超细矿物掺合料对灌浆料性能影响

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摘要：采用微珠、超细矿粉、硅灰改性超细水泥制备超细水泥基灌浆材料，研究了不同种类的矿物掺合料对超细灌浆料工作性能和力学性能的影响。结果表明：随着微珠和超细矿粉的掺入，超细灌浆料浆体粘度显著下降，可灌性显著提升，但随着硅灰的加入，浆体粘度显著增加，工作性能逐渐下降。从力学性能来看，相较于硅灰和微珠，采用超细矿粉制备的超细灌浆料7d和28d强度较高，相反，采用硅灰改性的水泥基超细灌浆料拥有更高的1d强度。在超细矿粉掺量为20%时，超细灌浆料拥有较好的工作性能、力学性能和渗透性能，其中，浆体的旋转粘度为75.56MPa·s，1d、7d和28d抗压强度分别为18.4MPa、55.1MPa和61.8MPa，渗透高度比可达90%。

关键词：超细灌浆料；微珠；超细矿粉；硅灰

引言

水泥混凝土路面具有强度高、稳定性好、养护费用少、经费效益高等优点，被广泛应用于我国各级公路上[1]。但受设计强度、施工质量、外界环境等因素的制约，我国水泥混凝土路面在使用一段时间之后，出现了不同程度的病害。在水泥混凝土路面病害中，裂缝破损最为普通、严重和复杂，裂缝的表现形式多种多样，例如表面裂缝（龟裂），贯穿裂缝（横向裂缝、纵向裂缝、交叉裂缝），板角断裂以及化学反应引起的裂缝[2]。随着这种病害逐渐加大，各种补漏的材料也开始逐渐走进了人们的视野。化学灌浆材料作为现阶段修补裂缝使用最为广泛的材料，具有渗透能力强、可灌性好、材料性能广泛、实用性强、固化性能灵活可控等优点[3]，但其材料成本高、施工复杂、耐久性不佳且有毒，给环境和人类带来危害，与绿色建材发展的理念相违背[4]。因此专家学者把研究方向放在了水泥基材料上，但普通的硅酸盐水泥类灌浆材料由于其颗粒粒径大，难以满足细微裂缝的灌浆要求[5]，相比普通水泥，超细灌浆水泥具有很好的[6]渗透性能，几乎可以和化学浆材媲美，而且对环境友好[7]，采用超细水泥灌浆，不仅能保证堵漏效果，而且还可以降低堵漏成本[8]。因此，本文采用超细水泥制备超细水泥基灌浆材料，研究不同矿物掺合料对超细灌浆料性能的影响。

1试验部分

1.1原材料

水泥：超细水泥，比表面积960.1m2/kg，D50和D90分别为3.653μm、9.516μm，山东盈润智能新材料有限公司生产。超细矿渣粉：比表面积992m2/kg，7d活性指数135%，28d活性指数115%。硅灰：比表面积24201m2/kg，SiO2含量90.12%。微珠：比表面积1568m2/kg，深圳道特科技有限公司生产。减水剂：聚羧酸减水剂（粉剂），苏州兴邦化学建材有限公司生产。消泡剂：SD2481粉体消泡剂。纤维素醚：20w粘度。

1.2试验方法

工作性能测试：超细灌浆料的流锥流动度按JT/T946—2014《公路工程预应力孔道灌浆料（剂）》中附录A的流动度试验方法进行；浆体的旋转粘度测试按JC/T2190—2013《建筑干混砂浆用纤维素醚》附录B中规定的测定方法进行，试验先取400mL的超细灌浆料浆体置于烧杯中，然后采用2号转子按60r/min的转速进行测量。力学性能测试：超细灌浆料的抗压、抗折强度按GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法》规定的方法进行。渗透性能测试：超细灌浆料的渗透高度比测试方法如下：将1000mL玻璃量筒润洗后置于水平试验台；将20～40目石英砂拌匀后用漏斗将其徐徐装入玻璃量筒（漏斗出料口高于玻璃量筒口距离50mm），石英砂装至玻璃量筒500mL位置处，使表面大致水平；将500mL清水通过漏斗徐徐灌入玻璃量筒（漏斗出料口高于玻璃量筒口距离50mm），并开始计时，读取30min时液面的高度V1；将500mL搅拌均匀的超细灌浆料浆体通过漏斗徐徐灌入玻璃量筒（漏斗出料口高于玻璃量筒口距离50mm），并开始计时，读取30min时超细水泥基灌浆材料浆体液面高度读数V2；按下式（1）计算超细灌浆料的渗透高度比SH。超细灌浆料的搅拌方式采用BF400变频高速搅拌机，转速在0～8000r/min。（1）

1.3试验配合比及方案

试验配合比见表1。3种矿物掺合料均以内掺取代超细水泥的形式加入，其中，微珠和超细矿粉的取代量分别为10%、20%、30%和40%，硅灰的取代量分别为5%、10%、15%和20%，水料比固定为0.5，浆液搅拌转速控制在4000r/min，高速搅拌5min。然后，对搅拌均匀的浆体进行工作性能、力学性能和渗透性能的测试，探究不同矿物掺合料种类和掺量对超细灌浆料性能的影响。

2结果与讨论

2.1超细矿物掺合料对超细灌浆料工作性能的影响

为了改善超细灌浆料的各项性能，同时降低成本，分别在配方中掺入一定量的超细矿粉、硅灰和微珠，不同掺合料掺量下浆体的流动性能和粘度变化趋势如图1～图6所示。由图1～图6可知，微珠和超细矿粉的加入，能显著降低浆体的粘度，这是由于微珠和超细矿粉的微集料和滚珠效应所致，当微珠和超细矿粉掺量分别为50%、40%时，浆体并未出现分层现象，且状态良好。而随着硅灰掺量的增加，浆体粘度显著提高，此外，随着粘度的增加，浆体的流动性能也有一定的损失。与超细矿粉和微珠相比，硅灰比表面积较大，颗粒粒径大部分在0.1～1μm之间，需水量显著增加，从而使浆体整体粘度增加，流动性能减弱。

2.2超细矿物掺合料对超细灌浆料力学性能的影响

2.2.1微珠掺量对灌浆料力学性能的影响

微珠掺量对灌浆料抗压、抗折强度的影响如图7、图8所示。由图可知，随着微珠掺量的加入，超细灌浆料的抗压、抗折强度整体呈现下降趋势，微珠掺量越高，超细灌浆料的早期强度降幅越明显，当微珠掺量达到40%时，灌浆料1d抗压强度仅为1.2MPa，这是由于大量的微珠取代超细水泥所致，从而造成超细灌浆料早期水化产物大幅减少，因而早期强度较低。此外，通过28d强度数据发现，40%微珠掺量下浆体的抗压、抗折强度相较于10%微珠掺量下的浆体，强度降幅分别为27.4%、44%。随着水化龄期的增加，由于微珠掺入所引起的强度下降趋势明显减缓，这是由于微珠在水化后期参与水化反应，对超细灌浆料的力学性能有一定改善作用。另外，从超细灌浆料的水化阶段来看，0～7d为超细灌浆料强度的快速增长期，7～28d为强度的稳定期，这是由于超细水泥相较于普通硅酸盐水泥比表面积更大，颗粒粒径更小，因而早期水化活性更高。2.2.2超细矿粉掺量对灌浆料力学性能的影响。超细矿粉掺量对灌浆料抗压、抗折强度的影响如图9、图10所示。由图可知，随着超细矿粉掺量的增加，超细灌浆料的抗压、抗折强度均呈现先增加后减小的趋势，超细矿粉掺量为20%时，灌浆料的1d、7d和28d抗压强度最高，分别为22.4MPa、55.1MPa和61.8MPa；超细矿粉掺量为30%时，各龄期的抗折强度最高，与微珠相比，超细矿粉的掺入对于超细灌浆料早期力学性能的提升更加显著，这可能是由于随着水化龄期增加全浆体内部大量氢氧化钙晶体聚集，而超细矿粉能与氢氧化钙进行二次水化反应，大幅度降低浆体内部中氢氧化钙晶体数量，从而改善浆体内部的孔隙结构，提高超细灌浆料的抗压、抗折强度。2.2.3硅灰掺量对灌浆料力学性能的影响。硅灰掺量对灌浆料抗压、抗折强度的影响如图11、图12所示。由图可知，硅灰的掺入对于超细灌浆料的力学性能影响显著，随着硅灰掺量增加，超细灌浆料1d、7d和28d强度逐渐下降，在硅灰掺量不超过10%时，抗压、抗折强度降幅不明显，而当硅灰掺量大于10%时，强度显著下降，这可能是由于过多的硅灰加入致使浆体的需水量增加，浆体内孔隙增多，从而造成强度的下降。此外，通过与单掺微珠和超细矿粉的灌浆料1d强度对比，我们发现当微珠、超细矿粉和硅灰掺量均固定为10%时，硅灰改性超细水泥制备的超细灌浆料1d抗压强度最高为22.9MPa，这是由于硅灰中的二氧化硅和水泥的水化产物氢氧化钙以及水化硅酸钙反应，生成稳定性更好、强度更高的低碱性水化硅酸钙，改善了水泥水化产物的组成，从而使得浆体的早期强度显著提高，此外，由于硅灰粒径较小，一定量硅灰的掺入能够填充浆体内部孔隙，优化孔结构，从而有助于提升早期强度。随着水化龄期增加，超细灌浆料的强度出现一定程度的倒缩，其中抗折强度下降幅度明显高于抗压强度，这可能是由于硅灰和超细水泥反应活性均较高，从而导致硅灰无法在水化后期参与水化反应提升浆体后期强度。

2.3超细矿物掺合料对超细灌浆料渗透性能的影响

采用普硅水泥制备浆体作为对照组，研究了矿物掺合料在不同掺量下浆料的渗透性能，结果如图13所示。由图13可知，随着微珠掺量的增加，浆体的渗透性能越好，在微珠掺量为40%时，浆体的渗透性能达到最佳，此时，浆体的渗透高度比为95%。而超细矿粉的加入同样能够改善浆体的渗透性能，但随着超细矿粉的增加，渗透高度比整体呈现先增大后减小的趋势，在超细矿粉掺量为30%时，浆体的渗透性能达到最优。相反，硅灰的掺入致使浆体的渗透性能会不断下降，当硅灰掺量达到20%时，渗透高度比仅为52%，稍稍优于普硅水泥制备的浆体。

3结论

（1）微珠和超细矿粉的掺入能显著降低浆体的粘度，对于流动性能也有一定的改善作用；相反，硅灰的加入，可以显著增加浆体的粘度和流时，对浆体的工作性能带来不利影响。（2）随着微珠和硅灰掺量的增加，超细灌浆料各龄期的强度均呈现下降趋势，而随着超细矿粉的掺入，强度呈现先增大后减小的趋势。（3）单掺微珠和超细矿粉能显著改善超细灌浆料的渗透性能，而硅灰的掺入使超细灌浆料的渗透性能显著下降。

作者:袁伟 田晓航 杨辉 李磊 柯伟席 蔡良飞 单位:武汉三源特种建材有限责任公司