水泥基灌浆料的研究现状

1、专题：水泥基灌浆料的研究与发展应用1. 课题研究的目的和意义水泥基灌浆料是一种由水泥、骨料(或不含骨料) 、外加剂和矿物掺和料等原材料,经工厂化配制生产而成的具有合理级配的干混料。加水拌合均匀后具有可灌注的流动性、微膨胀、高的早期和后期强度、不泌水等性能。混凝土结构的加固一直以来都是一个很热门的话题，随着国民经济的高速发展,人民生活水平的日益提高,人们对建筑的需求也不断发展,许多已有建筑物无论是外观状况还是使用功能,均已无法满足现代生活的要求,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。在以往的工程中

2、,多采用有机高分子材料,如:环氧树脂、不饱和树脂等。使用该类材料在施工过程中存在以下问题,如:环保问题,低温施工问题(在低温条件下,固化很慢,影响工期) ,焊接问题(钢筋焊接时需在115m以外,否则,会因温度过高而产生炭化,使材料失去原有的功能) ,防火问题(由于该类材料均不耐火,在遇到火灾时会因材料过早失强而产生不良的后果) 。由于加固技术还存在着若干问题，所以，我们要进一步加强研究。然而在实际工程项目中，实验研究的数据不一定能够满足实际要求，比如说加水问题，被加固构件内外强度悬殊大的问题，还有施工单位工人素质问题等等，所以在研究过程中这些问题都应该考虑。2.目前国内外研究现状及发展前景2.

3、1相关标准规范的发展1.1998 年3 月28 日,原冶金工业部发布了针对水泥基灌浆材料的第一部行业标准水泥基灌浆材料施工技术规程YBPT9261298 ,首次系统地明确了灌浆工艺及要求。22005 年4 月11 日,国家发展和改革委员会发布了建材行业标准水泥基灌浆材料JCPT98622005 。水泥基灌浆材料的性能应符合表2.1的要求。表2.1 水泥基灌浆材料的技术性能要求 项目技术指标粒径4.75mm方孔筛筛余/%2.0凝结时间初凝/mm120泌水率/%1.0流动度/mm初始流动度30min流动度保持值260230抗压强度/Mpa1d3d28d20.040.070.0竖向膨胀率/%1d0.

4、020钢筋握裹强度（圆钢）/%28d4.0对钢筋锈蚀的作用应说明对钢筋有无锈蚀作用3.2008 年3 月31 日,中国住房和城乡建设部与国家质量监督检验检疫总局联合发布了国家标准水泥基灌浆材料应用技术规范GBPT5044822008 ,系统地对灌浆工程的设计、施工、质量控制与工程验收提出具体要求。水泥基灌浆材料主要性能指标见表2.2所示。表2.2 水泥基灌浆材料主要性能指标类别类类类类最大集料粒径（mm）4.754.75且16流动度（mm）初始值30min保留值380340340310290260270*240*650*550*竖向膨胀率（%）3h24h与3h膨胀值之差0.10.350.020

5、.5抗压强度（Mpa）1d3d28d20.040.060.0对钢筋有无锈蚀作用无泌水率（%）02.2性能的研究灌浆料产品性能近年来发展很快,尤其是流动度等各项指标。下面通过国内外的几项研究来对其性能进行详细说明。 CGM灌浆料在加固工程中的应用1CGM灌浆料的各种性能及标准见表2.3。2. CGM灌浆料的配制。CGM灌浆料拌合时，加水量按产品说明书中的推荐用水量办理。如果在地脚螺栓锚固和栽埋钢筋时，用水量可根据实际情况适当减少，达到拌合均匀，水份浸透，灌浆料都能吃透水，不能流淌的程度，拌合用水一定采用饮用水。如果采用其他水源时，应符合砼拌合用水标准JGJ63-89的规定。可见水对灌浆料的影响和

6、使用是非常重要的，所以水必须符合标准。CGM灌浆料采用什么搅拌方法不限，但必须达到要求和标准，如果采用机械搅拌时，搅拌时间为1-2min，采用人工搅拌时，应该先加入2/3用水量搅拌2MIN，再加入剩余水量继续搅拌至均匀。每次搅拌视需要量而定，最好在60min 表2.3 CGM灌浆料的各种性能及标准项目型号竖向膨胀率（%）抗压强度（Mpa）流动度（mm）坍落度（mm）CGM-1 (普通)CGM-2 (普通)CGM-1（加固）CGM-2 (加固)0.020.020.020.02305022273050222740553845405538456585556565855565290270_270260

7、内用完。超过时间就不能按原标号使用，灌浆料非常昂贵，造成浪费是最大的损失，所以必须注意经济效益问题。在现场使用时，严禁掺入任何外加剂、外作料，任何外掺剂、掺合料都会影响灌浆料设计和使用效果的，因此特别强调这一点。3CGM灌浆锚筋。锚筋是这个大楼新增剪力墙的需要，将钢筋锚在原来基础上，然后进行剪力墙施工。CGM灌浆锚筋剪力墙的施工，它是将原设计所需直径的圆钢或螺纹钢筋固定在原来的基础上，通过这一施工过程将所需钢筋牢固的插栽在原来基础上，使其形成一体然后进行灌浆料施工，达到加大基础增加荷载，这是加固变更建筑物很简单，很直接的一种灵活有效的作法。4. 二次灌浆的技术要求。二次灌浆是在已经灌浆新部分基

8、础上继续施工。和前次即有连续，又有自己独立的施工特点和要求。因此：1）二次灌浆应从一侧开始，另一侧不能溢出为止。2）灌浆开始后，必须连续进行，不要间断，抓紧灌浆，尽可能缩短灌浆时间。3）灌浆过程中严禁振捣。4）第一次灌浆厚度不能超过30mm，如果整体厚度超过30mm，应该分次灌浆。5）有剪力坑的设备基础，应先灌剪力坑，24h后再进行二次灌浆。6）设备基础灌浆完毕4h(气温高于30时为2h)后，应在灌浆层终凝前沿设备基础边缘切45°斜角，然后将灌浆层硬化前用抹刀或铁锹等工具轻轻修理。5. 养护。 CGM灌浆料灌浆完毕后，应立即加盖湿草袋子或岩棉被，并保持湿润，达到养护和养生的规范。 如

9、果冬季施工时，养护措施还应符合混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002的有关规定。 CGM高强无收缩灌浆料达到拆模时间后，可进行设备安装时，具体时间如表2.4所示。表2.4 拆模和养护时间及环境温度的关系日最低气温（）拆模时间（h）养护时间（d）-100055151596724824141077 UEA/硅灰石粉对水泥基灌浆料性能的影响目前市场上水泥基灌浆材料根据胶凝材料的不同大致形成三类产品，一类是以高性能的硅酸盐类水泥为主要胶凝材料，同时加入膨胀组分来补偿水泥水化硬化过程中产生的收缩。该类灌浆料成本较低，可靠的后期强度增长，但应强化该类灌浆材料的优化试验，防止由于膨胀组分自身

10、性能的不足或与水泥品种的不适应而造成灌浆料产品质量的波动；另一类是以硫铝酸盐类水泥为主要胶凝材料，因其自身具有膨胀性能，故无需另外加入膨胀组分。该类灌浆料膨胀性能可靠，可制成速硬型产品，但应注意后期强度的发展问题；第三类灌浆料的胶凝材料构成较为复杂，采取多种类型水泥复合、矿物掺合料活性激发等手段形成凝胶体系，其膨胀来源仍以水化过程生成钙矾石为主，因其原料成分复杂，产品配合比需经常调整。本研究以普通硅酸盐水泥为主要胶凝材料，考察单掺UEA 膨胀和双掺UEA/ 硅灰石对水泥基灌浆料的膨胀性能、工作性能和强度的影响。1.UEA 对灌浆料性能的影响UEA 类膨胀剂是目前用量最多的膨胀剂品种之一，在水泥

11、早期水化阶段与Ca（OH）2反应生成大量钙矾石晶体从而引起水泥石的膨胀。本研究以UEA 膨胀剂等质量取代水泥，掺量分别为10%、12%、14%；灌浆料中胶凝材料与石英砂的质量比为11.11.2；FOXTM-8H 掺量为胶凝材料质量的0.3%；其他助剂按胶凝材料质量的0.01%0.03%外掺法加入；用水量为灌浆料质量的15%。参照JC/T 9862005水泥基灌浆材料对灌浆料的流动度、强度和竖向膨胀率等指标进行了测试。图2.1 UEA掺量与灌浆料流动度关系线图2.1 为不同UEA 掺量情况下灌浆料的流动度曲线，除14%UEA 掺量的灌浆料以外其余各试样流动度均达到JC/T 9862005 要求。

12、另外，随UEA 掺量的增加，灌浆料的初始流动度和30 min 流动度保留值均呈下降趋势，并且流动度损失增大。这一现象可能是由于UEA 消耗了水泥水化产物Ca（OH）2，加速了水泥水化反应，引起浆体的黏度增加所至，这种影响随UEA掺量的增加而愈发显著。图2.2 灌浆料膨胀性能曲线图2.2 为各试样7 d 竖向膨胀率变化情况，UEA 掺量在10%14%之间均可获得较满意的膨胀值，5 d 达到最大值，之后各试样均出现了不同程度的收缩现象。尽管按照JC/T 9862005 进行的竖向膨胀率试验，整个过程均保持试样表面润湿，避免了试样的干缩，但是试样的水胶比很低（0.310.33），在聚羧酸减水剂的作用

13、下产生的高流动性使试样较容易密实，外部水分较难渗入到试样内部，而毛细管内水分对内部水化用水的补充导致微管压力增加，产生了自收缩，因此自收缩有可能是造成5 d之后竖向膨胀率下降的主要原因。灌浆料强度试验往往与实际应用条件不一致，脱模后的试样在膨胀剂的作用下自由膨胀，如果水化产物不能及时的填充体积膨胀所形成的孔隙，则会导致强度下降，这种现象在膨胀迅速发展的阶段更加明显，当体积稳定后，随水化的进行，后生成的水化产物将使结构趋于密实，强度降低的幅度小于早期膨胀阶段。图2.3 不同UEA掺量灌浆料各龄期抗折强度图2.4 不同UEA掺量灌浆料各龄期抗压强度如图2.3、2.4 所示，掺UEA 试样各龄期的抗

14、折、抗压强度均小于无UEA 试样，并随UEA 掺量的增加强度减小。与无UEA 试样相比，掺UEA 试样早期强度的下降更加明显。然而，灌浆料在使用时发生的体积膨胀往往会受到各种形式的约束，如配筋约束、狭小空间约束、螺栓约束等，膨胀的结果会使内部结构更加密实，强度不但不会降低甚至有较明显增长。另外，各样品的早期强度较低，尤其是1 d 强度，远低于标准中20 MPa 的要求，可能是聚羧酸减水剂的“空间位阻”效应抑制了水化产物的凝聚以及R-COO-对Ca2+ 离子的络合作用，降低了溶液中的Ca2+ 离子浓度，延缓Ca（OH）2形成结晶，减少C-H-S 凝胶的形成，延缓了水泥的水化，从而导致早期强度发展

15、缓慢。2. 双掺硅灰石、UEA 灌浆料的性能天然硅灰石粉体具有针、棒状形貌，在水泥基材料中掺加硅灰石粉，可提高材料的抗折强度。在灌浆料使用的某些场合要求其具有较高的抗折强度（如轨道灌浆），为此以8%等质量取代水泥，与UEA 一起进行双掺试验。掺加8%硅灰石粉试样的各龄期抗折、抗压强度均比未掺的试样高；双掺试样中，硅灰石的早期增强效果更加明显，有可能是在膨胀快速发展的早期，纤维状的硅灰石粉体在试样中的三维乱向分布对自由膨胀产生约束，提高了试样的强度。由试验结果可知掺硅灰石的试样15 d 竖向膨胀率明显低于未掺硅灰石试样，硅灰石纤维起到了抵制膨胀的作用；与未掺硅灰石试样不同，6 d 和7 d 掺硅

16、灰石试样竖向膨胀率并未下降，体积保持相对稳定，硅灰石粉体的三维乱向分布对试样的自收缩同样也有一定的约束作用。掺硅灰石粉的试样初始流动度、30min 流动度保留值均低于未掺试样，究其原因：一是与水泥相比，本试验所选硅灰石密度低、粒径小，等质量取代水泥后，体系的比表面积增加，需水量增加，浆体黏度增加，再则由于硅灰石的针、棒状颗粒形态使浆体内阻增加，最终导致灌浆料的流动度下降。后张预应力孔道灌浆料的研究后张法有黏结预应力混凝土结构凭借其可靠的耐久性，在诸如桥梁、高层建筑等大跨度板梁结构中有着广泛的应用。孔道灌浆料则在该结构中承担着保护预应力钢筋不受有害离子侵蚀，以及使预应力钢筋和周围混凝土结为整体协

17、同工作的重任。因此，孔道灌浆料性能好坏直接关系到后张法有黏结预应力混凝土结构的耐久性。1. 试验结果与分析（1） CGM- 11 与太行水泥的配合试验首先对CGM-11 与太行水泥的配合比例进行确定。当CGM-11 以不同质量比例（8%、10%、12%）内掺于太行水泥时，初步的试验结果见表2.5。CGM-11 掺量为8%，且水胶比为0.33（性能改进指标所允许的水胶比上限）时，孔道灌浆料的初始流动度仅为28 s，达不到流动度指标要求。CGM-11 掺量为10%、水胶比为0.31 时，孔道灌浆料同时满足流动度和泌水率试验要求。CGM-11 掺量为12%时，孔道灌浆料也可达到指标要求。考虑到实际工

18、程应用中的成本问题，CGM-11 宜以10%的内掺比例与太行水泥进行配合。此时，孔道灌浆料的基本性能见表3。通过表2.6 可以看到，孔道灌浆料各项性能指标均满足所要求的改进指标。需要特别指出的是，孔道灌浆料的电通量和氯离子含量分别仅为1 202 C 和0.01%，远低于改进指标电通量2 500 C和氯离子含量0.08%的上限。表2.5 CGM-11 与太行水泥配合比例对孔道灌浆料基本性能的影响CGM-11 掺量/%水胶比初始流动度/s30min 流动度/s3 h 毛细泌水率/%810120.330.310.29281918191800表2.6 CGM-11 以10%内掺于太行水泥时孔道灌浆料的

19、基本性能初始流动度/s3 h 毛细泌水率/%30 min 流动度/s7 d 抗压强度/MPa28 d 抗压强度/MPa1901956.971.2初凝时间/min终凝时间/min电通量/C24 h 自由膨胀率/%氯离子含量/%465510120210.012孔道灌浆料的体积稳定性CGM-11 以10%质量比例内掺于太行水泥，制得孔道灌浆料，水胶比采用0.31，Shrinkage-Cone 对其从拌和成型直至28 d龄期的体积变化情况测试结果见图2.5（实验室温度（23±2），相对湿度80%）。图2.5全面地反映了孔道灌浆料从拌和成型直到28 d 的体积变化情况：孔道灌浆料从拌和成型开始

20、，1 d 之内便产生快速膨胀，24 h 时体积变化率为0.94%，1 d 后体积变化相对稳定，28 d时体积变化率为0.98%，其间有0.04%的微膨胀产生，证明孔道灌浆料的膨胀组分恰到好处地弥补了其中后期的硬化收缩。孔道灌浆料的膨胀量大小的控制是很重要的，这主要是通过不同膨胀组分的加入和调节来实现的。通过早期膨胀组分和中后期膨胀组分的加入，孔道灌浆料可分别获得相应的早期塑性膨胀和中后期的硬化膨胀，从而弥补其随龄期而产生的收缩。图2.5 CGM-11以10%内掺于太行水泥时孔道灌浆料的体积变化率孔道灌浆料膨胀时间的控制很重要，如果膨胀发生在孔道灌浆料灌注之前，那么它将达不到补偿收缩的目的。图2

21、.5（b）更为清晰地反映了孔道灌浆料从拌和成型开始直至24 h 的体积变化情况：孔道灌浆料从拌和成型开始，在1 h 时仅产生0.04%的自由膨胀量，其后自由膨胀量开始稳步增大，在6 h 时达到0.91%的自由膨胀量，然后膨胀量增加放缓，24 h 时自由膨胀量为0.94%。由此可见，孔道灌浆料的自由膨胀主要产生于其加水拌和后16 h 之间的时间段内，在这个时间段内产生的自由膨胀非常有利于孔道灌浆料的灌注施工。3. 结论：当CGM-11 以10%的质量比例内掺于太行水泥时，在0.31 的水胶比下制得的孔道灌浆料基本性能优异，其中3 h 毛细泌水率为0、电通量和氯离子含量分别仅为1 202 C 和0

22、.01%，远低于改进指标。德国schleibinger 公司的Shrinkage-Cone 测试仪，可连续地测试孔道灌浆料从拌和成型直至中后期硬化阶段的体积变化率，因而测试结果更为准确、科学。数据显示：孔道灌浆料早期的塑性膨胀主要集中在16 h 之间，有利于实际灌注施工；孔道灌浆料在中后期的硬化过程中仍然有微膨胀作用，因而体积稳定性良好。 豆石型灌浆料的力学及变形性能试验研究1.豆石型灌浆料的力学性能为了解豆石型灌浆料与普通型(精细型) 灌浆料在力学性能方面的不同,笔者所在研究小组对豆石型灌浆料进行了前期试验研究。研究采用正交原理,以豆石型灌浆料的加水量(12 %、13 %、14 %三种) 和

23、豆石掺量(0 %、15 %、25 %、35 %四种) 为研究参数,考察这两个参数对豆石型灌浆料力学性能(立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度以及弹性模量) 的影响。研究表明,当豆石掺量定时,豆石型灌浆料的立方体抗压强度、轴心抗压强度和劈裂抗拉强度随加水量的增加而降低,弹性模量随加水量的影响变化不大。当加水量小于14 % ,豆石含量小于35 %时,豆石型灌浆料的力学指标随豆石含量的增加而提高。此外,试验还发现,豆石型灌浆料的劈裂抗拉强度比同等级的普通混凝土高40 %左右,弹性模量差别不大,而轴心抗压强度由于存在尺寸效应无法给出确定的结论。因此,本文为完善豆石型灌浆料的力学性能研究,在前期试

24、验的基础上,又设计了本次补充试验。2.结论在前期豆石型灌浆料力学性能研究的基础上,又进行了力学及变形方面的补充试验,主要研究了豆石型灌浆料的尺寸效应、强度转化关系、强度随龄期的变化规律和应力应变关系。主要得到以下结论: （1）豆石型灌浆料具有早强特性,其3 d 抗压、抗拉强度可达到28 d 强度的80 %左右。（2）豆石型灌浆料标准立方体抗压强度与标准棱柱体轴心抗压强度的强度转化系数为0191 ,该值比普通混凝土大很多,说明豆石型灌浆料的轴心抗压强度确实要比同等级的混凝土高。（3）试验测得的豆石型灌浆料的应力应变曲线与普通混凝土基本相似,只是个别特征点的位置有所变化。2.3 现有灌浆料存在的技

25、术缺陷及解决方案上世纪九十年代初,国外灌浆料陆续进入中国建筑市场,如美国的五星牌、香港的GJL 等品牌。由于其价格昂贵,后逐步被国产灌浆料所代替:如CGM、SDA - 666等。国产灌浆料和进口灌浆料相比较具有明显的经济优势,价格仅为进口灌浆料的1 /3。同时也存在明显的质量差距: 相对新拌料体流态效应较差,保塑时间偏短,且大多数伴有微型气泡。强度较差,尤其是早期强度效应,一般只相当进口灌浆料的一半。这些问题的存在,不但给施工带来一定难度,在某种特定条件下,还会对工程质量,工程进度产生一定的负面影响。从理论上分析,造成缺陷的原因可能有三个方面:第一是配方;第二是工艺;第三是材料。从配方方面分析

26、,各材料比例可以通过优化试验进行合理调配,按照我们现有的试验水平应不成问题,从工艺方面分析,灌浆料的生产工艺是几种材料的计量复合,只要计量准确,拌合均匀,就能够达到预期的工艺效果。从材料方面分析,材料质量差异成为主要问题。进口灌浆料全部采用52. 5硅酸盐水泥,国内灌浆料一般均采用42. 5普通硅酸盐水泥,在不同水泥品质技术条件下,复合相同数量的膨胀剂,是造成早期强度及后期强度差异的主要原因之一。其次是高效减水剂,进口灌浆料采用的高效减水剂一般减水率都在30%以上,而国产灌浆料采用的高效减水剂减水率通常只有20%左右。这不但使强度值有所影响,也是流态效应差异的主要原因。最后是保塑成分,进口灌浆

27、料一般采用高分子有机物进行保塑,而国产灌浆料大多数采用木钙,糖钙类进行保塑。木钙、糖钙的弊病是,加少则保塑时间不足,加多则凝结时间过长,且早期强度低,气泡较多。针对以上分析结果,技术方案拟定,利用新型材料,重新调整配方,严格生产工艺,研制出强度C80,流动度300mm,保塑时间2小时损失率10%。且宏观无气泡的新型灌浆料。技术措施: (1)用52. 5优质硅酸盐水泥代替42. 5普通硅酸盐水泥。(2)用聚羧酸盐减水剂代替萘磺酸盐减水剂。(3)用高分子保塑剂代替木质素磺酸钙。(4)通过正交试验寻求最佳配方。(5)校验试验器具。经过反复试验及技术调整,利用新型材料提升灌浆料质量水平的课题目标得以实

28、现。具体检测数据见国内外灌浆料主要技术指标检测对比表:从主要技术指标对比表我们可以看出,经过调整优化后的新型灌浆料泌水,气泡现象已完全消失,抗压、抗折强度整体水平达到进口灌浆料最好水平。2小时内流动度基本无损失,保塑性能亦明显优于进口灌浆料最好水平。综合经济效益分析,新型灌浆料的生产成本基本维持在原来灌浆料生产成本以内。同进口灌浆料目前市场价相比较,售价仍不超过进口灌三分之一。2.4 灌浆料前景展望 施工方案改进现在大部分水泥基灌浆料的施工方法如下：混凝土基层处理模板支设拌合浆料灌浆养护和拆模。以上是传统的灌浆料的施工方法，我认为随着科技的进步和人们的不断研究，灌浆料在施工方案上也会得到改进，

29、使其向着方法简单，设备简易，成本低，质量高的方向发展。 材料的发展方向随着国内外外加剂的迅速发展,灌浆料的发展也日新月异。除常规产品外,类似BY220H2 等抢修型灌浆料的高端产品才是灌浆料的发展趋势所在。类似产品缩短了工期,方便了施工,得到了施工单位的广泛认同。目前国内高强自流平无收缩灌浆料是由高强胶结成分、超塑化组分、膨胀组分、优选高强微骨料组分以及一些微量改性组分以适当比例共同粉磨而成。其与水反应生成大量膨胀结晶矿物水化硫铝酸钙,以此而实现材料自身的无收缩;同时该材料有大的流动性,施工性好,能够自流找平,可操作时间长,且完工后表面光滑平整,在高速铁路、客运专线、高速公路等的支座灌浆中广泛应用。另外,近年来也出现了许多新的材料,如用于板式无碴轨道,采用水泥、乳化沥青、砂及各种掺和料混合而成的CA 砂浆,预应力孔道灌浆剂等,大都伴随着新材料的复配,在项目上有着广泛应用。可以预见,通过在特种骨料和胶凝材料中加入各种高效减水剂、硅微粉、矿渣微粉、阻裂纤维、可再分散乳胶粉等聚合物添加剂,新一代的灌浆料今后会朝着性能优越、成本低廉的方向有更大的发展。 应用范围的扩大灌浆料不仅被广泛的应用到结构的加固工程中，而且在。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。作