CGM 高強無收縮灌漿料的性能

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　　摘要 依據大量的試驗成果，闡明 CGM 高強無收縮灌漿料是一種具有早強、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。它是將流態混凝土、早強高強混凝土、膨脹混凝土和外加劑等多種混凝土技術綜合運用。

CGM high-strength non-shrinkage grouting material

Abstract ： Based on a great of experiment results, high-strength non-shrinkage grouting material is composite material which has many features including early-strength 、 high-strength 、 natural flow, micro-expansion. It is also a technology use of many concrete including natural flow concrete, early-strength and high-strength concrete, expansion concrete, admixture concrete and so on.
Key words ： high-strength non-shrinkage, grouting material, expansion

　　為了提高冶金、石化和電力等系統的軋鋼、連鑄、壓縮機、大功率泵和發電機等大型與特大型設備的安裝精度，加快安裝速度和延長設備使用壽命，需要采用流動度大、強度高和具膨脹特性的灌漿材料。這類材料不僅可用于大中型設備的地腳螺栓的錨固、墊板座漿的二次灌漿，也可用于梁柱接頭，工程搶修等具有早強、高強、無收縮和高流態要求的建筑施工。

一、 CGM 新灌漿料性能研究
1 、 CGM 灌漿料是一種具有早強、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。為此，它的研究與開發包含流態混凝土，高強早強混凝土，膨脹混凝土和外加劑應用等多種技術，以無機膠凝材料和高強骨料為主，通過摻入不同種類的外加劑使得產品具有各種要求的性能，其主要性能如表 1 所示。

表 1 產品主要性能

二、性能
　　 用于設備灌漿的 CGM 灌漿料材料是一種具有高強、早強、高流動態和微膨脹等特性的混合材料。它主要是由特殊膠凝材料、膨脹材料、高強骨料和多種外加劑組成的。現對試驗成果作一介紹。
1 、流動度
　　流動度指標是灌漿施工有無成效的重要條件。根據國外設計，一般要求灌漿料的跳桌流動度大于 240mm ，以保證灌漿料依靠自重或稍加插搗就能流進所要填充的全部空隙。按不同水料比測定的 CGM 灌漿料的流動度和強度 ( 見圖 1 與表 2) ，圖 1 表 2 顯示 CGM灌漿料隨著用水量的增加流動度增大，而抗壓強度則降低。

表 2 用水量對流動和強度的影響

　　根據試驗，在不同溫度條件下該材料流動性延續時間對流動度影響見表 3 。施工中應注意對攪拌好的灌漿料不宜久置。

表 3 時間延續對流動度的影響

2 、凝結時間
　　 灌漿料的凝結時間直接影響到施工連續性和質量。 CGM 中膠凝材料的水化速度隨環境溫度不同而改變，凝結時間也隨之變化。所測定的不同溫度和流動度 CGM 的凝結時間 ( 表 4) ，可供不同條件下施工參考之用。

表 4 CGM 的凝結時間

3 、限制膨脹性
　　在設備安裝中，用灌漿料澆筑的二次灌漿層上表面高度不能低于初始表面高度，而且要向上有一定膨脹變化，這種變形稱為豎向限制膨脹。地腳螺栓的錨固有一定的膨脹應力，使螺栓錨于應力場中，可大大地提高抗拉拔的能力。見圖 2 、表 5 表明 CGM 灌漿料在常溫下都有一定的豎向限制膨脹性，限制膨脹率在 0.010% ～ 0.040 ％范圍內，并在灌漿后十天左右開始穩定。

表 5 CGM 在常溫膨脹率 ％

4 、抗壓和抗折強度
　　 按國內規范要求，一般設備安裝的二次灌漿采用的細石混凝土強度應比設備基礎混凝土高一級。當用無墊板方式安裝設備時，按國外設計要求，灌漿料的一天抗壓強度要達到 30MPa ， 28d 抗壓強度達到 60MPa ，甚至更高 ( 如鋼連鑄 ) 。為了滿足上述設計要求，在對 CGM 原材料配比進行大量試驗研究后，測定的抗壓、抗折強度的范圍值見表 6 。

表 6 CGM 的抗壓抗折強度 MPa

　　從表 6 數據可見， CGM 的早期和后期抗壓強度都達到國內外設計要求，抗折強度與普通混凝土相比更有*性。因此，可以在有早強、高強要求的國產和進口設備的二次灌漿工程中使用。

四、其它性能指標
1 、鋼筋粘結強度
　　 對圓鋼筋一天的粘結強度已超過 6.0MPa ，對螺紋鋼筋一天的粘結強度已超過 13.0MPa 。因此， CGM 灌漿料可部分代替環氧樹脂作地腳螺栓的錨固材料。
2 、抗滲性
　　 CGM 灌漿料的抗滲水性較一般防水混凝土能力好得多。機油滲透率、油滲深度、強度增長率等多項試驗表明，該材料浸油后強度不降低，耐油滲性能好。
3 、低溫和凍融性能
　　 CGM 具有良好的低溫性能，在冰箱 - 5 ℃ ，環境 -10 ℃ 的條件下使用時，其 7d 抗壓強度不低于 30MPa 。轉為標溫養護后，其抗壓強度立即上升，能滿足較低溫度下的工程設計和施工要求。低溫型的 CGM 在凍融后強度幾乎不損失。因此，可適用于在凍融環境中的設備安裝工程。
4 、不導致鋼筋銹蝕
　　 CGM 灌漿材料往往與鋼筋和鐵制設備基礎*接觸。試驗表明其系列產品在自然電位處于鈍化狀態 (0 ～ 300mV) ；試塊劈開后，所埋的鋼筋無腐蝕。因此，可以說 CGM 灌漿料不會導致鋼筋銹蝕。

五、結論
1 、 CGM 灌漿料有很好的流動性，適用于設備的二次灌漿、地腳螺栓錨固和工程維修；
2 、 CGM 灌漿料的初凝時間、終凝時間和膨脹率均滿足工程設計和施工要求；
3 、 CGM 灌漿料具有很高的抗壓強度，*可滿足國產和進口設備對灌漿體強度的要求；
4 、 CGM 灌漿料與鋼筋的粘結強度高，可替代環氧樹脂作為地腳螺栓的錨固材料，且在自然電位下對鋼筋無銹蝕作用。
5 、 CGM 灌漿料的抗滲水性好，抗油滲和浸蝕能力強，低溫條件下強度較高，且抗凍融性較好。
　　 CGM 灌漿料具有良好的耐疲勞性，在 200 萬次疲勞試驗后，靜壓強度仍很高，而同條件下普通同標號混凝土在 15 萬次時就已破壞。據國內外資料顯示，摻灌漿料的彈性模量都低于普通混凝土，這有益于減緩設備的振動荷載對基礎的沖擊壓力。在 CGM 灌漿料膨脹觀測過程中，灌漿料膨脹速率存在一定波動，經數次試驗分析，排除試驗誤差后的影響，可能是受水泥熟料中不同礦物水化的影響，這一機理尚待證實。總而言之， CGM 灌漿料工程性能佳，適用范圍廣，是一種很好灌漿材料。

一、用途

    各種機械設備安裝二次灌漿

    熱荷設備基礎墊層

    各種設備安裝地腳螺栓錨固

    抗熱輻射環境建筑結構

二、特性

    自流免振 —— 砂漿自流，施工免振，確保無漏空灌漿

    微 膨 脹 —— 澆注體*使用無收縮

    早強高強 —— 澆后 1 天強度可達 30 ～ 50MPa

    持久高強 —— *后期強度下降之慮

    耐 油 滲 —— 密實抗滲適應機座油污環境

    抗 剝 離 —— 新舊界面結合牢固

三、技術指標

[ 應用實例 1]

CGM 高強灌漿料在軋機基礎中的應用

　　隨著科技的進步，材料產業也得到飛速的發展。正如混凝土一樣，水泥基灌漿材料也由原來的高強灌漿料逐步向高性能灌漿料的方向發展。高性能水泥基灌漿料是以水泥為主要膠凝劑，選擇高莫氏硬度的材料為骨料，輔以流化劑、微膨脹、防離析等組分配制而成的干混料。在施工現場只需加入一定比例的水攪拌，硬化后具有一定的強度，且具有流動性好、有效接觸面高、微膨脹、用水量范圍比較寬、不離析、不泌水等性能特點。廣泛應用于設備基礎灌漿、鋼結構柱腳灌注、空洞修補、軌道基礎灌漿、后澆帶灌漿等。目前應用領域逐漸擴大，已擴展至梁板柱墻的加固，大體積基礎搶修灌注等領域。

1 高性能灌漿料的性能

1.1 流變性
　　 灌漿料是高流態的材料，流變性的好壞至關重要，是可施工的先決條件。目前國內反映灌漿料流變性的指標是依據《水泥基灌漿材料應用技術規程》 (YB/T9261 — 98) 測量新拌灌漿料的流動度。這種方法并不能*反映拌合物的流變行為，例如有的灌漿料粘聚性比較高，流速很慢，zui終也能達到比較大的流動度。粘聚性較高意味著灌漿過程中需要克服較大的摩擦阻力才能填充整個灌漿空間，這種測量方法并不能十分準確地反映灌漿料的施工行為。這樣的灌漿料也不適合應用于薄壁結構灌注，特別是對較長的設備基礎的二次灌漿。
　　 在國外，反映灌漿料流變性的性能指標多采用流秒的方式。如日本資料介紹，用上口直徑 70mm ，下口直徑 14mm ，高 400mm的圓錐體，堵住下口，往其中倒滿灌漿料，放開下口，同時計時，到錐**的物料流完 ( 一般以透亮為準 ) 為止。也就是說通過灌漿料流經圓錐體的時間反映流變性，這種方法比較適合骨料較細的灌漿料。而國內的灌漿料的骨料一般都大于 2mm ，因而不適合采用流秒的方法。
　　 結合國內外的試驗研究情況和工程實踐，評判灌漿料的流變性能的優劣，應采用流動長度與流經時間相結合的方式。即流槽 ( 德國maxit 公司試驗儀器 ) 的方法，測量在流槽左端 1L 錐**的新拌灌漿料在槽內流動距離，若流動距離較長，說明流速快，該材料的流動性越好，易于澆灌。同時測量流動終止時所需要的時間。 30 min 后重復上述試驗過程 ( 即新拌灌漿料流變性的經時損失 ) 。我們選用國外的兩種高性能灌漿料，記為 A 和 B ；國內某灌漿料，記為 C ，與 CGM 灌漿料對比，試驗結果見表 1 。

表 1 流槽法測量流變性的試驗結果

　　試驗結果表明：同國外灌漿料相比，流動終止所需時間要長，但流動距離都比較大；同國內的灌漿料相比，無論是流動距離，還是流動終止所需要的時間，都有較大的優勢。作為高性能灌漿材料，必須具有很好的流變性，在施工過程中盡量不采用輔助措施，*依靠自身的流變行為，就能順利地把整個灌漿層填充飽滿。

1.2 豎向膨脹
　　 豎向膨脹率是高性能灌漿料的另一個比較重要的性能指標。灌漿料是一種流動性比較高的材料，必然帶來一定程度的收縮，收縮包含多種形式，包括沉降收縮和由于表面水分散失而引起的干燥收縮以及自收縮等，這些收縮導致灌漿層與設備基礎板脫離，嚴重的是大面積空鼓。為了彌補這一缺陷，灌漿料都具有微膨脹性，而國內絕大部分的灌漿料的膨脹都發生在硬化階段，即便是硬化膨脹大于塑性階段的收縮，也會造成接觸面降低。按照《水硬性水泥基灌漿材料 ( 無收縮 ) 標準規范》 (ASTM 1107) 的 C 類要求，高性能灌漿料的膨脹性應是復合型的，既要有硬化后的膨脹，也要有塑性膨脹。
　　 利用 Shrinkage cone 錐體收縮測試單元測試灌漿料的膨脹性。其測試原理是在新拌灌漿料的表面放置一個具有反射功能的玻璃薄片，由于灌漿料豎向高度的變化會引起玻璃薄片位置的改變，激光在薄片上的反射距離也就相應的有所不同，經過數據分析處理得出膨脹曲線。國內的灌漿料 C 和 CGM 高性能灌漿料的膨脹曲線如圖 1 和圖 2 所示。從曲線上可以看出，只有硬化后膨脹的灌漿料在塑性階段是收縮的，而硬化后的膨脹又不能很好地彌補早期的收縮；而復合型膨脹無論是塑性階段還是硬化階段，都是正值，且膨脹量的絕大部分發生在塑性階段。國外的灌漿料的膨脹性都是復合型的，且尤為注重早期的塑性膨脹。

3 、實驗結果與分析 
3.1 凝結時間
　　 水灰比為 0.5 ，不同溫度下硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥混合體的初凝時間見圖 1 。

表 1 正交實驗配合比 ％

表 2 灌漿料的主要技術指標

圖 1 硅酸鹽和鋁酸鹽水泥混合體的初凝時間

　　實驗表明，硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥直接混合使用時，會在很大的混合比例區間內，凝結迅速，而無法正常使用。其原因在于：—方面，鋁酸鹽水泥在溫度低于 30 ℃ 時，水化生成的 CAH 10 和 C 2 AH 8 屬于亞穩晶系，會快速與硅酸鹽水泥生成的 Ca(OH) 2 發生反應，生成屬于穩定晶系、強度很低的 C 3 AH 6 晶體，加速凝結。同時生成的 C 3 AH 6 在水溶液中會與硅酸鹽水泥中起緩凝作用的石膏反應生成鈣礬石，石膏的消耗導致硅酸鹽水泥中的 C 3 A 水化反應迅速進行，從而加速了體系的凝結硬化；另一方面，當反應溫度在 30 ℃ 以上時，鋁酸鹽水泥的水化產物為 C 3 AH 6 會迅速消耗硅酸鹽水泥中的石膏，加速硅酸鹽水泥的水化，造成凝結時間過快。因此，需要添加合適的緩凝劑，延長灌漿料的凝結時間。本文通過實驗研究了不同的緩凝劑對灌漿料的凝結時間、流動性能和強度的影響，結果見表 3 。

表 3 緩凝劑對凝結時間及其它性能的影響

　　綜合考慮，本文采用 S 型緩凝劑調整灌漿料的凝結時間。該緩凝劑的摻量對灌漿料凝結時間及 1d 強度的影響見圖 2 、圖 3。

圖 2 、圖 3 表明，隨著緩凝劑摻量的增加，灌漿料的凝結時間延長，但灌漿料早期強度降低。在滿足可操作時間的基礎上，應盡可能提高灌漿料的早期強度，因此，實驗中緩凝劑的摻量取 0.18 ％。

3.2 流動度
　　 本研究的灌漿料要求具有良好的流動性能，以滿足工程無壓力灌漿的施工要求。實驗中采用減水率為 25 ％的非引氣型高效減水劑，以增加灌漿料的流動性能。僅依靠減水劑和拌合水量滿足灌漿料大流動度的要求，易導致泌水現象，因此，實驗中適量添加了熟石灰粉。熟石灰粉在水溶液中能形成顆粒極細的呈膠體分散狀態的氫氧化鈣粒子，表面吸附一層水模，合灌漿料的泌水現象和可塑性明顯改善。同時，所引入的鈣離子能夠促進鋁酸鹽水泥水化產物生成鈣礬石，從而有助于灌漿料的強度提高。
　　 增加拌合水的用量可以增大拌合物的流動度，但過多的拌合水會在材料硬化過程中蒸發而使灌漿料產生毛細孔，從而對強度帶來**影響。拌合水用量與 1d 強度、初始流動度的關系分別見圖 4 、圖 5 。

　　從圖 4 可以看出，當水料比小于 0.16 時，硬化體的 1d 強度大于 30MPa ，但從圖 5 看出，其初始流動度小于 260mm，不能滿足標準要求。隨著拌合水量增加，初始流動度增大，硬化體的“強度有所下降。當水料比為 0.1 6 ～ 0.17 時，灌漿料具有較好的流動性能，同時早期強度較高。

3.3 膨脹率
　　 灌漿料用于設備安裝時，要求其硬化后具有微膨脹性能。參照 CB 50119 — 2003 方法進行豎向膨脹率實驗，發現該灌漿料體系中 G 型摻合料的用量影響到硬化漿體的體積變化。在固定硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥用量的條件下，隨著 G 刮摻合料用量的增加，硬化漿體的膨脹率也逐漸增加，當 G 刑摻合料的用量為 6 ． 0 ％時，硬化漿體的 1d 膨脹率達到 0.02 ％ ( 見 l 圖 6) 。
　　 經掃描電鏡分析， C 型摻合料與水泥的水化產物反應生成了體積膨脹的針狀晶體鈣礬石，填充硬化漿**部孔隙，使材料密實度提高，抑制硬化漿體的收縮，其掃描電鏡分析結果見圖 7 。

3.4 強度性能
　　 JC/T98 6 — 2005 《水泥基灌漿材料》要求，灌漿料不僅要求早期強度高，同時 28d 強度要大于 70MPa 。實驗按 GB/T17671 — 1999 規定的方法 ( 將拌合**的水泥基灌漿材料倒入試摸，不振動 ) ，對材料進行抗壓強度試驗。測試結果見表 4 。

表 4 水泥基灌漿料抗壓強度實驗結果

　　從表 3 可見，灌漿料早期強度增長迅速，隨著齡期延長，強度增長速度降低，但仍能持續穩定增長。實驗對不同齡期的材料進行了電鏡掃描分析，結果見圖 8 。
　　 從圖 8 電鏡掃描照片可以看出， 1d 齡期時灌漿料內部已經形成了大量的鈣礬石，鈣礬石晶體交錯生長，提高了灌漿料的密實度。3d 齡期時，鈣礬石晶體的數量進一步增加，同時晶體變得粗大，填充了灌漿料內部的微小孔隙，從而賦予了灌漿料較高的抗壓強度。當28d 齡期時，鈣礬石的數量仍有所增加，灌漿料的密實度進一步提高。在該體系中由于添加了—定量的熟石灰粉， Ca 2+ 濃度較高，鈣礬石以固相反應形成，其形態呈團聚并向外放射狀的針狀晶體，比表面積大，相互交叉擠壓，產生的膨脹應力更大。由于鈣礬石在水化硬化過程中的結晶壓力和吸水膨脹變形在約束條件下轉化為水泥石的自應力，而使水泥石具有較好的抗變形能力同，從而使硬化漿體具有很高的強度。

4 、結 論

(1) 本文研究的灌漿料，具有較高的早期抗壓強度： 1d 為 27.2MPa ， 3d 為 41.5MPa ， 28d 為 75.4MPa 。后期強度能夠持續穩定增長， 80d 為 90.0MPa ， 90d 可達 92.1MPa 。
(2) 硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥復合使用時，通過添加合適的外加劑及摻合料能夠獲得優異的流動性能，初始流動度為 26 5 ㎜ ， 30min后流動度保留值為 242mm 。
(3) 確定硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥的合適比例后，可通過 G 型摻合料的用量控制灌漿料 1d 的豎向膨脹率。(4) 控制鈣礬石的生成對提高該體系的力學性能和改善微膨脹性能起重要作用。