李佳凌 王成平

摘要：為了提升高性能水泥基灌漿料的基本性能，采用普通硅酸鹽水泥和快硬性硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行復(fù)配，通過該方式作為高性能水泥基灌漿料的膠凝材料，并向灌漿料中加入水泥、骨料、外加劑等成分。為解決灌漿料的粒子團(tuán)聚問題，利用水泥砂漿標(biāo)準(zhǔn)攪拌程序提高水泥基的強(qiáng)度，有利于提高水泥基灌漿料的性能。將其應(yīng)用于裝配式建筑領(lǐng)域，可降低工程施工的成本。

關(guān)鍵詞：高性能水泥基；流動(dòng)度；力學(xué)性能；性能測試

中圖分類號(hào)：TU528.042+.7??? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A????? 文章編號(hào)：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

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，使人們的生活水平得到了提升，建筑領(lǐng)域的建設(shè)規(guī)模越來越大。高性能水泥基灌漿料憑借自身優(yōu)異的性能，被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，成為建筑的核心材料。水泥基灌漿料主要由水泥、骨料、外加劑等材料共同組成，可填充至帶肋鋼筋與套筒的空隙中，在材料中摻入水?dāng)嚢韬?，有利于提高灌漿料的性能，該材料可廣泛應(yīng)用于裝配式建筑領(lǐng)域。

1 高性能水泥基灌漿料的試驗(yàn)原料與設(shè)備

高性能水泥基灌漿材料實(shí)際上是一種干混料，主要由水泥、骨料、外加劑等材料共同組成。該材料具有合理的級(jí)配，將高性能水泥基灌漿材料與水均勻混合后，可使其具有流動(dòng)性強(qiáng)、微膨脹、不滲水以及無毒無害等特性。

1.1 高性能水泥基灌漿料的試驗(yàn)原材料

1.1.1 水泥

當(dāng)前市場上主要采用普通硅酸鹽水泥完成灌漿料的制備，僅有少量灌漿料采用硫鋁酸鹽水泥作為原材料。為取得更好的試驗(yàn)效果，許多研究人員對硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行復(fù)配，將其作為水泥基灌漿材料的膠凝材料。水泥為水泥基灌漿材料的核心成分，該材料的質(zhì)量可直接決定灌漿料各項(xiàng)指標(biāo)的優(yōu)劣。為滿足水泥基灌漿材料的性能要求，采用普通硅酸鹽水泥和快硬性硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行復(fù)配。普通硅酸鹽水泥（P·O42.5R）的化學(xué)成分可從燒失量、氧化鎂、三氧化硫三方面進(jìn)行分析，分析結(jié)果依次為：3.28%、1.12%、2.78%。快硬性硫鋁酸鹽水泥內(nèi)包含6種化學(xué)成分：CaO、SiO2、Al2 O3、Fe2 O3、SO3、MgO ，6種化學(xué)成分的含量依次為：42.04%、6.58%、34.27%、1.62%、13.05%、1.25%。普通硅酸鹽水泥（P. O42.5R）性能參數(shù)、42.5快硬性硫鋁酸鹽水泥性能參數(shù)如表1、表2所示[1-2]。

1.1.2 骨料

為保證水泥基灌漿料的質(zhì)量，選用顆粒級(jí)配較好的細(xì)骨料作為水泥基灌漿料的原材料之一。細(xì)骨料內(nèi)部核心成分為硅砂，其密度為2.65 g/cm3、粒徑為0.075～0.55 mm、表觀密度2650 kg/m3。通過對硅砂的性能指標(biāo)進(jìn)行分析可知，硅砂的堆積密度為1780 kg/m3、孔隙率為21%、表觀密度為2650 kg/m3、吸水率為0.5%、壓碎值為10%[3-4]。

1.1.3 礦物摻合料

礦物摻和料主要由硅灰、粉煤灰、礦粉以及外加劑共同組成，其中硅灰采用94級(jí)硅灰，該硅灰的密度2.26 g/cm3、比表面積22200 m2/kg、需水量比122%、28 d活性指數(shù)93%。SiO2、燒失值、堿含量、活性度（7 d）、細(xì)度指數(shù)和密度數(shù)值依次為：93%、2.5%、3.0%、120%、18500 kg/m3、2700 kg/m3，均符合規(guī)范要求。粉煤灰的表觀密度為2200 kg/m3，通過對粉煤灰進(jìn)行提純，即可得到純度為98%的粉煤灰微珠，粉煤灰的容重、含水率、細(xì)度、燒失量、MgO、SO3、Fe2O3、Al2O3、SiO2和CaO的數(shù)值依次為：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%。礦粉采用 S95級(jí)礦粉，該礦粉的需水量比為96%、密度為2.85 g/cm3、比表面積456 m2/kg、28 d活性指數(shù)97%。硅粉內(nèi)包含8種化學(xué)成分：SiO2、 Al2 O3、Fe2 O3、CaO、MgO 、K2 O、Na2 O 、燒失量，8種化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)依次為：35.1%、14.83%、1.56%、35.7%、9.8%、0.63%、0.32%、2.06%。各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

外加劑主要包括減水劑、膨脹劑、消泡劑、水，其中減水劑為08-sika vicocrete 20sp 粉末狀聚羧酸高性能減水劑，該減水劑的含固量、密度、pH 值、減水率數(shù)值依次為：98%、550 g/L、6.5、35.0%，外觀呈現(xiàn)白色粉末狀。UEA 膨脹劑的外觀呈現(xiàn)灰白色粉末狀，由硫酸鋁、氧化鋁及硫酸鋁鉀等成分組成。有機(jī)硅消泡劑的外觀呈現(xiàn)白色粉末狀，由礦物油和聚乙二醇組成，其活性物質(zhì)占比65%，可適用于水泥干粉砂漿的非離子表面活性劑，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。本研究為保證灌漿料性能的穩(wěn)定性，選用普通自來水作為灌漿料的拌合水[5-6]。

1.2 高性能水泥基灌漿料的試驗(yàn)儀器與設(shè)備

在試驗(yàn)過程中需要用到的設(shè)備為：FA2004B 電子分析天平、JJ-5行星式水泥凈漿攪拌機(jī)、 YEW-300B 型壓力試驗(yàn)機(jī)等。對灌漿料進(jìn)行注漿成型時(shí)，采用三聯(lián)試模進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，三聯(lián)試模的尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。對灌漿料進(jìn)行豎向膨脹率的測量時(shí)，其試模尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。

2 高性能水泥基灌漿料的制備方法

2.1 高性能水泥基灌漿料試件的成型

試件的成型過程為：準(zhǔn)備好試件所需原材料，將定量的灌漿料依次放入至JJ-5行星式水泥凈漿攪拌機(jī)，攪拌過程中向其中加入拌合水，該拌合水應(yīng)在10 s 內(nèi)加完。拌合水加入完畢后，將攪拌機(jī)的攪拌速度調(diào)慢，攪拌時(shí)間為60 s，停止30 s 后調(diào)快攪拌機(jī)60 s，再停止90 s，最后快速攪拌60 s，即可得到流動(dòng)性能良好的灌漿料。攪拌完畢后將其裝入至尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的砂漿試模中[7-8]。

2.2 高性能水泥基灌漿料試件的養(yǎng)護(hù)

試件成型后，將其置于室溫下養(yǎng)護(hù)24 h，并對試件進(jìn)行拆模操作。試件的養(yǎng)護(hù)方式包括標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和自然養(yǎng)護(hù)，其中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的溫度為（20±1）℃ ，濕度為99%。自然養(yǎng)護(hù)的溫度與試驗(yàn)時(shí)的空氣溫度一致。

2.3 高性能水泥基灌漿料流動(dòng)度試驗(yàn)

該試驗(yàn)需要用到的模具為截錐圓模，其下口內(nèi)徑為（100±0.5）mm、上口內(nèi)徑為（70±0.5）mm、高為（60±0.5）mm。流動(dòng)度試驗(yàn)包括5個(gè)步驟：

（1）選取尺寸為500 mm×500 mm 的玻璃板，將其置于水平試驗(yàn)臺(tái)上，利用濕抹布完成攪拌鍋的擦拭，在無明水的狀態(tài)下進(jìn)行玻璃板和截錐圓模內(nèi)壁的濕潤，濕潤完畢后，在玻璃板的中間放置截錐圓模，在其上方覆蓋濕抹布，以此防止水分的快速蒸發(fā)；

（2）將事先準(zhǔn)備好的混合料倒入攪拌鍋中，啟動(dòng)攪拌機(jī)，攪拌過程中向其中加入拌合水，該拌合水應(yīng)在10 s 內(nèi)加完，拌合水加入完畢后，將攪拌機(jī)的攪拌速度調(diào)節(jié)至150 r/min，攪拌時(shí)間為1.5 min，最后以300 r/min的速度攪拌2 min；

（3）以最快的速度將攪拌后的漿體倒入至截錐圓模內(nèi)，等待漿體與截錐圓模上口相平后停止，通過刮刀將多余部分刮平，緩慢提起截錐圓模，使?jié){體在無擾動(dòng)的情況下自由流動(dòng)；

（4）測量漿體的最大擴(kuò)散直徑和垂直方向的直徑，并計(jì)算其平均值，計(jì)算結(jié)果應(yīng)精確至1 mm，精確后的數(shù)值即為流動(dòng)度初始值，上述攪拌時(shí)間和測量的過程均應(yīng)在6 min之內(nèi)完成；

（5）將處理完畢的漿體裝入至攪拌鍋中，通過濕抹布蓋好封口，自加水時(shí)間為26.5 min 后，重復(fù)（1）至（4），即可測試試件的流動(dòng)度[9-10]。

2.4 高性能水泥基灌漿料力學(xué)性能試驗(yàn)

該試驗(yàn)需要用到棱柱體試塊，其尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。試件的力學(xué)性能試驗(yàn)包括3個(gè)步驟：（1）采用中心加荷法在棱柱體的側(cè)面進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，該過程需要連續(xù)且均勻的加載，加載速率為（50±10）N/s，直至試件折斷后即可停止加載，抗折強(qiáng)度 Rf 的公式為：

式中：Ff 表示的含義為施加在試件中部的破壞荷載 N；L 表示的含義為支撐圓柱間的距離，mm；b 表示的含義為試件截面的邊長，mm[11-12]。

（2）試件折斷后可形成2個(gè)半截棱柱體，在半截棱柱體的側(cè)面即可進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，該試驗(yàn)的加載速率為（2400±200）N/s，直至試件折斷后即可停止加載，抗壓強(qiáng)度Rc的公式為：

式中：Fc 表示的含義為試件破壞時(shí)刻的最大荷載， N；A表示的含義為受壓部分面積，mm2[13-14]。

（3）3個(gè)試件為1組測定的平均值即為抗折強(qiáng)度，6個(gè)試件為1組測定的平均值即為抗壓強(qiáng)度，若抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的1組數(shù)據(jù)中存在2個(gè)數(shù)值均超過平均值的±10%，即可作廢該組數(shù)據(jù)。

3 水膠比與攪拌方式對裝配式建筑高性能水泥基灌漿料性能的影響

3.1 水膠比對水泥基性能的影響

水膠比是控制水泥基灌漿料性能的重要指標(biāo)，合理的水膠比在一定程度上可提升水泥基灌漿料的性能，同時(shí)可增強(qiáng)該材料的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。本研究為探究水膠比對水泥基性能的影響，將水泥基基準(zhǔn)配方中的砂膠比設(shè)定為1∶1，并向其中摻入膠凝質(zhì)量為5%的硅灰、25%的礦粉、10%的膨脹劑，其中減水劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%，消泡劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%，水膠比對水泥基性能的影響如表3所示。

由表2通過分析水膠比對水泥基性能的影響可知，水膠比與水泥基流動(dòng)度之間呈現(xiàn)正比關(guān)系，隨著水膠比的不斷增大，可增強(qiáng)材料的流動(dòng)度。產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是水在灌漿料中起到潤滑作用，合理的水比例有利于降低混合料之間的摩擦力[15-16]。對試驗(yàn)樣本的強(qiáng)度進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)，試件的水化反應(yīng)速率可直接決定生產(chǎn)水化產(chǎn)物的數(shù)量，試件抗壓強(qiáng)度測試時(shí)間為1 d 時(shí)，水化反應(yīng)速率較快，其生成的水化產(chǎn)物增多。當(dāng)試件抗壓強(qiáng)度測試時(shí)間為3 d 時(shí)，水膠比的流動(dòng)性能較好，可有效排出灌漿料攪拌過程中卷入的氣泡，此時(shí)抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)上升趨勢。隨著水膠比的增大，使試件內(nèi)部微孔隙率逐漸增大，降低了試件的抗壓強(qiáng)度[17-18]。

3.2 攪拌方式對水泥基性能的影響

由于灌漿料易出現(xiàn)粒子團(tuán)聚的現(xiàn)象，可降低水泥基的強(qiáng)度。為解決該問題，采用水泥砂漿標(biāo)準(zhǔn)攪拌程序提高水泥基的強(qiáng)度。水泥砂漿標(biāo)準(zhǔn)攪拌程序，首先采用行星式水泥膠砂攪拌機(jī)完成混合料的攪拌；其次采用自動(dòng)控制程序控制攪拌機(jī)的攪拌速度，低速攪拌30 s 后向其中加水，加水完畢后在低速攪拌30 s，高速攪拌30 s 后停止90 s 攪拌；最后對混合料進(jìn)行高速攪拌，時(shí)間為60 s。全部攪拌過程均在室溫為21℃的環(huán)境下進(jìn)行，混合料應(yīng)保持干燥狀態(tài)。通過研究攪拌方式對水泥基性能的影響可知，隨著攪拌時(shí)間的延長，減水劑在混合料中發(fā)揮作用，使灌漿料的流動(dòng)度增大，從而增強(qiáng)灌漿料的水泥基強(qiáng)度[19-20]。攪拌手段對水泥基性能的影響如表4所示。

4 結(jié)語

為滿足水泥基灌漿材料的性能要求，采用普通硅酸鹽水泥和快硬性硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行復(fù)配，通過該方式作為高性能水泥基灌漿料的膠凝材料，并向灌漿料中加入水泥、骨料、外加劑等成分。水泥基灌漿料具有合理的級(jí)配，將其與水均勻混合后，可使水泥基灌漿料具有流動(dòng)性強(qiáng)、微膨脹、不泌水以及無毒無害等特性。在未來發(fā)展中，應(yīng)進(jìn)一步研究水泥基灌漿料的多種性能差異。

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