水泥基灌浆料的性能实验研究

水泥基灌浆料的性能实验研究

摘要：水泥基灌浆料是目前注浆工程中应用最广泛的浆材，泥基灌浆料与传统

细石混凝土相比 , 具有流动性更好、强度更高和施工易于控制的特点 ; 与传统环氧砂浆相比 ,具有膨胀性好、施工简便快捷等特点。本文主要通过实验来研究水泥基灌浆料的流动性，竖向膨胀率，有效承载面，抗压强度性能。 关键字：水泥基灌浆料 流动性 竖向膨胀率 有效承载面 抗压强度

Experimental study on performance of

cement-based grout

Abstract：Cement-based grout grouting project is currently the most widely used

pulp wood, clay-based grouting material compared to traditional fine aggregate concrete has better mobility, higher strength and construction features easy to control; with traditional epoxy mortar compared with the expansion is good, quick and easy construction and so on. In this paper, cement-based grout to study the mobility, vertical expansion through experiments, the effective bearing surface, compressive strength and properties.

Key word：Cement-based grout Liquidity vertical expansion effective bearing surface compressive strength

目录

1.水泥基灌浆料..................................................................................................... 3

1.1水泥基灌浆料研究的背景和意义.......................................................... 3 1.2 国内外灌浆材料研究概况..................................................................... 3

1.2.1 国外灌浆材料研究概况.............................................................. 3 1.2.2 国内灌浆材料研究概况.............................................................. 4

2水泥基灌浆料特性的物理化学性质................................................................. 5 3.高性能水泥基灌浆料性能试验......................................................................... 6

3.1实验材料.................................................................................................. 6 3.2试验主要测试技术指标.......................................................................... 6 3.3试验方法.................................................................................................. 7

3.3.1流动性......................................................................................... 7 3.3.2竖向膨胀率................................................................................... 7 3.3.3有效承载面................................................................................... 8 3.3.4抗压强度....................................................................................... 9

4配合比设计及主要试验结果........................................................................... 10 5试验结果分析及展望....................................................................................... 11 参考文献.............................................................................................................. 13 致谢...................................................................................................................... 16

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1.水泥基灌浆料

1.1水泥基灌浆料研究的背景和意义

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。[1]

灌浆材料在建筑工程中是一类应用量大、使用面广的建筑材料。水泥基灌浆材料是目前注浆工程中应用最广泛的浆材。[2]水泥基灌浆料与传统细石混凝土相比 , 具有流动性更好、强度更高和施工易于控制的特点 ; 与传统环氧砂浆相比 ,具有膨胀性好、施工简便快捷等特点。自20世纪90年代初 ,我国自主研发生产的水泥基灌浆材料在众多大中型企业的设备安装、建筑结构加固改造工程中得到广泛应用。目前国内从事水泥基灌浆材料的生产企业达200余家 ,年产量近50万t。近年来,由于新材料发展日新月异 ,新的外加剂如雨后春笋 ,我国灌浆料的技术性能飞速提高，其各项技术性能已达到国际水平。而灌浆料的使用范围 , 已逐渐从早期单一的冶金建设全面拓展到市政、环保、港口、电力、造纸等行业。

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BY- 2 20H2等抢修型灌浆料的高端产品才是灌浆料的发展趋势所在。 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。

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。

1.2 国内外灌浆材料研究概况

1.2.1 国外灌浆材料研究概况

灌浆材料的发展已有近百年的历史。早在1802年，法国人开辟了灌浆施工的先河，用木制冲击泵注入粘土和石灰浆液加固地层[3,4]。1826年英国人发明了

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波特兰水泥（硅酸盐水泥)，大约1858年英国人W.R.Kinippe首次将水泥用于灌浆。英国于1864年在阿里因普瑞贝矿首次用水泥灌浆对井筒进行灌浆堵水，成功地解决了井筒漏水问题。1886年，英国研制成功了压缩空气灌浆机，促进了水泥灌浆的发展。19世纪末20世纪初，灌浆技术在法国和秘鲁煤矿的竖井施工堵水中获得巨大成就，同时高压灌浆泵也研制成功。20世纪40年代，灌浆技术的研究和应用的发展进入了一个鼎盛时期[5]，各种水泥浆材相继问世，水泥作为灌浆材料，具有强度高、耐久性好、无毒、无味、材料来源方便、成本低等优点，因此，灌浆多采用普通水泥[6,7]。瑞士大学的R.H.EVANS教授早在1953年就提出了灌浆质量问题，他在预应力混凝土横梁的承载力测试的破坏性试验中，从横梁的裂缝中观察到水泥浆因泌水而形成的自由水流出，从而开始提出改善水泥浆的质量和灌浆方法。上个世纪80年代中期，欧洲几座预应力混凝土大桥的倒塌，暴露出预应力混凝土破坏的一个重要因素。从那时起，人们才开始关注灌浆材料的质量问题，在施工中有针对性地进行灌浆试验。

随着灌浆材料的飞速发展，灌浆工艺和灌浆设备也得到了巨大发展，各国大力发展和研制灌浆材料及其灌浆技术。灌浆技术应用工程规模越来越广，它涉及到几乎所有的土木工程领域。本世纪 40 年代，灌浆技术的研究和应用得到了迅速的发展，各种水泥浆材相继问世，特别是 60 年代以来，各国大力发展新型灌浆材料，灌浆材料和灌浆技术得到了空前的进步，其应用范围越来越广[8,9]。 1.2.2 国内灌浆材料研究概况

我国对灌浆材料和灌浆技术的研究和应用起步较晚，但发展很快，某些方面已达到世界先进水平。50年代初期，我国开始了矽化法的研究，在固矽、防止湿陷性黄土的湿陷、加固构筑物等方面做了大量工作；同时，矿山行业逐渐采用井巷灌浆技术；50年代后期，灌浆技术在水坝防渗和加固工程中逐步应用。20世纪50年代初期，我国才开始在煤矿竖井堵水、加固工程中使用灌浆技术，70年代改革开放之初，为了满足进口设备的需要，我国开始了灌浆料的研制工作，并于1977年研制成功，开始在冶金设备安装中大量应用。经过20多年的研究、实践，我国灌浆料的技术性能逐步提高，其各项技术性能已达到国际水平。在灌

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浆料的使用上获得了良好的效果。但经三次压浆后，24小时在孔道的观察段仍能看到宽度为2～4cm的稀浆微沫带。在水平孔道灌浆试验中，待水泥浆凝固后，将孔道锯开，测得孔道顶部的月牙形孔隙最大宽度为35mm，最大高度为3mm。但总的来说灌浆效果还是较好的。

近年来，超细水泥的开发克服了水泥浆材难以渗入较细(<0.6mm)颗粒岩土层中的缺点，并具有水泥浆材和化学浆材的优点，且对环境无污染。这种新型水泥为灌浆界开辟了新的领域，有逐步取代化学浆材的趋势。但是目前我国超细水泥价格较贵，另外对超细水泥的渗透机理还有待进一步研究。

2水泥基灌浆料特性的物理化学性质

高自流性：现场只需加水搅拌即可，使用不需要振捣便可自动填充所需灌注空隙：不泌水、不分层。

早强高强：一天强度最高可达50MPa以上，设备安装一天后即可运行生产。 微膨胀性：粘结强度高。具有微膨胀性能，无收缩，可确保地脚螺栓、设备与基础以及新老混凝土间的牢固结合。

抗腐蚀性：早强型灌浆料抗侵蚀，耐冲刷，具有良好的抗硫酸盐抗污水侵蚀性能，有较强的抗冲刷性，可用于海港污水处理厂等工程。

抗油渗性：在机油中浸泡30天后其强度可以提高10%以上，耐久性本产品属无机灌浆材料不老化对钢筋无锈蚀200万次疲劳试验50次冻融循环试验强度无明显变化。[10]

水泥基灌浆料是由水泥为基本材料，适量的细骨料及加入少量的混凝土外加剂及其它材料组成的干混材料。具有无收缩、高强度、自密实、施工方便等特点。为获得无收缩、高流态、防离析、高有效承载面等性能，水泥基灌浆料需掺加较多组分，例如膨胀剂，减水剂，早强剂，消泡剂等，这些组分物质，特别是外加剂掺量少，但对性能的影响较大，需经严谨探讨，方可使用自如。[11-16]

水泥基灌浆料是以高强度材料作为骨料，以水泥作为结合剂，辅以高流态、微膨胀、防离析等物质配制而成。它在施工现场加入一定量的水，搅拌均匀后即可使用[17]。水泥基灌浆料组分对性能的影响包括水泥硅灰胶砂比和外加剂的选

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【18】【19】

用和大致掺量。水泥的种类也对水泥基灌浆料性能有着巨大的影响。钢渣

微粉取代硅酸盐水泥时，水泥基灌浆料的流动性能得到改善早期强度下降显著后期强度则变化不大。[20]减水剂掺量过大和过小都会影响灌浆料的工作性能并会导致超出规范的要求，因此减水剂的含量对水泥基灌浆料有着重要影响。[21]随着受火温度的升高，冷却方式对水泥基灌浆料棱柱体试块在低周重复荷载作用下的应力-应变曲线影响明显，喷水冷却下试块的应力-应变曲线较自然冷却下更为饱满，残余塑性变形更大。[22]HLCPE与硫铝酸钙膨胀剂复合使用可有效防止各类水泥基灌浆材料早期及后期收缩，有效保证灌浆质量。[23]很多文章研究了不同种类的水泥基灌浆料的性能及一些外加剂对水泥基灌浆料的影响，本文主要研究高强水泥基灌浆料的性能。[24-31]

3.高性能水泥基灌浆料性能试验

3.1实验材料

水泥：安徽珍珠水泥集团股份有限公司生产的P. O42.5级普通硅酸盐水泥； 细骨料：安徽省凤阳县生产的石英砂，细度模数Mx=2.93，堆积密度1750kg/m2；

矿物掺合料：安徽合肥电厂产I级粉煤灰和安徽庐江县产细度为800目的矾土矿粉；

外加剂：江苏苏州产聚羧酸系高性能减水剂和安徽庐江县产高效膨胀剂； 灌浆料：分别为FA、FB、DC和CGM-300、CGM-340, 拌和水：普通自来水。

灌浆料：FA、FB、DC和CGM-300、CGM-340,

3.2试验主要测试技术指标

试验中，根据GB/T50448－2008水泥基灌浆材料主要性能指标要求，重点考察了高性能水泥基灌浆料的流动度( 包括初始值和30min保留值) 竖向膨胀率

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抗压强度( 包括1328d) ， 测试性能指标参考值见表1 同时试验还重点研究了高性能水泥基灌浆料的抗折强度，并研究了流动度和强度随加水量变化规律以及强度龄期发展的规律。

表1 高性能水泥基灌浆料主要技术指标

【32】

流动度/mm

初始值 ≥340

30min保留值

≥310

3h

竖向膨胀率/% 24h ～3h之差 1d 0.02～0.5

≥20

抗压强度/MPa 3d ≥40

28d ≥60

0.1～3.5

3.3试验方法

3.3.1流动性

国外采用读秒的方法较多。如日本资料介绍，用上口直径70mm，下口直径14mm, 高400mm的圆截锥体（流锥仪，见图1），堵住下口，在其中注满灌浆料，放开下口, 同时计时，到截锥内料流(一般以透亮为准)为止。ASTMC939介绍了类似的方法。国内生产的灌浆料，骨料粒径一般大于2mm，不宜直接采用测定流秒的方法，要采用对比的方法。

图1 流锥仪

3.3.2竖向膨胀率

灌浆材料的膨胀性是另一个十分重要的指标, 它决定所灌材料能否密实填

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充空隙, 塑性阶段的膨胀对于密实性尤为重要。灌浆料是一种高流动性材料, 浇筑后会产生较大的塑性收缩, 包括沉浆收缩和失水收缩。采用SHRINKAGECONE收缩测量仪(见图2) ，测得的竖向膨胀率-时间关系曲线。SHRINKAGECONE收缩测量仪是通过在浆体上放置一个激光反射薄片, 利用非接触式的测定方式精确测定浆体的高度变化, 从而计算竖向膨胀率。

图2 SHRINKAGECONE收缩测量仪

3.3.3有效承载面

有效承载面( EBA) 指设备或钢结构柱脚底板下面灌浆材料实际接触底板并可传递受压荷载的面积与设备或钢结构柱脚的底板总面积之比, 以百分数表示。这是一项十分重要的技术指标, 它直接反映灌浆层起到承载作用的程度。假设强度为0MPa的灌浆料, 有效承载面只有50%, 相当于有效荷载只有35MPa。可见即使强度很高, 但有效承载面积很小, 甚至根本没有与设备底板接触, 对设备的危害很大。美国标准ASTMC1339-02, 给出聚合物灌浆料设备灌浆承载面积的测定方法。参照此方法,我们自制船型模，见图3，其中上钢板尺寸600mm×150mm,厚10mm；上下钢板间隙为50mm。将拌和好的灌浆料从一侧倒入，从另一侧流出且流满钢板下部。24h后取下钢板，与标准图样做比较，确定有效承载面。图4~7为参照标准ASTMC1339-02绘制的有效承载面的标准图样。

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图3 船型模结构图

图4 有效承载面积95% 图5 有效承载面积90%

图6 有效承载面积85% 图7 有效承载面积80% 3.3.4抗压强度

力学性能试验, 按《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》GB/ T17671[33]进行，步骤如下：

（1）将破型时得到的6块荷载值（从压力试验机读出单位为kN）分别换算为强度值（MPa），然后计算其平均值R。

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（2）用0.9R和1.1R 来衡量每一块抗压强度值，当有小于0.9R或大于1.1R 的数值时应剔除该数值,注意衡量时应采用全值法，即 0.9R和1.1R 不进行修约保留全值，若全部6块数值在0.9R~1.1R 范围内，则R 为该组数据的强度值。 （3）若剔除后余下不足5个数据时该组试件应作废，当剩下5个数据时，取这5个数据的平均值R’再用0.9R’和1.1R’去衡量5个中的每个数据，若有再被剔除,本组数据应作废,若无剔除则R’即为本组强度。

4配合比设计及主要试验结果

在其它参数不变情况下，使用三种水胶比，分别为W/B=0.28，0.29，0.30进行高性能水泥基灌浆料配合比设计，试验配合比设计见表2，工作性能主要试验技术指标及竖向膨胀率见表3[34]，取下钢板后的图形见图8~11[35]，各龄期抗压强度抗折强度见表4。

表2 水泥基灌浆料试验配合比设计 kg t

-1

配合比编号 HPCG－1 HPCG－2 HPCG－3

W/B 0.28 0.29 0.30

W 136.0 141.0 146.0

C 360.0 360.0 360.0

MA 91.0 91.0 91.0

QS 475.0 475.0 475.0

A 38.0 38.0 38.0

注: 表中W/B为水胶比; W为拌和水; C为水泥; MA为矿物掺合料;QS为石英砂; A为外加剂

表3 工作性能及竖向膨胀率主要试验结果

编号

初始值

HPCG－1 HPCG－2 HPCG－3

流动度/mm 30min保留值

268 322 359

损失值 56 35 17

3h 1.3 2.6 -0.15

竖向膨胀率/% 24h ～3h之差

0.09 0.18 0.04

324 357 376

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图8 CGM有效承载表面 图9 FA有效承载表面

图10 FB有效承载表面 图11 DC有效承载表面

表4 抗压强度和抗折强度试验结果

编号

3d

HPCG－1 HPCG－2 HPCG－3

47.5 44.6 32.5

抗压强度/MPa

7d 66.7 62.5 42.9

28d 84.6 81.3 61.8

3d 6.57 6.13 4.56

抗折强度/MPa

7d 10.21 9.78 5.24

28d 13.54 12.15 9.88

5试验结果分析及展望

高性能水泥基灌浆料工作性能试验结果如表3所示，水胶比W/B=0.28的拌合物较为粘稠，流动性较差，其流动度的初始值和30min保留值均不满足规范要求水胶比W/B=0.30的拌合物流动性很好，流动度试验产生了很大的流动性，并且30min之后的流动度保留值仍然很高，但拌合物存在较为严重的泌水现象。水

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胶比W/B=0.29的拌合物流动性较好，并且具有良好的保水性，未发现泌水现象 图1给出了流动度随水胶比W/B变化趋势，从图中可以看出，在其他参数不变的条件下，初始流动度和30min的保留值均随W/B的变大而增大。

从表3中可以看出，HPCG-1和HPCG-2的3h-24h与3h之差的竖向膨胀率均能满足规范要求，但HPCG-3的3h竖向膨胀率为负值，说明该配比的水泥基灌浆料由于加水量过多，影响了其早期竖向膨胀率。

从表3中可以看出，HPCG-1和HPCG-2的3h~24h与3h之差的竖向膨胀率均能满足规范要求，但HPCG-3的3h竖向膨胀率为负值，说明该配比的水泥基灌浆料由于加水量过多，影响了其早期竖向膨胀率。

从图8~11可以看出, 有效承载面差别很大。CGM-340灌浆料(用水量17%) 、FB料(用水量14%) 的有效承载面在95%以上, 而FA灌浆料(用水量18%) 、DC料(用水量13.5%) 的有效承载面积很低, 形成“虚接触”, 表现为底板下面有大量的气泡孔穴。进一步加大用水量, 有效承载面均有一定程度的下降, FA料的表面基本为连续的气泡孔穴, 根本不能起到有效传递荷载的作用。

(1) 水胶比对于HPCG的流动度影响较大，当W/B=0.28时，HPCG－1的流动度已经不满足规范要求，拌合物粘稠，流动性较差，当W/B=0.30时，HPCG－3的流动度过大，拌合物出现了泌水现象，保水性较差。

（2）HPCG－1和HPCG－2的3h24h与3h竖向膨胀率之差均能满足规范要求，而HPCG－3的3h竖向膨胀率出现了负值，即水泥基灌浆料出现了收缩，说明加水量过大对于灌浆料早期竖向膨胀率影响较大。

（3）有效承载面的大小, 主要和浇筑后灌浆料的表面气泡量和膨胀率有关。当气泡量太大时, 灌浆层上表面有大量气泡孔穴,直接导致有效承载面积太小;如果膨胀率太小, 会导致空鼓, 不仅失去了应起的作用, 还有很大的潜在危害。作为使用单位, 在选择灌浆材料时, 模拟灌注条件, 试验有效承载面, 非常有必要

(4) 水胶比对于强度影响较大，W/B=0.28和W/B=0.30 的28d抗 压 强 度 相差22.8MPa，抗折强度相3.66MPa。当W/B较为合理时，高性能水泥基灌浆料具有早期高强的特点，HPCG－1和HPCG－2的7d抗压强度分别达到28d强 度的78.84%和76.88%，HPCG－1和HPCG－2的28d抗压强度均超过了80MPa。

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致谢

在本论文的实验探索和理论分析以及论文撰写过程中，有幸得到博学多才的的老师的悉心指导和帮助，因而得以顺利的完成课题任务。通过这次创新实训，我进一步掌握了水泥发展的新动态。通过大量阅读文献，使我从无到有,从简入深的了解了水泥基灌浆料相关的一些知识。从而巩固了以前自己所学过的部分知识，并从中得到了启迪。在此特别对孜孜不倦的范金禾老师和程峰老师表示由衷的感谢！同时也感谢那些撰写水泥基灌浆料各个方面应用论文的学者，你们给我了非常多的宝贵意见。

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