5mm，

53、下口内径1000.5mm，下口外径120mm。将制备的浆液装入截锥圆模，用刮刀刮平，立即将截锥圆模垂直向上轻轻提起，用卡尺测量浆体底面最大直径及与其垂直的直径，计算平均值，取整数。每次的流动度试验工作须在1min内完成。（3）成型直接自流灌入模具中成型，无需在振实台上振动。（4）养护试块养护制度都采用标养1d后拆模，然后在养护室标准养护。（5）强度试验抗压强度试验按GB/T 17671进行。试体尺寸40mm*40mm*160mm的砂浆试块。养护条件为标准养护条件，养护龄期为ld、3d和28d。各龄期的试件留置三条。每龄期取出三条试块先做抗折强度试验。抗折试验后的两个断块立即进行抗压试验。 实验

54、仪器与设备实验主要使用的仪器设备包括：（1）水泥砂浆搅拌机；（2）YE-30液压式压力试验机；（3）YH-42B标准恒温恒湿养护箱；（4）KZJ-6电动抗折仪；（5）天平、烧杯、量筒、台秤、钢尺等；（6）模具若干（40mm40mm160mm）；3 实验研究与结果分析3.1 研究目的与研究内容 研究目的本课题根据近年来国内外在灌浆料领域的研究成果和人们对水泥、砂、粉煤灰、矿渣微粉、减水剂、早强剂等原始材料的较深认识，结合当前工程领域对灌浆材料的要求以及当前市场上常用灌浆材料亟需解决的问题，以水泥、河砂、粉煤灰、矿渣微粉、减水剂等为基础原料，以提高灌浆材料的使用性能为根本目的，以组分简单化和成本节

55、约化为基本原则，通过配合比方法研究24、性能研究及微观结构研究，归纳出高性能水泥基结构灌浆料中最主要的组分对水泥基灌浆料拌合物工作性能和力学性能的影响规律，在普通硅酸盐水泥中掺入聚羧酸系减水剂、矿渣微粉、粉煤灰、晶种、硫铝酸盐水泥熟料和早强剂等掺合料，研制出流动度大、早强、高强的水泥基灌浆材料。 研究内容1通过研究各种减水剂、早强剂等外加剂对水泥砂浆流动度、泌水离析情况以及强度的影响，确定其最佳掺量。2研究各种外加剂以及掺合料之间的相容性问题，并参照研究目标，找出替代材料。3根据JCT 986-2005水泥基灌浆材料标准，参照工作性能，力学性能的技术指标，研究水胶比、胶砂比、矿物掺合料掺量等因

56、素对水泥基灌浆料性能的影响，并结合流动度、强度等性能指标，对灌浆料各原料配合比进行优化。4选择合理的配合比配制出满足要求的高强水泥基灌浆材料，并测试其物理性能。3.2 相关因素试验分析 砂胶比试验作为高强水泥基灌浆材料组成的一个组分，砂子对水泥基灌浆材料性能的影响主要取决于两大因素：一是砂子本身的物理性能，常用细度模数和颗粒级配两大指标来反映；二是混合料的砂胶比。当所用砂确定之后，其本身物理性质确定，此时只有通过改变砂的用量来改变混合砂浆的性能。配制高强水泥基灌浆材料，首先是必须保证其具有良好的工作性和较高的强度。砂子的细度模数越小，其颗粒数越多，比表面积越大，空隙率也越高，颗粒表面所需的吸附

57、水也增多，颗粒界面之间所需的水泥浆也随之增加。这就容易产生三方面不良后果：对水泥需求量增大，造成材料成本上升，在经济层面有不利影响；水泥量增加，在满足流动度的条件下所需单位用水量增大，这就造成了粘结、包裹砂子颗粒之间空隙的水泥浆少，使得细集料颗粒之间缺少粘结物质，降低了颗粒间的粘结性能，使新拌砂浆的和易性降低，颗粒间间隙未能完全填充密实，从而容易产生孔隙，影响灌浆料的力学性能。砂浆中骨料过细同时水泥用量过高，容易导致灌浆料收缩过大，严重时导致灌浆料开裂。当砂子的细度模数较大时可以获得比较高的抗渗压力。当然，细度模数过大，也会影响浆液的可灌性。配置高强水泥基灌浆材料选用砂子细度模数一般在2.6-

58、3.2之间。同样，砂胶比的大小对高强水泥基灌浆材料的性能，尤其是硬化后的力学性能也会产生很大的影响。砂胶比过大，浆液流动性差；砂胶比过小，由于骨料少而水泥多，同样引起硬化收缩，导致力学性能下降。参考其他学者研究成果，根据高强水泥基灌浆料大流动度要求，能同时满足流动性和强度要求的灌浆料水灰比一般在0.25-0.4之间。选用HPWP-S减水剂，水灰比取中值0.33进行砂胶比实验。表3.1 砂胶比试验序号砂胶比初始流动度30min保留1d抗压3d抗压13无自流动未成型2220016014.334.831.624020518.244.841.428525521.845.451.234032023.54

59、7.561.036535016.638.9通过实验结果发现，随着砂胶比减小，浆液初始流动度和30min流动度保留值都逐渐增大。此外，在实验过程中发现，当砂胶比降到1.0时，浆液出现轻微泌水现象。但是，砂浆的1d和3d抗压强度随砂胶比减小呈现先增大后减小的情况。当砂胶比为1.2时，1d和3d抗压强度达到最大值，初始流动度和30min流动度保留值也远远超出水泥机关将材料标准要求。 减水剂选择实验提供了五种减水剂，但是可能出现有些减水剂达不到实验要求或者效果不好，满足要求的减水剂也面临在满足流动度和强度要求时的水灰比不同的情况。这就需要进行试验选择和试配。试验中选择砂胶比为1.2，对不同减水剂加入不

60、同用水量至浆液流动度在290mm-310mm之间，计算此时的实际水灰比。所有减水剂以最佳掺量加入。表3.2 减水剂的选择实验减水剂初始流动度30min保留值经时损失水灰比1d强度3d强度KDSP-12951801150.3220.645.3HPWP-S300275250.3126.450.6HPWP-R305290150.3019.546.7聚羧酸A295260350.3610.027.3聚羧酸B305280250.29过低28.9从上表可以看出，KDSP-1聚羧酸盐减水剂尽管其1d和3d抗压强度都达到了标准要求，但是30min流动度保留值仅有180mm，且经时损失高达115mm，无法满足灌浆