[ 应用实例 1]
CGM 高强灌浆料在轧机基础中的应用
随着科技的进步，材料产业也得到飞速的发展。正如混凝土一样，水泥基灌浆材料也由原来的高强灌浆料逐步向高性能灌浆料的方向发展。高性能水泥基灌浆料是以水泥为主要胶凝剂，选择高莫氏硬度的材料为骨料，辅以流化剂、微膨胀、防离析等组分配制而成的干混料。在施工现场只需加入一定比例的水搅拌，硬化后具有一定的强度，且具有流动性好、有效接触面高、微膨胀、用水量范围比较宽、不离析、不泌水等性能特点。广泛应用于设备基础灌浆、钢结构柱脚灌注、空洞修补、轨道基础灌浆、后浇带灌浆等。目前应用领域逐渐扩大，已扩展至梁板柱墙的加固，大体积基础抢修灌注等领域。
1 高性能灌浆料的性能
1.1 流变性
灌浆料是高流态的材料，流变性的好坏至关重要，是可施工的先决条件。目前国内反映灌浆料流变性的指标是依据《水泥基灌浆材料应用技术规程》 (YB/T9261 — 98) 测量新拌灌浆料的流动度。这种方法并不能完全反映拌合物的流变行为，例如有的灌浆料粘聚性比较高，流速很慢，最终也能达到比较大的流动度。粘聚性较高意味着灌浆过程中需要克服较大的摩擦阻力才能填充整个灌浆空间，这种测量方法并不能十分准确地反映灌浆料的施工行为。这样的灌浆料也不适合应用于薄壁结构灌注，特别是对较长的设备基础的二次灌浆。
在国外，反映灌浆料流变性的性能指标多采用流秒的方式。如日本资料介绍，用上口直径 70mm ，下口直径 14mm ，高 400mm 的圆锥体，堵住下口，往其中倒满灌浆料，放开下口，同时计时，到锥体内的物料流完 ( 一般以透亮为准 ) 为止。也就是说通过灌浆料流经圆锥体的时间反映流变性，这种方法比较适合骨料较细的灌浆料。而国内的灌浆料的骨料一般都大于 2mm ，因而不适合采用流秒的方法。
结合国内外的试验研究情况和工程实践，评判灌浆料的流变性能的优劣，应采用流动长度与流经时间相结合的方式。即流槽 ( 德国 maxit 公司试验仪器 ) 的方法，测量在流槽左端 1L 锥体内的新拌灌浆料在槽内流动距离，若流动距离较长，说明流速快，该材料的流动性越好，易于浇灌。同时测量流动终止时所需要的时间。 30 min 后重复上述试验过程 ( 即新拌灌浆料流变性的经时损失 ) 。我们选用国外的两种高性能灌浆料，记为 A 和 B ；国内某灌浆料，记为 C ，与 CGM 灌浆料对比，试验结果见表 1 。
表 1 流槽法测量流变性的试验结果
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序号
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用水量 /%
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流变性项目
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流动距离 / ㎜
|
流动终止时间 /s
|
流动距离 / ㎜
|
流动终止时间 /s
|
|
A
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16
|
755
|
145
|
675
|
165
|
|
18
|
856
|
165
|
770
|
170
|
|
B
|
14
|
626
|
112
|
570
|
135
|
|
16
|
693
|
127
|
615
|
150
|
|
C
|
15
|
747
|
210
|
645
|
240
|
|
17
|
785
|
227
|
670
|
265
|
|
CGM
|
13
|
850
|
165
|
775
|
180
|
|
15
|
908
|
170
|
865
|
185
|
试验结果表明：同国外灌浆料相比，流动终止所需时间要长，但流动距离都比较大；同国内的灌浆料相比，无论是流动距离，还是流动终止所需要的时间，都有较大的优势。作为高性能灌浆材料，必须具有很好的流变性，在施工过程中尽量不采用辅助措施，完全依靠自身的流变行为，就能顺利地把整个灌浆层填充饱满。
1.2 竖向膨胀
竖向膨胀率是高性能灌浆料的另一个比较重要的性能指标。灌浆料是一种流动性比较高的材料，必然带来一定程度的收缩，收缩包含多种形式，包括沉降收缩和由于表面水分散失而引起的干燥收缩以及自收缩等，这些收缩导致灌浆层与设备基础板脱离，严重的是大面积空鼓。为了弥补这一缺陷，灌浆料都具有微膨胀性，而国内绝大部分的灌浆料的膨胀都发生在硬化阶段，即便是硬化膨胀大于塑性阶段的收缩，也会造成接触面降低。按照《水硬性水泥基灌浆材料 ( 无收缩 ) 标准规范》 (ASTM 1107) 的 C 类要求，高性能灌浆料的膨胀性应是复合型的，既要有硬化后的膨胀，也要有塑性膨胀。
利用 Shrinkage cone 锥体收缩测试单元测试灌浆料的膨胀性。其测试原理是在新拌灌浆料的表面放置一个具有反射功能的玻璃薄片，由于灌浆料竖向高度的变化会引起玻璃薄片位置的改变，激光在薄片上的反射距离也就相应的有所不同，经过数据分析处理得出膨胀曲线。国内的灌浆料 C 和 CGM 高性能灌浆料的膨胀曲线如图 1 和图 2 所示。从曲线上可以看出，只有硬化后膨胀的灌浆料在塑性阶段是收缩的，而硬化后的膨胀又不能很好地弥补早期的收缩；而复合型膨胀无论是塑性阶段还是硬化阶段，都是正值，且膨胀量的绝大部分发生在塑性阶段。国外的灌浆料的膨胀性都是复合型的，且尤为注重早期的塑性膨胀。
图 1 只有硬化后的膨胀曲线 图 2 复合型的膨胀曲线
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1.3 与设备底板的有效接触面
有效承载接触面 (EBA) 就是灌浆层的上表面与设备底板实际接触的面积与设备底板面积之比，以百分比的形式表述。对于高性能灌浆料而言，也是极其重要的性能指标，直接反映灌浆料与设备基础板接触的程度，目前只有国外的个别供货商 ( 如美国的五星公司 ) 提出这一个概念，国内刚刚认识到这一性能。若接触面比较低，会造成应力集中，对设备的危害较大。
《耐化学腐蚀聚合物灌浆料的流动性和承载面积的试验方法》 (ASTM C1339) ，给出聚合物灌浆料有效接触面积的测定方法。参照此方法，我们自制船型模，见图 3 所示，上钢板尺寸 150 mm × 600 mm ，厚 10 mm ；上下钢板间隙为 50mm 。将拌和好的灌浆料从一侧倒人，直至从另一侧溢出为止。 24h 后取下钢板，观察灌浆层上表面，与标准图样进行对比，确定有效承载接触面。几次的试验结果表明，高性能灌浆料同两家国外的产品的 EBA 都在 95 ％以上，而国内的产品的有效接触面都比较低。
图 3 船型模示意
有效承载面的大小，主要与灌浆结束后表面气泡量和竖向膨胀率有关。当表面富集大量的气泡时，就会形成气泡空穴，极大地降低了有效接触面；如果膨胀率太小，会导致空鼓，因而要求有比较高的塑性膨胀，在水化的塑性阶段就形成密实接触。因而塑性膨胀对有效接触面的高低起到至关重要的作用。
1.4 用水量范围
目前国内的很多灌浆料的用水量范围都比较窄。为便于浇筑，在施工过程中，往往会增大水料比，这样会带来一些负面影响，灌浆料的分层度增大，骨料沉降明显，在灌浆层的上表面形成浆体的富集区，同下表面相比，胶砂比大了许多，待硬化后，表面水分蒸发，收缩比较大，增大了开裂的趋势。根据施工现场的温度和湿度情况， CGM 高性能灌浆料的用水量可以在 3 个百分比范围内调整，而不会发生离析、泌水现象，极大地方便了施工。
1.5 强 度
抗压强度若过大，弹性模量增大，灌浆材料的脆性比较大，会带来一些负面作用，包括水化热大，易产生温度裂缝；后期收缩大，蠕变和徐变增大等。灌浆料 28d 抗压强度在 65 MPa 以上，可以满足绝大部分工程需要。通过对材料的改性，使其压折比大幅度降低，增加了灌浆料的韧性，减小了开裂的趋势。
2 工程应用
某连续轧机设备基础底板宽 500 ㎜，每块设备基础板长 7.5 m ，板与板之间用螺栓连接，拱计 12 块板，构成全长 100m 的生产线。灌浆层的厚度为 25mm 。为了便于施工，模板与设备底座四周的水平距离 100mm ；施工的难点在于灌浆层的厚度比较薄，需要连续灌浆，属于精度较高的二次灌浆。经过多方对比试验，选用 CGM 高性能灌浆料，采用压力法连续作业，一次浇筑 30t 。目前设备运转正常，受到了使用单位的高度评价。
3 结 语
a) 采用流动距离与流经时间相结合的方式反映高性能灌浆料的流变性。
b) 按照 ASTM 1107 的 C 类要求，高性能灌浆料不仅有硬化后的膨胀，还要有塑性膨胀，且塑性膨胀对有效承载接触面 (EBA) 尤为重要。
c) 为使荷载均匀传递，降低集中的影响，高性能灌浆料的有效承载接触面要大于 90 ％。
d) 在满足工程需要的前提下，高性能灌浆料的抗压强度不宜过高，应尽可能地提高折压比。
e) 高性能灌浆料主要应用于精确灌浆。
水泥基无收缩灌浆料
水泥基灌浆料因其常温下具有自密实、高强度、无收缩等优异性能，在设备基础二次灌浆、地脚螺栓锚固、混凝土加固、修补等方面具有广泛的应用。由于进口的灌浆料价格昂贵，加之国内市场需求较大，因此，国内近几年对灌浆料的研究十分活跃并取得了很大进展，从材料的性能和成本方面都有所突破。但总体上国内的无机灌浆料基本是依靠在硅酸盐水泥中添加膨胀剂，促使水泥浆体内部形成钙矾石，获得灌浆料的早强、高强、微膨胀等性能，由于国内市场上膨胀剂性能的稳定性并不十分理想，因此，该体系灌浆料的工程应用性能稳定性也令人堪忧。本文通过采用硅酸盐水泥、铝酸盐水泥复合胶凝体系成功地研制出可操作时间长、大流动性、早强、高强、微膨胀的离性能灌浆料，并对灌浆料的凝结时间、流动性能、强度形成等特点做一定分析。
1 、原材料选择
水泥：颜 42 ． 5R 普通硅酸盐水泥，初凝时间 118min ，终凝时间 275 min ， 3d 、 28d 抗压强度分别为 24.5 、 48.6MPa ，抗折强度分别为 4.8 、 6.9MPa ，安定性合格； CA-50 铝酸盐水泥， A1 2 O 3 为 53 ％， SiO 2 为 6.8 ％， Fe 2 O 3 为 2.0 ％， 6h 、 1d 、 3d 抗压强度分别为 23.0 、 42.0 、 54.0MPa ，抗折强度分别为 3.4 、 5.6 、 6.8MPa 。
集料：石英砂； G 型掺合料：与水泥水化产物反应，补偿收缩；减水剂：高效减水剂，减水率 25 ％。其它外加剂：熟石灰粉； L 型促凝剂； S 型缓凝剂； P 型消泡剂等。
2 、实 验
2.1 实验的技术路线
(1) 硅酸盐水泥与铝酸盐水泥复合使用时，会出现闪凝而无法操作，因此，需要选用合适的缓凝剂，使灌浆料的凝结时间满足要求，且保持必要的流动性和早期强度。
(2) 为了使灌浆料获得理想的流动性能和强度，掺加非引气型高效减水剂。
(3) 灌浆料既要有较大的流动性能，又不能出现泌水和离析现象，所以除考虑骨料的级配和数量外还要适当增加浆体稠度，使骨料能悬浮在浆体中，提高灌浆料的施工性能。
(4) 硅酸盐水泥硬化体易出现收缩，因此，在本实验中要确定硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和 G 型掺合料的用量，使体系内生成适量富含结合水的晶体产物，以补偿收缩。
2.2 实验方法
凝结时间、泌水率试验采用灌入阻力法按 GB/T50080 规定进行。
流动度试验按 GB 50119 — 2003 附录 A 进行，其中截锥形圆模的尺寸改为：高度 (60 ± 0.5)mm ；上口内径 (70 ± 0.5 ) ㎜ ；下口内径 (100~0.5 ) ㎜ ；下口外径 12 0 ㎜ 。
抗压强度试验按 GB/T17671 — 1999 进行。将拌合好的水泥基灌浆材料倒入试摸，不振动。
竖向膨胀率按 GB 50119 — 2003 附录 C 进行。
2.3 灌浆料的配制
根据正交实验法，得出最佳配合比见表 1 。
依据 JC/T98 6 — 2005 《水泥基灌浆材》所规定的实验方法对所配制的水泥无收缩灌浆料进行性能实验，结果见表 2 。
3 、实验结果与分析
3.1 凝结时间
水灰比为 0.5 ，不同温度下硅酸盐水泥和铝酸盐水泥混合体的初凝时间见图 1 。
表 1 正交实验配合比 ％
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石英砂
|
2 0 ～ 40 目
|
9.60
|
|
4 0 ～ 70 目
|
23.90
|
|
7 0 ～ 140 目
|
19.10
|
|
硅酸盐水泥
|
33.40
|
|
铝酸盐水泥
|
5.70
|
|
G 型掺合料
|
6.70
|
|
减水剂
|
0.50
|
|
L 型促凝剂
|
0.20
|
|
S 型缓凝剂
|
0.18
|
|
P 型消泡剂
|
0.23
|
|
熟石灰
|
0.38
|
|
拌合水
|
16.20
|
表 2 灌浆料的主要技术指标
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项目
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技术指标
|
实测值
|
|
初凝时间 /min
|
≥ 120
|
143
|
|
泌水率 /%
|
≤ 1.0
|
0.8
|
|
初始流动度 / ㎜
|
≥ 260
|
265
|
|
30min 后流动度保留值 / ㎜
|
≥ 230
|
242
|
|
1d 抗压强度 /MPa
|
≥ 22.0
|
27.2
|
|
3d 抗压强度 /MPa
|
≥ 40.0
|
41.5
|
|
28d 抗压强度 /MPa
|
≥ 70.0
|
75.4
|
|
1d 竖向膨胀率 /%
|
≥ 0.020
|
0.026
|
图 1 硅酸盐和铝酸盐水泥混合体的初凝时间
实验表明，硅酸盐水泥和铝酸盐水泥直接混合使用时，会在很大的混合比例区间内，凝结迅速，而无法正常使用。其原因在于：—方面，铝酸盐水泥在温度低于 30 ℃ 时，水化生成的 CAH 10 和 C 2 AH 8 属于亚稳晶系，会快速与硅酸盐水泥生成的 Ca(OH) 2 发生反应，生成属于稳定晶系、强度很低的 C 3 AH 6 晶体，加速凝结。同时生成的 C 3 AH 6 在水溶液中会与硅酸盐水泥中起缓凝作用的石膏反应生成钙矾石，石膏的消耗导致硅酸盐水泥中的 C 3 A 水化反应迅速进行，从而加速了体系的凝结硬化；另一方面，当反应温度在 30 ℃ 以上时，铝酸盐水泥的水化产物为 C 3 AH 6 会迅速消耗硅酸盐水泥中的石膏，加速硅酸盐水泥的水化，造成凝结时间过快。因此，需要添加合适的缓凝剂，延长灌浆料的凝结时间。本文通过实验研究了不同的缓凝剂对灌浆料的凝结时间、流动性能和强度的影响，结果见表 3 。
表 3 缓凝剂对凝结时间及其它性能的影响
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缓凝剂
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缓凝效果
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流动性
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早期强度
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葡萄糖酸钠
|
显著
|
明显降低
|
明显降低
|
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焦磷酸钾
|
较差
|
—
|
—
|
|
柠檬酸钠
|
显著
|
有所降低
|
有所降低
|
|
S 型缓凝剂
|
显著
|
影响较小
|
影响较小
|
综合考虑，本文采用 S 型缓凝剂调整灌浆料的凝结时间。该缓凝剂的掺量对灌浆料凝结时间及 1d 强度的影响见图 2 、图 3 。
图 2 、图 3 表明，随着缓凝剂掺量的增加，灌浆料的凝结时间延长，但灌浆料早期强度降低。在满足可操作时间的基础上，应尽可能提高灌浆料的早期强度，因此，实验中缓凝剂的掺量取 0.18 ％。
3.2 流动度
本研究的灌浆料要求具有良好的流动性能，以满足工程无压力灌浆的施工要求。实验中采用减水率为 25 ％的非引气型高效减水剂，以增加灌浆料的流动性能。仅依靠减水剂和拌合水量满足灌浆料大流动度的要求，易导致泌水现象，因此，实验中适量添加了熟石灰粉。熟石灰粉在水溶液中能形成颗粒极细的呈胶体分散状态的氢氧化钙粒子，表面吸附一层水模，合灌浆料的泌水现象和可塑性明显改善。同时，所引入的钙离子能够促进铝酸盐水泥水化产物生成钙矾石，从而有助于灌浆料的强度提高。
增加拌合水的用量可以增大拌合物的流动度，但过多的拌合水会在材料硬化过程中蒸发而使灌浆料产生毛细孔，从而对强度带来负面影响。拌合水用量与 1d 强度、初始流动度的关系分别见图 4 、图 5 。
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图 4 拌合水用量对灌浆料 1 ¨虽度的影响
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图 5 拌合水用量对灌浆料初始流动度的影响
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从图 4 可以看出，当水料比小于 0.16 时，硬化体的 1d 强度大于 30MPa ，但从图 5 看出，其初始流动度小于 260mm ，不能满足标准要求。随着拌合水量增加，初始流动度增大，硬化体的“强度有所下降。当水料比为 0.1 6 ～ 0.17 时，灌浆料具有较好的流动性能，同时早期强度较高。
3.3 膨胀率
灌浆料用于设备安装时，要求其硬化后具有微膨胀性能。参照 CB 50119 — 2003 方法进行竖向膨胀率实验，发现该灌浆料体系中 G 型掺合料的用量影响到硬化浆体的体积变化。在固定硅酸盐水泥和铝酸盐水泥用量的条件下，随着 G 刮掺合料用量的增加，硬化浆体的膨胀率也逐渐增加，当 G 刑掺合料的用量为 6 ． 0 ％时，硬化浆体的 1d 膨胀率达到 0.02 ％ ( 见 l 图 6) 。
经扫描电镜分析， C 型掺合料与水泥的水化产物反应生成了体积膨胀的针状晶体钙矾石，填充硬化浆体内部孔隙，使材料密实度提高，抑制硬化浆体的收缩，其扫描电镜分析结果见图 7 。
3.4 强度性能
JC/T98 6 — 2005 《水泥基灌浆材料》要求，灌浆料不仅要求早期强度高，同时 28d 强度要大于 70MPa 。实验按 GB/T17671 — 1999 规定的方法 ( 将拌合奸的水泥基灌浆材料倒入试摸，不振动 ) ，对材料进行抗压强度试验。测试结果见表 4 。
表 4 水泥基灌浆料抗压强度实验结果
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龄期 /d
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1
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3
|
28
|
65
|
80
|
90
|
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抗压强度 /MPa
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27.2
|
41.5
|
75.4
|
86.7
|
90.0
|
92.1
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从表 3 可见，灌浆料早期强度增长迅速，随着龄期延长，强度增长速度降低，但仍能持续稳定增长。实验对不同龄期的材料进行了电镜扫描分析，结果见图 8 。
从图 8 电镜扫描照片可以看出， 1d 龄期时灌浆料内部已经形成了大量的钙矾石，钙矾石晶体交错生长，提高了灌浆料的密实度。 3d 龄期时，钙矾石晶体的数量进一步增加，同时晶体变得粗大，填充了灌浆料内部的微小孔隙，从而赋予了灌浆料较高的抗压强度。当 28d 龄期时，钙矾石的数量仍有所增加，灌浆料的密实度进一步提高。在该体系中由于添加了—定量的熟石灰粉， Ca 2+ 浓度较高，钙矾石以固相反应形成，其形态呈团聚并向外放射状的针状晶体，比表面积大，相互交叉挤压，产生的膨胀应力更大。由于钙矾石在水化硬化过程中的结晶压力和吸水膨胀变形在约束条件下转化为水泥石的自应力，而使水泥石具有较好的抗变形能力同，从而使硬化浆体具有很高的强度。
4 、结 论
(1) 本文研究的灌浆料，具有较高的早期抗压强度： 1d 为 27.2MPa ， 3d 为 41.5MPa ， 28d 为 75.4MPa 。后期强度能够持续稳定增长， 80d 为 90.0MPa ， 90d 可达 92.1MPa 。
(2) 硅酸盐水泥和铝酸盐水泥复合使用时，通过添加合适的外加剂及掺合料能够获得优异的流动性能，初始流动度为 26 5 ㎜ ， 30min 后流动度保留值为 242mm 。
(3) 确定硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的合适比例后，可通过 G 型掺合料的用量控制灌浆料 1d 的竖向膨胀率。(4) 控制钙矾石的生成对提高该体系的力学性能和改善微膨胀性能起重要作用。
