摘要：水泥基灌漿材料主要應用于地腳螺栓錨固、設備基礎及鋼結構柱腳底板的二次灌漿、混凝土結構改造、加固及后張預應力混凝土結構孔道灌漿。隨著社會需求的不斷增加，國內外對水泥基灌漿材料進行了很多研究，為進一步開發更高性能的灌漿材料提供了研究基礎。本文通過對集料和配合比主要參數的優選、優化，配制出高流動度、高強、超高強度、優異工作性、具有微膨脹等性能而成本相對較低的高性能灌漿料。產品符合《水泥基灌漿材料》（JC/T986—2005）標準要求，并從工作性、強度、豎向膨脹率、鋼筋握裹強度等方面對該灌漿材料的性能進行了較全面研究。
關鍵詞：水泥基灌漿材料；流動度；抗壓強度；豎向膨脹率；鋼筋握裹強度
中圖分類號：TQ172.463
Research on High Capability and None Shrinkage Cementitious Grouts
Abstract:The cementitious grouts mainly applies to anchor bolt、equipment foundation and quadratic grouting of steel structure soleplate, reconstruct and consolidate of concrete structures and aperture grouting of prestressed concrete and concrete structure.With the continuously increase of social demand, the development of grouting material are attached more and more importance. Judging by the developing actuality of grouting material, according to the optimize and optimal of such main parameter as aggregate and mix proportion, this dissertation confect the high performance grouting material with high flowability, high strength, ultrahigh strength, better workability, microdilatancy, but has lower cost. The product meets the standard request of “Cementitious grout” (JC/T986—2005), and make a comprehensive research on the performance of grouting material from the following aspects: workability, strength, vertical expansivity, and bond force.
Key words: cementitious grouts; flowability; compressive strength; vertical expansivity; bond force
引言
隨著國民經濟的高速發展，人們對建筑的需求也不斷發展，許多已有建筑物無論是外觀狀況還是使用功能，均已無法滿足現代生活的要求，急需進行加固和改造。然而，在以往加固和改造的工程中，多采用有機高分子材料，如：環氧樹脂、不飽和樹脂等，該類材料存在環保問題，低溫施工問題，焊接問題，防火問題等等問題。因此，建議在建筑物的加固和改造工程中盡可能采用無機材料代替有機高分子材料，以避免上述問題的出現。灌漿料的產生從根本上解決了以上問題，用灌漿料進行植筋和工程加固，完全可以滿足設計、施工和使用功能的要求。
水泥基灌漿材料是一種應用最多的材料, 它具有耐久性好、強度高、無毒、無污染、價格便宜等優點。國內外對水泥基灌漿材料進行了很多研究，并且取得了不少的成果，為進一步開發更高性能的灌漿材料提供了研究基礎。高強無收縮灌漿料最早是在第二次世界大戰中由于軍事需要而出現的，最早起源于美國，是為加固軍事設施而研制的一種高強快速凝固材料。到20世紀50年代，發達國家將其應用于工業部門。
目前我國常用的，有代表性的灌漿材料成品有：
冶金工業部建筑研究總院（現中冶集團建筑研究總院）研制的CGM高強無收縮灌漿材料系列產品。該產品主要是由特殊的膠凝材料、膨脹材料、高強骨料和多種添加劑組成，是一種具有早強、高強、高流態、微膨脹和耐久性好等多種優點的新型復合材料。這類材料可用于大中型設備的二次灌漿、地腳螺栓的錨固和墊板座漿，還可以用于梁柱接頭和工程修補等建筑施工。
FGRM超早強水泥基自流平灌漿料（又名FGRM超早強自流平灌注料）是中國建筑材料科學研究院水泥所等單位合作研制的新技術產品，是一種水泥基、凝結時間可調的水硬性的灌漿材料，其顯著特點是具有超早強、高強、微膨脹和自密實、自流平的特性。并且，使用簡單，可灌性好。該產品特別適用于緊急搶修工程，如鐵路基床病害整治；快速錨固工程；隧道灌漿堵漏工程；噴射混凝土；配制超早強混凝土等。
TGRM水泥基特種灌漿料是北京中鐵瑞威鐵道工程技術有限公司研制生產的水硬性灌漿材料，具有超早強、可灌性好、自密實、自找平、微膨脹的特點，30min期齡抗壓強度大于8MPa，同時具有超細和在水中不離散的特性，無氯低堿，對堿骨料反應具有抑制作用及抗酸性腐蝕作用，比傳統的灌漿材料具有良好的流動性。
以上只是列舉了幾種國內比較常用的灌漿料，他們基本上利用水泥作為基體材料，加入不同種類的外加劑，只需加入適量水分攪拌成帶流動性的灰漿即可。產品基本具有自流平、早強、微膨脹等特點。具有良好的施工性能、力學性能和耐久性能。
2005年，我國發布了最新的中華人民共和國建材行業標準《水泥基灌漿材料》（JC/T986—2005），提出“水泥基灌漿材料是由水泥為基本材料，適量的細骨料及加入少量的混凝土外加劑及其他材料組成的干混材料，加水拌合后具有大流動度，早強、高強、微膨脹的性能”，對水泥基灌漿材料的發展指明了新的方向，對灌漿材料的性能提出了新的要求。為適應新的市場需要，結合灌漿材料的發展現狀，本文擬采用本地現有的原材料開發一種具有價廉、環境友好特點的新型高性能水泥基灌漿材料，全面符合或超越JC/T986—2005的標準，并從流動度、強度、豎向膨脹率以及鋼筋握裹強度等方面對該灌漿材料的性能進行了較全面研究。
1 試驗及結論
1.1試驗原材料
水泥: 海螺52.5硅酸鹽水泥，主要物理性能如表1所示。
砂:采用粒徑小于4.75mm中粗砂， 0.63mm—5mm（45%）0.16mm—0.63mm（55%）進行復摻，混合均勻，細度模數為2.72，堆積密度為1425 kg/m3。
水: 室溫自來水。
外加劑:
（1）減水劑：木質素磺酸鹽類（木鈣、木鈉等）、多環芳香族磺酸鹽類（萘系與甲醛縮合的鹽類等）、芳香族類（聚羧酸鹽類等）；
（2）膨脹劑：UEA型干粉膨脹劑
1.2試驗方法及內容
流動度:
目前我國普遍采用流動度法考查灌漿料的流動性能，為了滿足灌漿施工自行流動的要求，灌漿料的流動度必須大于240mm。如果沒有必要的流動性能，狹小的空間是灌不進去的，達不到飽滿填充的效果，即使其他性能再好，對灌漿工程也沒有意義。所以，灌漿料的流動度是評價灌漿料質量優劣的首要條件。JC/T986—2005標準規定的技術要求應當滿足水泥基灌漿材料的初始流動度≥260mm；30min后流動度保留值≥230mm。
流動度試驗按GB 50119-2003附錄A進行，其中截錐形圓模的尺寸改為:高度60mm±0.5mm;上口內徑70mm±0.5mm:下口內徑100mm±0.5mm;下口外徑120mm。每次稱取不少于2000g 的水泥基灌漿材料。
膨脹率:
為了使灌漿料硬化后，能夠獲得飽滿填充效果，灌漿料必須具有適宜的膨脹性能。灌漿料在灌漿完成后也有下沉現象。但是，由于它有膨脹性能，膨脹的體積能夠補償空隙，并且有余，填滿空隙體積后產生膨脹壓應力。所以能夠密切接觸，形不成空隙。JC/T986—2005標準規定的技術要求應當滿足水泥基灌漿材料的1d豎向膨脹率：≥0.02％。
豎向膨脹率按GB 50119-2003附錄C進行。將水泥基灌漿材料倒入試模后2h蓋玻璃板安裝千分表讀初始值。
豎向膨脹率按下式進行計算： 
抗壓強度:
在結構加固修補中，一般都希望有較高的早期強度，以便盡早投入使用。灌漿料的1d抗壓強度應大于20MPa。目前，國內常用灌漿料的抗壓強度指標一般為：R1≥22MPa，R3≥40MPa，R28≥60MPa。JC/T986—2005標準規定的技術要求應當滿足水泥基灌漿材料的抗壓強度：R1≥22MPa；R3≥40MPa；R28≥70MPa。
抗壓強度試驗按GB/T 17671-1999進行。其中水泥基灌漿材料拌合時，采用砂漿攪拌機攪拌，砂漿攪拌機應滿足JG/T 3033規定，攪拌時間由加水開始計算,攪拌3min。將拌合好的水泥基灌漿材料倒入試摸，不振動。
鋼筋握裹強度:
無論是修補加固工程還是設備基礎灌漿要保證灌漿料與鋼筋具有足夠的握裹強度，才能達到一體化的目的。JC/T986—2005標準規定的技術要求應當滿足水泥基灌漿材料的28d鋼筋握裹強度：≥4MPa。
鋼筋握裹強度按DL/T5150-2001水工混凝土試驗規程中的4.8進行，采用(Φ20mm的光面鋼筋，鋼筋埋入長度200mm. 
凝結時間:
JC/T986—2005標準規定的技術要求應當滿足水泥基灌漿材料的初凝時間：≥120min。凝結時間試驗采用灌入阻力法按GB/T 50080規定進行.
泌水率:
JC/T986—2005標準規定的技術要求應當滿足水泥基灌漿材料的泌水率：≤1.0％。泌水率試驗按GB/T 50080規定進行
1.3 試驗過程及結果
膠砂比的確定： 通過針對流動度、強度、凝結時間的三大指標的試驗工作，初步確定基準配合比。以下各組試驗數據均為室溫22℃時，相同條件下，兩次測定結果的平均值。試驗數據如圖4所示： 
由圖可知： 在固定用水量，不摻入任何外加劑的情況下，膠砂比接近1：1時，流動度達到峰值。分析原因如下：
（1）膠砂比大于1時，由于水泥的比表面積大于砂的比表面積，所以在相同質量的水泥和砂的情況下，水泥顆粒表面所需要包裹的水要比砂多，宏觀表征流動度下降；
（2）膠砂比小于1時，漿體保水性較差，由于泌水問題導致流動度非但沒有增大，反而有下降的趨勢。
綜上，得出膠砂比為1：1時，流動度可以達到峰值。
外加劑和水灰比的確定：
調節高效減水劑adva的摻量及相應的用水量，使得灌漿料流動度、強度、凝結時間均達標。試驗如下：
由表可知：
1.在相同外加劑摻量的情況下，雖然灌漿料的水灰比越大，流動度越大，但是強度卻有所下降，原因在于水泥水化需要的理論的用水量是很有限的，通常在拌和物凝結硬化后，多余的水分蒸發后在漿料內部留下孔隙，尤其是在骨料下面，因此水灰比增大后，其強度出現下降。
2.要想達到標準要求的流動度，水灰比和高效減水劑的摻量都有所增加。
對以上滿足流動度要求的4、5兩組進行試件成型，養護后1d抗折、抗壓數據如下：
1d強度符合標準大于22MPa的要求。故水灰比保證在0.245以上，adva摻量保證在0.33%以上。
試驗嘗試用木鈉和萘系減水劑復摻的方式代替聚羧酸粉劑，效果不理想：木鈉和萘系減水劑復摻法與單摻相比可提高部分減水率，但與聚羧酸類減水劑相比減水效果仍然相差甚遠，較難符合本灌漿料產品的研發要求，導致相同水灰比的情況下，流動度不能達標；而增大用水量以保證流動度，由于木鈉的引氣及緩凝效果又對1天強度產生較大負面影響。
因為灌漿料還要有微膨脹的特征，所以加入UEA型干粉膨脹劑（產品建議摻量10%），并確定水灰比及高效減水劑的摻量。 
由于膨脹劑的加入，使得水灰比和外加劑的摻量進一步加大，對達標的第2組進行凝結時間和強度的實驗，得到如下結果：表5 摻加UEA后的性能數據 
以上流動度和抗壓數據，均達到標準要求：初始流動度≥260mm；30min后流動度保留值≥230mm；抗壓強度：1d強度≥22MPa；3d強度≥40MPa；28d強度≥70MPa；初凝時間：≥120min。
綜上，在保證流動度、強度、凝結時間的情況下，得到灌漿料的基本配比為:
水泥：膨脹劑：砂：水：adva=450：50：500：130：0.34%
豎向膨脹率的測定結果、分析與配合比的調整
根據之前確定的配比，進行膨脹率實驗，整個膨脹過程如圖5所示： 
由圖可知：在開始2h—3h膨脹率為負值，表示有收縮，4h后出現正值，22h—24h膨脹結束，達到0.02%，開始的負值是因為水泥硬化所產生的收縮，接著膨脹劑中的礦物質與水泥水化產物發生二次反應，生成鈣礬石晶體，是一個體積膨脹的過程。因此，摻加膨脹劑可以補償水泥漿硬化過程中的收縮。
由此可知，豎向膨脹率符合標準要求：1d豎向膨脹率：≥0.02％；沒有必要再對膨脹劑的摻量做任何改變，鋼筋握裹強度的測定結果、分析與配合比的調整 按確定配合比成型兩組，48h后拆模，28d后在萬能試驗機上，做拔出鋼筋實驗結果如下表： 
由此可知：
（1）相同條件下，灌漿料的水灰比越大，其泌水率越大；
（2）以上各配比條件下的灌漿料在攪拌后3h內，其泌水率均不超過1%，24h內析出的水分能被完全吸收，滿足標準規范要求，泌水率：≤1.0％。
2.結論
綜上所述，通過室內配合比試驗，確定灌漿料的配比為：
水泥（海螺52.5普通硅酸鹽水泥）：膨脹劑（UEA干粉膨脹劑）：砂：水（自來水）：外加劑（高效減水劑adva粉劑）=450：50：500：130：0.34%；其各性能指標如表8所示：
在試驗過程中可以發現，固定用水量的情況下，膠砂比對灌漿材料的流動度有較大影響，膠砂比過大時，水泥的比表面積大于砂的比表面積，在相同質量的水泥和砂的情況下，水泥顆粒表面所需要包裹的水要比砂多，宏觀表征流動度下降；膠砂比過小時，漿體保水性較差，由于泌水問題導致流動度非但沒有增大，反而有下降的趨勢。
聚羧酸外加劑較適合用在低水灰比情況下產生較大流動度，拌合物漿體有較好粘聚性；萘系及木鈉減水劑減水效果不及聚羧酸類減水劑，且對強度有較大負作用，不適合作為早強高強且高流動性灌漿料的減水劑。
