摘要：水泥基灌浆材料主要应用于地脚螺栓锚固、设备基础及钢结构柱脚底板的二次灌浆、混凝土结构改造、加固及后张预应力混凝土结构孔道灌浆。随着社会需求的不断增加，国内外对水泥基灌浆材料进行了很多研究，为进一步开发更高性能的灌浆材料提供了研究基础。本文通过对集料和配合比主要参数的优选、优化，配制出高流动度、高强、超高强度、优异工作性、具有微膨胀等性能而成本相对较低的高性能灌浆料。产品符合《水泥基灌浆材料》（JC/T986—2005）标准要求，并从工作性、强度、竖向膨胀率、钢筋握裹强度等方面对该灌浆材料的性能进行了较全面研究。
关键词：水泥基灌浆材料；流动度；抗压强度；竖向膨胀率；钢筋握裹强度
中图分类号：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
随着国民经济的高速发展，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，在以往加固和改造的工程中，多采用有机高分子材料，如：环氧树脂、不饱和树脂等，该类材料存在环保问题，低温施工问题，焊接问题，防火问题等等问题。因此，建议在建筑物的加固和改造工程中尽可能采用无机材料代替有机高分子材料，以避免上述问题的出现。灌浆料的产生从根本上解决了以上问题，用灌浆料进行植筋和工程加固，完全可以满足设计、施工和使用功能的要求。
水泥基灌浆材料是一种应用最多的材料, 它具有耐久性好、强度高、无毒、无污染、价格便宜等优点。国内外对水泥基灌浆材料进行了很多研究，并且取得了不少的成果，为进一步开发更高性能的灌浆材料提供了研究基础。高强无收缩灌浆料最早是在第二次世界大战中由于军事需要而出现的，最早起源于美国，是为加固军事设施而研制的一种高强快速凝固材料。到20世纪50年代，发达国家将其应用于工业部门。
目前我国常用的，有代表性的灌浆材料成品有：
冶金工业部建筑研究总院（现中冶集团建筑研究总院）研制的CGM高强无收缩灌浆材料系列产品。该产品主要是由特殊的胶凝材料、膨胀材料、高强骨料和多种添加剂组成，是一种具有早强、高强、高流态、微膨胀和耐久性好等多种优点的新型复合材料。这类材料可用于大中型设备的二次灌浆、地脚螺栓的锚固和垫板座浆，还可以用于梁柱接头和工程修补等建筑施工。
FGRM超早强水泥基自流平灌浆料（又名FGRM超早强自流平灌注料）是中国建筑材料科学研究院水泥所等单位合作研制的新技术产品，是一种水泥基、凝结时间可调的水硬性的灌浆材料，其显著特点是具有超早强、高强、微膨胀和自密实、自流平的特性。并且，使用简单，可灌性好。该产品特别适用于紧急抢修工程，如铁路基床病害整治；快速锚固工程；隧道灌浆堵漏工程；喷射混凝土；配制超早强混凝土等。
TGRM水泥基特种灌浆料是北京中铁瑞威铁道工程技术有限公司研制生产的水硬性灌浆材料，具有超早强、可灌性好、自密实、自找平、微膨胀的特点，30min期龄抗压强度大于8MPa，同时具有超细和在水中不离散的特性，无氯低碱，对碱骨料反应具有抑制作用及抗酸性腐蚀作用，比传统的灌浆材料具有良好的流动性。
以上只是列举了几种国内比较常用的灌浆料，他们基本上利用水泥作为基体材料，加入不同种类的外加剂，只需加入适量水分搅拌成带流动性的灰浆即可。产品基本具有自流平、早强、微膨胀等特点。具有良好的施工性能、力学性能和耐久性能。
2005年，我国发布了最新的中华人民共和国建材行业标准《水泥基灌浆材料》（JC/T986—2005），提出“水泥基灌浆材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他材料组成的干混材料，加水拌合后具有大流动度，早强、高强、微膨胀的性能”，对水泥基灌浆材料的发展指明了新的方向，对灌浆材料的性能提出了新的要求。为适应新的市场需要，结合灌浆材料的发展现状，本文拟采用本地现有的原材料开发一种具有价廉、环境友好特点的新型高性能水泥基灌浆材料，全面符合或超越JC/T986—2005的标准，并从流动度、强度、竖向膨胀率以及钢筋握裹强度等方面对该灌浆材料的性能进行了较全面研究。
1 试验及结论
1.1试验原材料
水泥: 海螺52.5硅酸盐水泥，主要物理性能如表1所示。
砂:采用粒径小于4.75mm中粗砂， 0.63mm—5mm（45%）0.16mm—0.63mm（55%）进行复掺，混合均匀，细度模数为2.72，堆积密度为1425 kg/m3。
水: 室温自来水。
外加剂:
（1）减水剂：木质素磺酸盐类（木钙、木钠等）、多环芳香族磺酸盐类（萘系与甲醛缩合的盐类等）、芳香族类（聚羧酸盐类等）；
（2）膨胀剂：UEA型干粉膨胀剂
1.2试验方法及内容
流动度:
目前我国普遍采用流动度法考查灌浆料的流动性能，为了满足灌浆施工自行流动的要求，灌浆料的流动度必须大于240mm。如果没有必要的流动性能，狭小的空间是灌不进去的，达不到饱满填充的效果，即使其他性能再好，对灌浆工程也没有意义。所以，灌浆料的流动度是评价灌浆料质量优劣的首要条件。JC/T986—2005标准规定的技术要求应当满足水泥基灌浆材料的初始流动度≥260mm；30min后流动度保留值≥230mm。
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60mm±0.5mm;上口内径70mm±0.5mm:下口内径100mm±0.5mm;下口外径120mm。每次称取不少于2000g 的水泥基灌浆材料。
膨胀率:
为了使灌浆料硬化后，能够获得饱满填充效果，灌浆料必须具有适宜的膨胀性能。灌浆料在灌浆完成后也有下沉现象。但是，由于它有膨胀性能，膨胀的体积能够补偿空隙，并且有余，填满空隙体积后产生膨胀压应力。所以能够密切接触，形不成空隙。JC/T986—2005标准规定的技术要求应当满足水泥基灌浆材料的1d竖向膨胀率：≥0.02％。
竖向膨胀率按GB 50119-2003附录C进行。将水泥基灌浆材料倒入试模后2h盖玻璃板安装千分表读初始值。
竖向膨胀率按下式进行计算： 
抗压强度:
在结构加固修补中，一般都希望有较高的早期强度，以便尽早投入使用。灌浆料的1d抗压强度应大于20MPa。目前，国内常用灌浆料的抗压强度指标一般为：R1≥22MPa，R3≥40MPa，R28≥60MPa。JC/T986—2005标准规定的技术要求应当满足水泥基灌浆材料的抗压强度：R1≥22MPa；R3≥40MPa；R28≥70MPa。
抗压强度试验按GB/T 17671-1999进行。其中水泥基灌浆材料拌合时，采用砂浆搅拌机搅拌，砂浆搅拌机应满足JG/T 3033规定，搅拌时间由加水开始计算,搅拌3min。将拌合好的水泥基灌浆材料倒入试摸，不振动。
钢筋握裹强度:
无论是修补加固工程还是设备基础灌浆要保证灌浆料与钢筋具有足够的握裹强度，才能达到一体化的目的。JC/T986—2005标准规定的技术要求应当满足水泥基灌浆材料的28d钢筋握裹强度：≥4MPa。
钢筋握裹强度按DL/T5150-2001水工混凝土试验规程中的4.8进行，采用(Φ20mm的光面钢筋，钢筋埋入长度200mm. 
凝结时间:
JC/T986—2005标准规定的技术要求应当满足水泥基灌浆材料的初凝时间：≥120min。凝结时间试验采用灌入阻力法按GB/T 50080规定进行.
泌水率:
JC/T986—2005标准规定的技术要求应当满足水泥基灌浆材料的泌水率：≤1.0％。泌水率试验按GB/T 50080规定进行
1.3 试验过程及结果
胶砂比的确定： 通过针对流动度、强度、凝结时间的三大指标的试验工作，初步确定基准配合比。以下各组试验数据均为室温22℃时，相同条件下，两次测定结果的平均值。试验数据如图4所示： 
由图可知： 在固定用水量，不掺入任何外加剂的情况下，胶砂比接近1：1时，流动度达到峰值。分析原因如下：
（1）胶砂比大于1时，由于水泥的比表面积大于砂的比表面积，所以在相同质量的水泥和砂的情况下，水泥颗粒表面所需要包裹的水要比砂多，宏观表征流动度下降；
（2）胶砂比小于1时，浆体保水性较差，由于泌水问题导致流动度非但没有增大，反而有下降的趋势。
综上，得出胶砂比为1：1时，流动度可以达到峰值。
外加剂和水灰比的确定：
调节高效减水剂adva的掺量及相应的用水量，使得灌浆料流动度、强度、凝结时间均达标。试验如下：
由表可知：
1.在相同外加剂掺量的情况下，虽然灌浆料的水灰比越大，流动度越大，但是强度却有所下降，原因在于水泥水化需要的理论的用水量是很有限的，通常在拌和物凝结硬化后，多余的水分蒸发后在浆料内部留下孔隙，尤其是在骨料下面，因此水灰比增大后，其强度出现下降。
2.要想达到标准要求的流动度，水灰比和高效减水剂的掺量都有所增加。
对以上满足流动度要求的4、5两组进行试件成型，养护后1d抗折、抗压数据如下：
1d强度符合标准大于22MPa的要求。故水灰比保证在0.245以上，adva掺量保证在0.33%以上。
试验尝试用木钠和萘系减水剂复掺的方式代替聚羧酸粉剂，效果不理想：木钠和萘系减水剂复掺法与单掺相比可提高部分减水率，但与聚羧酸类减水剂相比减水效果仍然相差甚远，较难符合本灌浆料产品的研发要求，导致相同水灰比的情况下，流动度不能达标；而增大用水量以保证流动度，由于木钠的引气及缓凝效果又对1天强度产生较大负面影响。
因为灌浆料还要有微膨胀的特征，所以加入UEA型干粉膨胀剂（产品建议掺量10%），并确定水灰比及高效减水剂的掺量。 
由于膨胀剂的加入，使得水灰比和外加剂的掺量进一步加大，对达标的第2组进行凝结时间和强度的实验，得到如下结果：表5 掺加UEA后的性能数据 
以上流动度和抗压数据，均达到标准要求：初始流动度≥260mm；30min后流动度保留值≥230mm；抗压强度：1d强度≥22MPa；3d强度≥40MPa；28d强度≥70MPa；初凝时间：≥120min。
综上，在保证流动度、强度、凝结时间的情况下，得到灌浆料的基本配比为:
水泥：膨胀剂：砂：水：adva=450：50：500：130：0.34%
竖向膨胀率的测定结果、分析与配合比的调整
根据之前确定的配比，进行膨胀率实验，整个膨胀过程如图5所示： 
由图可知：在开始2h—3h膨胀率为负值，表示有收缩，4h后出现正值，22h—24h膨胀结束，达到0.02%，开始的负值是因为水泥硬化所产生的收缩，接着膨胀剂中的矿物质与水泥水化产物发生二次反应，生成钙矾石晶体，是一个体积膨胀的过程。因此，掺加膨胀剂可以补偿水泥浆硬化过程中的收缩。
由此可知，竖向膨胀率符合标准要求：1d竖向膨胀率：≥0.02％；没有必要再对膨胀剂的掺量做任何改变，钢筋握裹强度的测定结果、分析与配合比的调整 按确定配合比成型两组，48h后拆模，28d后在万能试验机上，做拔出钢筋实验结果如下表： 
由此可知：
（1）相同条件下，灌浆料的水灰比越大，其泌水率越大；
（2）以上各配比条件下的灌浆料在搅拌后3h内，其泌水率均不超过1%，24h内析出的水分能被完全吸收，满足标准规范要求，泌水率：≤1.0％。
2.结论
综上所述，通过室内配合比试验，确定灌浆料的配比为：
水泥（海螺52.5普通硅酸盐水泥）：膨胀剂（UEA干粉膨胀剂）：砂：水（自来水）：外加剂（高效减水剂adva粉剂）=450：50：500：130：0.34%；其各性能指标如表8所示：
在试验过程中可以发现，固定用水量的情况下，胶砂比对灌浆材料的流动度有较大影响，胶砂比过大时，水泥的比表面积大于砂的比表面积，在相同质量的水泥和砂的情况下，水泥颗粒表面所需要包裹的水要比砂多，宏观表征流动度下降；胶砂比过小时，浆体保水性较差，由于泌水问题导致流动度非但没有增大，反而有下降的趋势。
聚羧酸外加剂较适合用在低水灰比情况下产生较大流动度，拌合物浆体有较好粘聚性；萘系及木钠减水剂减水效果不及聚羧酸类减水剂，且对强度有较大负作用，不适合作为早强高强且高流动性灌浆料的减水剂。
