高性能水泥基灌浆料试验研究.doc

高性能水泥基灌浆料试验研究第22卷第1期2008年1月济南大学(自然科学版)JOURNALOFUNIVERSITYOFJINAN(Sci.&Teeh.)V01.22No.1Jan.2008文章编号:16713559(2008)01001104高性能水泥基灌浆料试验研究杜纪锋,叶正茂,芦令超,常钧(济南大学材料科学与工程学院,山东济南250022)摘要:利用硫铝酸盐水泥,粉煤灰,砂,减水剂等配制高流动性硫铝酸盐水泥基灌浆材料(SAGM).采用均匀性试验设计,并用灰色关联度软件计算机分析试验.试验表明:1d,3d抗压强度分别达到48MPa,62MPa;1d,3d抗折强度分别达到9.3MPa,10MPa,展现出良好的力学性能;1d膨胀率为+0.038%,属于微膨胀,可避免因收缩引起的表面裂微.满足自流平灌浆料技术要求.利用SEM,EDS等测试手段进行微观分析,发现水化1d就有大量凝胶和针柱状钙矾石生成,得出该灌浆料具有快硬早强特点的原因.关键词:硫铝酸盐水泥;灌浆料;力学性能;膨胀干缩;灰色关联度中图分类号:TQ172文献标识码:A长期以来,灌浆料在建筑工程中是一类应用量大,使用面广的建筑材料.特别是自流平材料,先后开发了石膏系,水泥系及聚合物水泥自流平砂浆,普遍应用于机械设备安装和加固修补工程中J.目前在使用水泥基灌浆料时,由于普通水泥体积收缩容易产生微裂纹,导致支座安装后支座板下不密贴;另外,强度发展慢,耐久性差,影响结构稳定性和使用寿命.因此,开发新型高性能水泥基灌浆料已成为当务之急,自流平砂浆作为薄层材料,应在数小时内硬化,ld强度可允许在上面行走,最终硬化的砂浆应具有均匀,坚硬,平整和光滑的表面.硫铝酸盐水泥水化产物主要为钙矾石,具有形成速度快,高结合水能力以及微膨胀性等特点.本试验用特种水泥为基材,通过对多种新材料的选择和试配,制备硫铝酸盐水泥基灌浆料简称SAGM灌浆料.收稿日期:20070904基金项目:国家自然科学基金(50672033);山东省自然科学基金(Z2006F01);济南市科技攻关计划(051085)作者简介:杜纪锋(1980一),男,山东聊城人,硕士生;芦令超(1963一),男,山东邹平人,教授,硕士生导师.1原材料试验所用的主要原料:水泥SAC为硫铝酸盐水泥(R?SAC42.5),淄博生产,比表面积为450in/kg;I级粉煤灰(FA),邹城电厂产;标准砂(ISO);NCK型修补剂,济南产;FNC一3缓凝型复合高效减水剂,济南产.2试验过程及结果2.1灌浆料检验指标与试验方法高性能灌浆料的技术指标主要包括流动度,限制膨胀率,抗压强度.流动度试验按混凝土外加剂应用技术规范(GB501192003)和水泥基灌浆材料中的规定进行.其中截锥形圆模的尺寸改为:高度600.5mm;上口内径700.5mm;下口内径1000.5mm;下口外径120him.并取消捣棒插捣,取消振动,用卡尺测量胶砂底面最大扩散直径及与其垂直的直径,计算平均数,取整数.抗压强度的检验参照水泥胶砂强度检验方法(GB/T176711999),取消振动成型,将材料灌入试模,选择需要的龄期进行试验.膨胀率参照混凝土外加剂应用技术觏范(GB501l92003)和JC31382膨胀水泥膨胀率试验方法进行试验.脱模测定初长及水中养护ld,3d,7d,14d时的值,14d后转入干空气中,测干空气中14d,28d时的膨胀率.2.2采用均匀设计安排试验影响灌浆料的性能因素很多,文中考虑水灰比,灰砂比,矿物掺合料,修补剂掺量以及高效减水剂5种因素.均匀设计是试验条件优化和最优条件寻找的常用方法,与正交试验相比,它具有试验点均匀分布,试验次数更少的特点j.试验设计通过均匀设计表来完成,每一个均匀设计表有一个代号(q),其中表示均匀设计,n表示试验次数,q表示每个因素具有的水平,s表示该表的列数.表济南大学(自然科学版)第22卷中附有组成方案的均匀度及其偏差,偏差越小,表示均匀度越好.本试验选择(12)均匀设计表中第1,3,4,8,10列,并作水平转换,相应因素水平见表1.表1因素水平表2.3试验结果由于硫铝酸盐水泥3d强度达到28d强度的80%以上,因此本试验以初始流动度及3d抗折,抗压强度为指标.试验结果见表2.表2均匀设计试验结果3试验结果分析在数据处理方面大部分采用传统的试验回归方法,然而该方法仅能考虑少量影响因素的作用,且建立的计算模型十分复杂,往往带人人为因素和相应的局限性,目前,灰色系统理论已发展成一门新的边缘学科,并在众多科学领域得到了应用,近年来灰色理论在水泥混凝土工程中得到了广泛应用.3.1灰色关联度分析方法灰色关联度的基本思想是一种相对性的排序分析.通过分析,比较参考曲线与结果曲线在几何形状上的差别,来确定关联度的大小,主要用来描述各因素对结果的影响程度.灰色关联度分析对样本没有特别的限制,而且能揭示因变量与自变量之间的非线性关系,当试验次数偏少,水平数偏多时均匀试验更显出其优越性.设有参考序列,记为t,t=1,2,;k=1,2,3.比较序列记为置t,t=1,2,;=1,2,孔.第1步:数据无量纲化处理.各指标的物理意义不同,数据的量纲也不同,为便于分析,保证各指标具有等效性和同序性,需要对原始数据进行规格化处理.常用的数据处理方法有初值化,均值化,区间相对值化和归一化,文中采用均值化得出数据序列.=,()()Uk(t)=L一,(t)=上L一,第2步:计算与间的关联系数和关联度;“(t)=minminfY()一Yt()f+JDmaxmaxfY()一Y()flY(t)一Y(t)f+pmaxmaxlY(t)一Y(t)l(t)为曲线Y与Y在第t点的相对关联系数,P为分辨系数,其作用是提高关联系数之间的差异显着性,通常情况取P=0.5;由于关联系数的个数较多,信息过于分散,不便于比较,因此常用信息集中处理方法把各关联系数集中为一个值.求平均值即是这种信息集中处理方法之一,于是得到关联度的计算公式:1“=()I=l3.2结果分析本试验采用灰色关联分析试验结果,各因素与指标的关联度见表3.其中:一指标与因素的关联度;一抗折强度与因素的关联度;一抗压强度与各因素的关联度;.i一流动度与各因素的关联度.从关联度分析可以看出各种因素对SAGM灌浆料力学性能的影响排序,抗折强度和抗压强度的各因素关联度排序为:l5>l2>ll>l3>24和25>1>>33>,说明减水剂,水灰比,灰砂比是影响灌浆料力学性能的主要因素,粉煤灰,修补剂为次要因素;流动度的各因素关联度排序为:3>>8928522338m&U&&454253191.5.D.6.掘卯000O50500000渤拗姗枷扔渤444222888l11111000如加如加m8m55858m2525251,21.21.2拍勰如m件甜甜付第1期杜纪锋,等:高性能水泥基灌浆料试验研究表3灰色关联度表0.6693590.6980210.6165610.5513190.784463“Y2i0.7732440.7113930.6959060.6053630.791997.>.>.,说明水灰比对灌浆料流动度的影响程度最大,灰砂比,修补剂,粉煤灰和减水剂依次次之.综合考虑各指标可知,在7号配合比的基础上,适度增加修补剂掺量,再酌情控制粉煤灰的掺量,可进一步提高灌浆料的力学性能,并保证必要的流动度,以满足灌浆料的可灌性指标.补充试验结果见表4.由数据可知:13#和1甜试样两组配比符合设计指标,故确定13#和14#为SAGM灌浆料的最佳配比.表4SAGM试验配合比试验结果3.3SAGM灌浆料膨胀干缩试验SAGM灌浆料的膨胀干缩试验结果见图1.从图1可见,两组配合比砂浆试件在常温下都有一定程度的膨胀性,膨胀率在1d为3.810一,3d就达到2010一,且7d后膨胀基本稳定,14d后在干空气中未发现干缩发生,并有一定程度的膨胀.满足水泥基灌浆材料的技术要求.其中试样13#各龄期的膨胀率值均大于试样14#,说明膨胀率随着胶凝材料所占比例的增大而增大.0l020304O50龄期/d图1SAGM灌浆料膨胀干缩试验3.4微观结构分析灌浆料水化完全,水泥石结构致密,可从硬化浆ld体的SEM照片(图2,图3和图4)中清楚地看出,试样13#,14#1d就生成了大量钙矾石和凝胶.随着水化的进行,3d和28d试样中可看到大量凝胶,与空洞中的针状钙矾石互相交叉,粘连,形成了致密的硬化浆体的SEMEDS照片图3试样13#水化3d硬化浆体的SEMEDS照片2d图4试样14#水化1d.3d,28d硬化浆体的SEM照片H斛14济南大学(自然科学版)第22卷结构.另外,由于球状粉煤灰的填充作用,使大孔进一步变小,结构进一步密实.从图4可看出界面结合良好,硬化水泥石的结构均匀,密实.4结论(1)利用均匀性试验安排试验,减少了试验量,采用灰色关联理论分析试验数据,利用小样本试验得出了影响灌浆料指标的主要因素,同时找到了最佳配合比.(2)加入矿物掺合料和各种外加剂后,在水泥石中钙矾石与氢氧化铝凝胶,csH凝胶相互打接,使得结构较为致密,无大气孔缺陷,因此硬化浆体具有早强,高强和抗干缩性能.(3)SAGM灌浆料的高流动性能自动填充孔隙,灌浆层自流平整,无需振动密实;具有微膨胀性,可使灌浆料具有较高的界面结合力,增强其锚固能力;可用于铁路隧道,公路隧道的注浆处理,在不影响通车的情况下对路基进行加固,堵漏修补;还可用于设备基础灌浆,灌浆后24h即可开机运行,可在冬季施工.在冶金,化工,电力,建材等工业建筑及设备的钢筋锚固和基础灌浆等工程中具有很大的应用前景.参考文献屠立玫.我国建筑砂浆的发展方向J.新型建筑材料,1997,11:1315.朱永杰.自流平灌浆料在大型设备基础中的应用J.建筑技术开发,2002,8(1):3536.ADeGasparo,JKighelman,RZurbriggen,eta1.自流平地面砂浆的性能机理及应用J.新型建筑材料,2OO6,9:4-9.王燕谋,苏慕珍,张量.硫铝酸盐水泥M.北京:北京工业大学出版社,1999.国家发改委.水泥基灌浆材料M.北京:中国建材工业出版社.2005.方开泰.均匀设计J.应用数学,1980(34):363372.李云雁,胡传荣.试验设计与数据处理M.北京:化学工业出版社,2004.89101213方开泰.均匀设计与均匀设计表M.北京:科学出版社,l994.于伟民,宋洪斌,许金余.灰色系统理论在混凝土构件耐久性在评定中的应用初探c.烟台:第14届全国结构工程学术会议论文集(第三册),工程力学,2005:464468.SHENDerhsien,Whiaming,DUJiachong.ApplicationofGreymodeltopredictacousticalpropertiesandtire/roadnoiseonasphMtpavementC.Toronto:2006IEEEIntelligentTransporta-tionSystemsConference,2006:175180.张英姿,范颖芳,赵颖华.受盐酸腐蚀混凝土抗压强度的灰色预测模型J.建筑材料,2007,10(4):397401.刘思峰,郭天榜.灰色系统理论及应用M.河南:河南大学出版社,1991.严智渊.灰色关联分析与应用M.江苏:江苏科学技术出版社,1989.ExperimentonHigh-PerformanceCement.BasedGroutsDUJifeng,YEZhengmao,LULingchao,CHANGJun(SchoolofMaterialScienceandEngineering,UniversityofJinan,Jinan250022,China)Abstract:Thefactorsaffectingthemixingproportionoftheselflevelinggroutswereinvestigatedincludingthequantitiesofsulphoaluminatecement,flyash,sand,andwaterreducingagentwithuniformdesignmethod.AmethodofgreyrelationalanalysiswasalSOintroducedwhichcanmeattherequirementofspecification,symmetry,consistencyandpossessisotonicityafternondimensionaldisposa1.Theresultsdemonstratedthatthecompressivestrengthofthegroutsis48MPa,62MPa,theflexurestrengthis9.3MPa,10MPaincuringagesat1dand