水泥基灌浆料是以水泥为主要胶凝材料, 加入适量的矿物掺合料及外加剂形成的一种微膨胀、高流动度及高强度的灌浆材料。它被广泛应用于设备基础的二次灌浆、混凝土结构的加固^[1]及修补等领域, 以及可以作为特殊环境下建筑结构的一种防腐涂料。

　　 当前, 不少学者对水泥基灌浆料的性能及其优化进行了一些研究。比如灌浆料的工作性能^[2]、流变性能^[3]、基本力学性能^[4]等物理力学性能, 以及对其在高温^[5]、冻融循环^[6]、高低温循环^[7]条件下的耐久性能做了一定的研究。李国忠^[8]、He Zhenglong^[9]采用醋酸乙烯酯-乙烯共聚 (VAE) 乳液和硅烷等聚合物对水泥基灌浆料改性, 使其物理性能及力学性能得到较大的改善。钟世云等^[10]的研究也表明了在水泥浆体粘度相同的情况下, 聚合物可明显改善灌浆料的可灌性、粘结性能和收缩性。黄振宇等^[11]的应用DSP原理使得整个胶凝体系的密实度达到最大, 研制出扩展度大, 无泌水, 微膨胀的早强、高强的高性能水泥基灌浆材料。Costas^[12]的研究表明不同种类的减水剂对灌浆料的凝结时间、黏性、流变性能及力学性能有不同程度的影响。Lim等^[13]研究了不同细度的砂子对灌浆料的力学性能的影响。结果表明粗砂有利于灌浆料早期强度的提高, 而细砂对灌浆料长期的强度有很大的改善。

　　 然而多数研究者在研究过程中均采用高标号、早强水泥或快硬硫铝酸盐水泥等配制高性能灌浆料, 并加入了些外加剂, 以改变灌浆料的某些性能, 使其成本增加, 不利于广泛的推广使用。而对于采用低标号水泥配制灌浆料的研究甚少, 因此本试验在考虑经济性及对早期强度无特殊要求的前提下, 采用32.5R复合硅酸盐水泥作为主要基料。通过正交试验, 综合研究分析水胶比、胶砂比以及硅灰、粉煤灰掺量等对水泥基灌浆料流动度及7d和28d强度的影响, 优化选出最佳因素水平组合, 为今后的深入研究提供参考。

　　 水泥:采用盾石牌32.5R复合硅酸盐水泥, 其各项指标均符合规范要求, 水泥物理力学性能指标见表1。粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰, 由陕西某电厂生产, 其性能指标见表2。硅灰:采用甘肃某公司生产的S90级硅灰, 其性能指标见表3。砂:普通河砂, 利用筛子剔除粒径2.5mm以上的颗粒, 表观密度为2 653kg/m³, 细度模数为2.67, 属中砂, 级配良好。水:西安自来水。膨胀剂:采用西安某混凝土外加剂厂生产的UEA高效混凝土膨胀剂。减水剂:聚羧酸高效减水剂, 固含量为20%, 淡黄色液体, 由西安某建筑科技有限责任公司生产。

　　 依据现行规范《水泥胶砂流动度测定方法》 (GB/T 2419—2005) ^[14]进行灌浆料流动度试验, 截锥圆模尺寸为下口内径 (100±0.5) mm, 上口内径 (70±0.5) mm, 高 (60±0.5) mm, 玻璃板尺寸不小于500mm×500mm。0min流动度测定是在搅拌完成后立即进行;30min流动度测定是在初始流动度测定结束后, 将灌浆料静置一段时间, 然后再搅拌240s后测定, 自加水搅拌开始到再次测定流动度之间的时间为30min, 灌浆料流动度测定见图1。

　　 灌浆料强度检测方法依据规范《水泥胶砂强度检验方法》 (GB/T 17671—1999) ^[15]进行。采用40×40×160棱柱体试块, 如图2所示。试验机器为WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机。

　　 试块成型过程:先将水泥、粉煤灰、硅灰等粉体材料充分搅拌30s后, 再将水和减水剂的均匀拌合物加入其中, 按照《水泥胶砂强度检验方法》 (GB/T17671—1999) ^[15]进行水泥基灌浆料的搅拌。搅拌结束后立即进行初始流动度的测试及30min流动度保留值的测试, 灌浆料装模时无需插捣, 自然成型, 灌浆料装模后静置24h, 然后进行拆模, 再将试块放在标准条件下养护到规定龄期后进行强度试验。

　　 本试验采用正交试验方法, 选取水胶比 (简称A) 、胶砂比 (简称B) 、粉煤灰 (简称C) 、硅灰 (简称D) 、膨胀剂 (简称E) 和减水剂 (简称F) 六个因素, 每个因素均取三个水平, 研究其对水泥基灌浆料的流动性和强度的影响, 并优化选出最佳因素水平组合。选用正交表L₁₈ (3⁶) 进行正交试验, L₁₈ (3⁶) 含义为:L表示正交表;L下角的数字18表示有18横行, 简称行, 即要做18次试验;括号内的指数6表示有6纵列, 简称列, 即最多允许安排的因素是6个;括号内的数字3表示表的主要部分只有3种数字, 即因素有1, 2和3三种水平。试验因素水平表见表4, 正交试验设计见表5。

　　 水泥基灌浆料的正交试验结果见表6。

　　 水泥基灌浆料0min及30min流动度的极差分析结果见表7。由表7数据可以得出:影响灌浆料0min流动度的主次因素顺序是:水胶比>胶砂比>粉煤灰>硅灰>膨胀剂>减水剂, 水胶比的影响最大, 减水剂的影响最小;影响灌浆料30min流动度的主次因素顺序是:水胶比>胶砂比>硅灰>减水剂>粉煤灰>膨胀剂, 水胶比的影响最大, 膨胀剂的影响最小。

　　 由图3可以看出, 水胶比、胶砂比、粉煤灰、硅灰、膨胀剂、减水剂等因素对灌浆料的流动度影响趋势各不相同。水胶比和胶砂比的波动幅度较大, 说明他们是影响水泥基灌浆料流动性能的主要因素, 其他均为次要因素。随着水胶比的增大, 灌浆料的流动度均在增大, 这是因为胶凝材料的含量是固定的, 增大水胶比, 也即增加了水的含量, 使得灌浆料变得更加稀, 流动度随即增加, 但试验中发现较大的水胶比会产生泌水现象;随着胶砂比和硅灰掺量的增大, 灌浆料的流动度均在降低, 硅灰颗粒粒径小, 比表面积大, 会吸附大量的水, 从而导致灌浆料流动度的下降;随着粉煤灰和减水剂掺量的增加, 灌浆料0min和30min的流动度先增大后降低, 适量的粉煤灰由于其“滚珠效应”可以增加流动度, 过多的掺量也会导致吸附大量水分而降低流动度;随着膨胀剂掺量的增加, 灌浆料0min的流动度先增大后降低, 而灌浆料30min的流动度先降低, 之后有所增加。从流动度因素极差分析图可以选出灌浆料0min和30min流动度最优因素水平组合为A₃B₁C₂D₁E₁F₂。

　　 水泥基灌浆料7d强度的极差分析结果见表8。由表8数据得出:影响水泥基灌浆料7d抗折强度的主次因素顺序是:水胶比>膨胀剂>胶砂比>减水剂>硅灰>粉煤灰, 其中水胶比为最重要影响因素, 粉煤灰的影响最小;影响水泥基灌浆料7d抗压强度的主次因素顺序是:胶砂比>粉煤灰>水胶比>膨胀剂>硅灰>减水剂, 胶砂比、粉煤灰和水胶比为重要影响因素, 减水剂的影响最小。

　　 由图4 (a) 可以看出, 随着水胶比、膨胀剂和减水剂掺量的增大, 水泥基灌浆料7d抗折强度均降低;随着胶砂比和粉煤灰掺量的增加, 水泥基灌浆料7d抗折强度一直增加;随着硅灰掺量的增加, 灌浆料7d抗折强度先降低后增加。从水泥基灌浆料7d抗折强度因素极差分析图可以选出水泥基灌浆料7d抗折强度的最优因素水平组合为A₁B₃C₃D₃E₁F₁。

　　 由图4 (b) 可以看出, 随着水胶比和粉煤灰掺量的增大, 水泥基灌浆料7d抗压强度均在降低, 水胶比过大会增加流动度, 进而使得灌浆料发生离析, 造成试块成型不均匀, 影响强度, 而粉煤灰“二次反应”的滞后性, 也会影响灌浆料的前期强度;随着胶砂比、膨胀剂和减水剂掺量的增大, 水泥基灌浆料7d抗压强度先增大后有所降低, 减水剂掺量过大, 导致灌浆料泌水严重, 影响了水泥的正常水化以及增加了孔隙, 使强度降低;随着硅灰掺量的增加, 水泥基灌浆料7d抗压强度先降低后增加。从水泥基灌浆料7d抗压强度因素极差分析图可以选出水泥基灌浆料7d抗压强度的最优因素水平组合为A₁B₂C₁D₁E₂F₂。

　　 综合水泥基灌浆料7d抗折及抗压强度结果分析, A因素取A₁;B因素对水泥基灌浆料7d抗压强度为最重要因素, 在水泥基灌浆料7d抗折强度中排第3位, 此时B因素取B₂或B₃, 当取B₂时, 水泥基灌浆料7d抗折强度比取B₃时减小3.7%, 而水泥基灌浆料7d抗压强度比取B₃增加24%, 所以B因素取B₂;C因素在水泥基灌浆料7d抗压强度中排第2位, 对水泥基灌浆料7d抗折强度为最不重要因素, 因此C因素取C₁;D因素在水泥基灌浆料7d抗折强度和抗压强度中均排第5位, 均为不重要因素, 此时D因素取D₁或D₃, 当取D₁时, 水泥基灌浆料7d抗折强度比取D₃时减小4.5%, 而水泥基灌浆料7d抗压强度比取D₃增加1.7%, 所以D因素取D₃;E因素在水泥基灌浆料7d抗折强度中排第2位, 在水泥基灌浆料7d抗压强度中排第4位, 此时E因素取E₁或E₂, 当取E₁时, 水泥基灌浆料7d抗折强度比取E₂时增加2.9%, 而水泥基灌浆料7d抗压强度比取E₂时减小4.7%, 所以E因素取E₂;F因素在水泥基灌浆料7d抗折强度中排第4位, 对7d抗压强度为最不重要因素, 此时F因素取F₁或F₂, 当取F₁时, 水泥基灌浆料7d抗折强度比取F₂时增加3.1%, 而水泥基灌浆料7d抗压强度比取F₂时减小2.2%, 所以F因素取F₁。因此综合分析水泥基灌浆料7d抗折及抗压强度, 得到其最佳因素水平组合为A₁B₂C₁D₃E₂F₁。

　　 水泥基灌浆料28d强度的极差分析结果见表9。由表9可以得出:影响水泥基灌浆料28d抗折强度的主次因素顺序是:胶砂比>水胶比>硅灰>粉煤灰>减水剂>膨胀剂, 胶砂比和水胶比为重要影响因素, 膨胀剂的影响最不重要;影响灌浆料28d抗压强度的主次因素顺序是:胶砂比>水胶比>粉煤灰>膨胀剂>硅灰>减水剂, 胶砂比为最重要影响因素, 减水剂的影响最小。

　　 由图5 (a) 可以看出, 随着水胶比和胶砂比的增大, 水泥基灌浆料28d抗折强度先增大后降低;随着粉煤灰掺量的增加, 水泥基灌浆料28d抗折强度一直在降低;随着硅灰、膨胀剂和减水剂掺量的增加, 水泥基灌浆料28d抗折强度一直在增加。从水泥基灌浆料28d抗折强度因素极差分析图可以选出水泥基灌浆料28d抗折强度的最优因素水平组合为A₂B₂C₁D₃E₃F₃。由图5 (b) 可以看出, 随着水胶比、膨胀剂和减水剂掺量的增大, 水泥基灌浆料28d抗压强度先增大后降低, 适量的膨胀剂会使得试块更加密实, 增加强度, 过多则会产生不利的钙矾石, 因其体积膨胀性导致试块产生微裂缝, 降低其强度;随着胶砂比和粉煤灰掺量的增加, 水泥基灌浆料28d抗压强度一直在降低;随着硅灰掺量的增加, 水泥基灌浆料28d抗压强度先降低后增大。从水泥基灌浆料28d抗压强度因素极差分析图可以选出水泥基灌浆料28d抗压强度最优因素水平组合为A₂B₁C₁D₁E₂F₂。

　　 图6 (a) 为试块的横截面图, 由图可以看出试块成型的比较均匀, 泌水性小, 密实性较好, 没有明显的孔隙和空洞。图6 (b) 为抗压破坏的试块, 由图可以看出试块的破坏形态符合“环箍效应”。

　　 综合水泥基灌浆料水泥基灌浆料28d抗折及抗压强度结果分析, A因素取A₂;B因素对水泥基灌浆料28d抗压及抗折强度均为最重要因素, 但是当B因素取B₁时, 水泥基灌浆料28d抗折强度比取B₂时减小11.1%, 而水泥基灌浆料28d抗压强度比取B₂时增加1.0%, 所以B因素取B₂;C因素取C₁;D因素在28d抗折强度中排第3位, 在水泥基灌浆料28d抗压强度中排第5位, 此时D因素取D₁或D₃, 当D因素取D₁时, 水泥基灌浆料28d抗折强度比取D₃时减小10.5%, 而水泥基灌浆料28d抗压强度比取D₃增加0.84%, 所以D因素取D₃;E因素在水泥基灌浆料28d抗压强度中排第四位, 对水泥基灌浆料28d抗折强度为最不重要因素, 此时E因素取E₂或E₃, 当E因素取E₂时, 水泥基灌浆料28d抗折强度比取E₃时减小0.36%, 而水泥基灌浆料28d抗压强度比取E₃增加7.2%, 所以E因素取E₂;F因素在水泥基灌浆料28d抗折强度中排第5位, 对水泥基灌浆料28d抗压强度为最不重要因素, 此时F因素取F₂或F₃, 当F因素取F₂时, 水泥基灌浆料28d抗折强度比取F₃时减小0.19%, 而水泥基灌浆料28d抗压强度比取E₃增加3.1%, 所以F因素取F₂。因此对于水泥基灌浆料28d抗折及抗压强度的综合分析, 得出其最佳因素水平组合为A₂B₂C₁D₃E₂F₂。

　　 由以上分析可得, 水泥基灌浆料流动度的最佳的因素水平组合为A₃B₁C₂D₁E₁F₂;对于水泥基灌浆料7d强度的最佳的因素水平组合为A₁B₂C₁D₃E₂F₁;对于水泥基灌浆料28d强度的最佳的因素水平组合为A₂B₂C₁D₃E₂F₂。综合以上分析, 考虑到工程实际应用和经济性, 以水泥基灌浆料28d强度为控制目标, 以流动度为控制条件, 以水泥基灌浆料7d强度为参考, 优化后选取的最佳组合为A₂B₂C₁D₃E₂F₂。

　　 本文通过正交试验, 以水泥基灌浆料的0min及30min流动度、7d和28d抗折及抗压强度为指标, 研究了水胶比、胶砂比、粉煤灰、硅灰及膨胀剂和减水剂的掺量对水泥基灌浆料性能的影响, 得出如下结论:

　　 (1) 通过正交试验, 研究了水胶比、胶砂比、粉煤灰、硅灰及膨胀剂和减水剂的不同掺量对水泥基灌浆料基本力学性能的影响, 主要性能指标为灌浆料的0min和30min流动度、7d和28d抗压及抗折强度。

　　 (2) 从影响水泥基灌浆料综合性能来看, 水胶比和胶砂比对其影响作用最为显著, 硅灰和粉煤灰较为显著, 膨胀剂和减水剂的影响作用较小。

　　 (3) 减水剂对水泥基灌浆料30min流动度的影响较大, 对0min流动度的影响为最不重要因素, 说明减水剂发挥其主要作用需要一段时间。此外, 减水剂对7d和28d强度的影响为不重要因素。

　　 (4) 膨胀剂对7d强度的影响较大, 尤其是抗折强度, 对流动度和28d强度的影响较小。

　　 (5) 粉煤灰、硅灰对灌浆料流动度及28d强度的影响较大, 对7d强度的影响作用不显著。

　　 (6) 以水泥基灌浆料28d强度为目标, 流动度为条件, 优化的最佳因素水平组合为A₂B₂C₁D₃E₂F₂, 即水胶比为0.34、胶砂比为1∶1.2、粉煤灰掺量为15%、硅灰掺量为8%、膨胀剂掺量为10%、减水剂掺量为1.00%。