摘要
超早强水泥基灌浆料适合于混凝土构件及建筑的快速修补、设备基础二次灌浆等领域，也可用于客运专线盆式橡胶支座的灌注、跨海大桥简支箱梁支座及支座锚栓孔的灌注等，具有广阔的应用景。本课题分别选用硫铝酸盐水泥和普通水泥作为灌浆料胶凝材料，粗砂和细砂作为复合集料，结合使用聚羧酸高效减水剂。同时，由于在机械搅拌过程中会引入很多微小气泡，因此部分实验中加入了磷酸二丁酯作为消泡剂。要求灌浆料具有良好的工作性，再根据流动度测试和标准的强度测试方法来判断灌浆料的性能，通过利用不同胶砂比进行实验测取数据得出最优胶砂比。利用正交试验，采用规定的搅拌和测试方法，通过分析各因素的影响大小，得到了最佳的胶砂比、粗砂与细砂比以及减水剂掺量，配制出了初始流动340mm、30min后流动度310mm的优良工作性，3d强度达到90MPa的早强灌浆料。
〇
引言
灌浆料是一种以无机或有机胶凝材料为基材，在低水灰比的基础上加入细集料和一些外加剂（调凝剂、塑化剂、膨胀剂等）配制出来的砂浆。它不仅具有很大的流动度，而且早期强度高，并伴有早期微膨胀的性质[1-4]。装配式建筑方式和传统建造方式相比，通过内外墙板等产品的在工厂内进行产业化生产现场拼装，施工现场采用机械安装，大幅减少了现场工人的劳动强度及工人数量，并且受气候因素影响较小，能大幅提高施工速度，缩短建设周期。预制构件在工厂采用机械化生产，产品质量更容易控制，施工精度也更高，是住宅建设发展的必然趋势和途径[5-6]。
本试验旨在研制出一种具有大流动性超早强的灌注砂浆，这种砂浆能够利用自身的重力迅速的混凝土块缝隙当中，将集料包裹，并在其中硬化凝结，短时间内产生强度，恢复完整的结构。本试验设计的灌浆料施工时间超短，使用条件要求也不高，即便是在大风、潮湿或是其他恶劣的天气里均可施工，施工程序简单，可大大节省施工时间，并保证施工质量[7-8]。过去曾采用环氧树脂砂浆灌浆料，不但有毒会对人体造成伤害，而且价格昂贵，不能被人们广泛接受，只能用于极其重要的建筑物的修补，而该水泥基灌浆料的成本相对很低，能够普遍的用于混凝土制品的维修及各种灌注工艺中，具有现实意义[9-10]。
一
试验原材料和方法
1.1 试验原材料
水泥采用某水泥厂生产的 42.5 级快硬硫铝酸盐水泥和42.5级普通硅酸盐水泥。两种水泥的化学成分如表1所示，物理性质如表2所示。
表1 两种水泥的化学成分（%）
水泥SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgONa2OK2OSO3f-CaO
硫铝酸盐水泥 10.8 28.933.7245.21.46//8.87/
普通水泥19.84.712.91160.51.420.21.23.10.86
表2 两种水泥物理性质
品种标准稠度用水（%）凝结时间（min)抗压强度（MPa)抗折强度（MPa)
初凝终凝3d28d3d28d
普通水泥2819031021.647.04.57.1
硫铝酸盐水泥24488043.171.17.09.2
细集料采用普通河砂与精选细砂，两种砂源全部经过仔细的清洗，去除泥土等杂质，自然风干后使用。经过测试细砂细度模数1.1和普通河砂细度模数为2.6，砂极配均良好。减水剂为天津某公司生产的聚羧酸高性能减水剂，含固量40.54%，减水率30%。
1.2 试验方法
1.2.1复合水泥体系的实验设计
本实验根据研究目标综合考虑到胶凝材料中两种水泥独自的物理特性，采用硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥不同比例互掺的复合体系，希望可以通过实验可以明显获取不同比例掺和对灌浆料的工作性、力学性能等主要参数的影响规律。掺和比例如表3所示。
表3复合胶凝材料的配制比例
序号复合胶凝材料（%）
普通硅酸盐水泥硫铝酸盐水泥
10100
22080
34060
46040
1.2.2 灌浆料胶砂比的实验设计
众所周知，灌浆料存在收缩的风险，集料具有良好的级配可以抵抗收缩和改善力学性能。本部分实验采用河砂，选取了三组胶砂比，分别是1:1、1:1.2、1:1.5,希望在试验中可以明显得到胶砂比变化对灌浆料的工作性、力学性能等主要参数的影响规律。
1.2.3正交试验
在本章的试验中，保持水胶比保持在0.27不变，通过正交优化实验设计方法，确定不同胶砂比，不同减水剂用量，粗细集料不同比例对灌浆料的工作性、力学性能等主要参数的影响规律，以获得最佳配合比。正交试验的因素水平表如表4所示。
表4 正交试验的因素水平表
胶砂比 A粗砂与细砂比B减水剂含量C
11:1.43:12‰
21:1.22:13‰
31:1.01:14‰
表5正交试验设计试验配合比
编号ABC水泥粗砂细砂水减水剂
11118338752922251.67
21228337783892252.50
31338335845832253.33
42219097273642451.82
52329095465452452.73
62139098182732453.64
733110005005002702.00
831210007502502703.00
932310006673332704.00
采用表5配合比制备灌浆料进行流动性能测试和力学性能测试，其中流动性能分别测试初期及留置30min后数据，力学性能测试按照水泥胶砂强度检验方法（GB/T17671-1999)进行，分别测取1d、3d、28d的抗折、抗压强度。
二
实验结果分析
2.1复合水泥体系灌浆料对其性能的影响
2.1.1复合水泥体系对水泥灌浆料流动度的影响
按照试验方法1.2.1得出实验数据如图1所示。
图1 不同复合比例情况下的流动度
从图1中可以看出，随着普通硅酸盐水泥掺量的提高，初始流动度逐渐降低，而30min后期流动度未因复合比例的调整而变化，流动度损失值在逐渐降低。根据2008年发布的《水泥基灌浆材料应用技术规范》中提到Ⅱ类灌浆料在最大尺寸粒径≤4.75的时候，其初始流动度不低于340mm，30min后不低于310mm，所以以上四种水泥复合体系都是满足要求的，总体而言不同的水泥复合情况对灌浆料的流动度影响不大。
2.1.2复合水泥体系对灌浆料力学性能的影响
按照试验方法1.2.2得出实验数据如图2、图3所示。
图2 不同复合比例对抗压强度的影响
图3 不同复合比例对抗折强度的影响
如图实验结果可以得出，随着普通硅酸盐水泥用量的提升，灌浆料1d、3d早期强度产生大幅度下滑，但28d强度影响不大，这主要是由于普通硅酸盐水泥的后期强度会继续拥有较大的增加能力，但是因为灌浆料需要具备较高的早期强度，而且在抗折中显示出掺量过大会导致抗折强度很低，综合考虑两图可以选择是0-20%之间进行取代，保证后期强度不降低的条件下并且充分保证了灌浆料的早期强度。
2.2灌浆料胶砂比对其性能的影响
2.2.1 胶砂比对灌浆料流动度的影响
本实验参照的是GB/T 50448-2008附录A进行的流动性测试实验。不同胶砂比下的灌浆料流动度柱状图如图4所示。
图4不同胶砂比下的灌浆料流动度柱状
图5不同胶砂比对砂浆抗压性能的影响
图6不同砂胶比对砂浆抗折性能的影响
随着胶砂比的减少，由于胶凝材料减少和集料的增加，所以流动度呈现下降趋势，且因集料比表面积的增大，需水量就会增加，出现流动度损失增加。
通过图5和6可得出，由于骨料在结构中起到骨架的作用，强度的一部分来自骨料，所以第二组分相对第一组，骨料增加提高了前期力学性能，但是由于水灰比的因素，在砂的含量增加的时候，相同水灰比条件下，水量不足，使得水泥水化不均匀，对整个体系的力学性能产生负面的影响，通过比较可以得出结论，在胶砂比为1:1和1:1.2之间的情况下，灌浆料不仅能拥有较好的流动性，而且力学性能也很好。
2.3 正交设计实验及分析
2.3.1 正交试验流动性分析
图7正交试验流动度柱状图
通过图可以看出30min后灌浆料的流动度都会有不同程度的损失，其中第5、6组分的损失比较大，但是依然符合国家标准，第一组分所得到的实验结果小于国家标准，对1、2、3还有4、5、6、以及7、8、9组分分别对比，可得出在胶砂比一定的情况下，流动度随着减水剂含量的增加而增加，这是因为减水剂增加后，能够更好的达到水泥充分的水化，打开水泥存在的一些絮凝结构，并且减少与骨料之间的缺陷，使得整个体系更加均匀，灌浆料的和易性增加，从而流动性变好。同样，对1、4、7和2、5、8以及3、6、9组分分别对比，发现在减水剂掺量一定的条件下，流动度随着胶砂比的增加而增加，这是由于胶砂比增加，使得整个体系中水泥含量增加，骨料含量减少，所以流动度必然呈现增加的趋势，
2.3.2 1d正交设计实验强度分析
1d强度是超早强材料的重要指标，根据2008年发布的《水泥基灌浆材料应用技术规范》中提到Ⅱ类灌浆料一天抗压强度不得低于20Mpa。一天抗压强度分析，对于一天试件的抗压强度实验结果及计算如表6所示，各因素的趋势图8所示。
表6 1d抗压强度实验结果分析表
A B C实验结果
1
2
3
4
5
6
7
8
91 1 1
1 2 2
1 3 3
2 2 1
2 3 2
2 1 3
3 3 1
3 1 2
3 2 336.13
38.56
40.92
49.05
49.37
49.15
39.46
46.26
48.34
K1115.61131.54124.64
K2141.57133.95132.19
K3134.07127.47136.42
k138.5743.8741.55
k247.1944.6544.06
k344.6942.4945.47
8.652.163.93
A2B2C3
图8 1d抗压强度因素效应曲线图
（1)极差分析
根据表6 1d抗压强度实验结果分析表和图2 1d抗压强度因素效应曲线图可以得出以下的结论：
①从表中最终计算的结果可以看出最优的配比为A2B2C3，并不在表格所做的九组实验中，可以推断实验所做出最高强度将大于49.37MPa，达到了很高的早期强度。
②每个影响因素中，胶砂比因素的影响效果最大，参照图8可见当水胶比为1:1.2的时候强度影响最好，而且胶砂比影响的跳跃性很大，1:1.2的明显强于其余两组情况，说明胶砂比选取在1：1.2比较好。
③粗砂和细砂的比例影响效果最小，而且随着减水剂含量的增加，对强度的影响逐渐增加。
2.3.3 3天的抗压强度分析
3d强度是超早强材料的重要指标，根据2008年发布的《水泥基灌浆材料应用技术规范》中提到Ⅱ类灌浆料一天抗压强度不得低于40Mpa。一天抗压强度分析，对于三天试件的抗压强度实验结果及计算如表7所示，各因素的趋势图9所示。
（1)极差分析
根据表7 3d抗压强度实验结果分析表和图9 3d抗压强度因素效应曲线图可以得出以下的结论：
①从表中最终计算的结果可以看出最优的配比为A2B3C2，就是在所做试验中的第五组实验，达到了满足标准的63.58MPa，达到了很高的早期强度，九组实验中最低的强度也达到了51.94MPa，均达到了标准值。
②每个影响因素中，减水剂含量的因素的影响效果最大，参照图9可见当减水剂为3‰的时候强度影响最好，而且减水剂含量影响的跳跃性很大，3‰的明显强于其余两组情况，说明减水剂选取在3‰比较好。
③与1d测试结果相似，胶砂比对强度的影响也很大，而且在水胶比为1:1.2的时候强度影响最好，而且胶砂比影响的跳跃性很大，1:1.2的明显强于其余两组情况，说明胶砂比选取在1：1.2比较好。
④粗砂和细砂的比例影响效果十分小，参照图9可知，而且影响十分稳定，相对于其他两个因素而言，可以把粗砂和细砂的影响视为无影响。
表7 3d抗压强度实验结果分析表
111151.94
212253.58
313355.99
422155.71
523263.58
621358.51
733151.59
831260.44
932361.80
K1161.5170.89159.23
K2177.80171.08177.60
K3173.83171.16176.30
k153.8456.9653.08
K259.2757.0359.20
K357.9457.0558.77
5.430.08756.125
A3B1C3
图9 3d抗压强度因素效应曲线图
2.3.4 28d抗压强度分析
表8 28d抗压强度测试表
1111 76.6
2122 71.4
3133 73.1
4221 73.4
5232 80.9
6213 86.9
7331 81.8
8312 98.1
9323 98.9
K1221.1261.6231.8
K2241.2243.7250.4
K3278.8235.8258.9
k173.787.277.1
K280.481.283.46
K392.978.694.0
19.28.616.9
A3B1C3
极差分析：
根据表8 28d抗压强度实验结果分析表和图10 28d抗压强度因素效应曲线图可以得出以下的结论：
图10抗压强度因素分析
图11 28d抗压强度测试
①从表中最终计算的结果可以看出最优的配比为A3B1C3，改组实验并没有出现在上述的九组试样中，九组实验中最低的强度也达到了71.4MPa，后期强度并不是很高，没有达到预期的目标。
②每个影响因素中，胶沙比的因素的影响效果最大，参照图10可见当胶沙比为1:1时强度最好，其次是减水剂的含量，当减水剂为4‰的时候强度影响最好，而且胶沙比和减水剂含量影响的跳跃性很大，粗砂和细砂的比例影响依然很小。
③粗砂和细砂的比例影响效果十分小，参照图10可知，而且影响十分稳定，相对于其他两个因素而言，可以把粗砂和细砂的影响视为无影响。
通过图11可知，相比较而言，1d、3d、28d强度走势基本相同，后期强度虽然没有出现倒缩，但是增加不是太多，第6-9组增加幅度相比较较大。
三
结论
（1）在胶凝材料复合体系中，随着普通硅酸盐水泥的掺量增加，试块的早期强度呈下降的趋势，虽然在28d掺入60%的试块测试中可以很高，但是因为灌浆料需要具备较高的早期强度，选择是0-20%之间进行取代，保证后期强度不降低的条件下并且充分保证了灌浆料的早期强度。
（2）在胶砂比试验中，所制备的灌浆料流动度会随着胶砂比的降低而逐渐的减小。当胶砂比为1:1.5时，流动度不能达到标准，无法正常施工，胶砂比为1:1.2组强度比较高，所以综合考虑选择在胶砂比为1:1和1:1.2之间的情况下，灌浆料不仅能拥有较好的流动性，而且力学性能也很好。
（3）通过对复合而成对胶砂比，胶砂比、粗细砂比例和减水剂含量所进行的正交试验，确定了最优的实验方案，即胶砂比为1:1.2，减水剂含量为3‰的配比。由于粗砂和细砂比例影响较小，可视为我影响。
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作者：王宏炜
