水泥基灌浆料的发展研究现状

水泥基灌浆料的材料组成

综观各国水泥基自灌浆料配方虽各不相同，但主要由以下几个部分组成：水泥、填料、骨料、高效减水剂、保水剂、调凝剂、早强剂、膨胀剂和消泡剂等材料。

  ①水泥：水泥是水泥基灌浆料的主要材料，该材料的选择对灌浆料的性能起着决定性作用。通常采用普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等或普硅酸盐水泥掺加少量的铝酸盐水泥，硫铝酸盐水泥。

  ②集料：集料是砂浆中一个重要的组成部分，集料的级配和细度模数会影响砂浆的塑性以及起硬化体的力学性能，集料颗粒的形状也会影响砂浆的工作性。通常采用级配优良的天然砂和石英砂。

  ③高效减水剂：由于水泥基灌浆料的浆体要求具有较高的流动性及稳定性，因此选择好的高效减水剂是其技术的关键。

  ④矿物填料：合适的颗粒级配对浆体的流动性及稳定性也有很大的影响，因此灌浆料中也适量加入粉煤灰、矿渣粉、硅灰、等矿物掺合料作为细填料。目前

已有学者将矿物掺合料的增塑减水机理总结为四大效应：微填充效应，形貌效应，比重效应，分散效应。

  ⑤保水剂：由于水泥基灌浆料要求大流动性而不泌水，泌水不利于其强度的正常发展及耐久性，因此要选择较好合适品种的保水剂，通常选择各种纤维素，如甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羟乙基纤维素等。

  ⑥膨胀剂：膨胀剂加入灌浆料起补偿收缩活微膨胀作用，膨胀剂是以形成钙矾石产生膨胀、补偿收缩的产品为主。

  ⑦调凝剂：调凝剂有速凝剂和缓凝剂两类。速凝剂用于加快砂浆的凝结硬化，广泛使用甲酸钙和碳酸锂。铝酸盐、硅酸钠也可用作速凝剂。缓凝剂用于减缓砂浆的凝结硬化，酒石酸、柠檬酸及其盐以及葡萄糖酸盐已被成功使用。

  ⑧消泡剂：消泡剂能减少新拌砂浆的含气量，有吸附在无机载体上的碳氢化合物、硬脂酸及其酯、磷酸三丁酯、聚乙二醇或聚硅氧烷等。目前干混砂浆中用的消泡剂主要是多元醇和聚硅氧烷等。应用消泡剂除了调整气泡含量以外．还可以减少收缩。

灌浆料的国内外研究现状

国外研究现状

  从国外的一些文献和欧洲早期关于灌浆料和修补砂浆的专利可以看出，生产灌浆料的主要技术路线如下：用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥作胶凝材料，用膨胀剂达到补偿收缩的目的，用早强剂达到早强的目的，用矿物掺合料改善后期的强度和流变性能，用有机添加剂改善离析泌水性。

  国外学者对水泥基灌浆料的配制、性能、机理等方面进行了较多的研究：Kamal H.Khayat指出：在水泥基材料中加入水溶性聚合物增稠材料能改善水泥基材料的粘聚力和保水性，抗离析和集料下沉，改善砂浆混凝土的抗冻耐久性和力学性能。

  M.Sahmaran和Nzkan等人通过试验证明在水泥基灌浆材料中加入天然的浮石粉能改善灌浆材料的流变性能，当天然浮石粉和超塑化剂一起使用时流变性能改善更加明显。

  M.Jamal Shannag认为掺加矿物掺合料（天然火山灰，硅灰，粒化高炉矿渣粉和粉煤灰）和超塑化剂可以生产高性能水泥基灌浆材料，其具有好的流动性、抗渗性、抗侵蚀性、抗冻耐久性、体积稳定性和强度，并在试验室利用PO42.5，石英砂，硅灰，高效减水剂等材料配制出具有良好性能的灌浆材料。

  B.elekolu和B.Baradan等对加入超细石灰粉填料的自流平粘结剂进行了试验研究。结果表明石灰石粉填料的孔隙填充效应能得到更密实的结构，它能和水泥水化生成的氢氧化钙，游离的二氧化硅反应生成水化硅酸钙凝胶，更能改善硬化浆体的强度和耐久性。

2.2 国内研究现状

  20世纪70年代，为了满足进口设备的需要，我国开始了灌浆料的研制工作，并于1977年研制成功，开始在冶金设备安装中大量应用。经过30多年的研究实践，我国灌浆料的技术性能逐步提高，其各项技术性能已达到国际水平。在灌浆料的使用上，已从传统的用于机械设备安装的二次灌浆发展到用于混凝土结构的加固修补方面，并获得良好的效果。

  1987年，中国建材研究院在研究膨胀剂的基础上研制成无收缩超早强二次灌浆系列产品简称UGM(U-Type Grout Materials)，已在全国大小几十个进口设备安装工程中应用，效果良好。据用户反映，部分性能已超过国外同类产品的技术指标。它具有无收缩、超早强、高流动性、粘结力强和对钢筋无锈蚀等特点。UGM是由高强胶结材料，膨胀剂、流化剂、调凝剂和石英砂复配而成[25]。

  1990年，为完成冶金部、建设部下达的“设备灌浆料系列产品研究”任务，解决进口材料昂贵，国产材料性能欠缺(强度和流动性等)问题，冶金建筑研究总院研制成功CGM灌浆材料。随后研制出一系列CGM灌浆材料，以满足各种设备和不同季节灌浆施工的技术要求，并弥补现有单一产品性能及其它方面的不足，在数十个国家重点工程中，试应用了10000余t。1997年2月通过了冶金部和建设部的技术鉴定,同年获国家重点新产品称号。

  以下是国内一些有关灌浆料的专利[17-22]配方(所用材料百分比均按质量计)：

  专利配方一：硅酸盐水泥35-60%二氧化硅微粉2.0-5.0%石灰内膨胀剂0.3-2.5%萘磺酸盐缩合物0.5-2.0%石英砂(0.25-1.0mm)40-65%水料比0.13-0.20。

  专利配方二：硅酸盐水泥30-60%中粗黄砂50-60%早强剂8-15%加速水化剂0.7-0.9%缓凝剂0.08-1.53%水料比0.14-0.18。

  专利配方三：硅酸盐水泥20-40%快硬水泥10-20%活性掺合料1.0-4.0%膨胀剂0.3-2.5%减水剂0.2-0.8%悬浮剂0.01-0.25%纤维0.005-0.015%石英砂40-70%水料比0.11-0.16。

  专利配方四：普通硅酸盐水泥35-50%膨胀剂1-6%减水剂0.1-0.8%普通建筑用中砂45-60%纤维素醚0.001-0.08%。

  专利配方五：普通硅酸盐水泥42.5 50%BM膨胀剂6%美国PLA外加剂2.5%硅砂：30目硅砂22%50目硅砂19.5%。

  专利配方六：PO42.5R水泥36.5%超细硅灰粉2.0%粉煤灰7.5%石英砂(石英砂级配：0.0-0.16mm 10%，0.16-0.315mm 30%，0.315-1.25mm 28%，1.25-2.5mm 23%，2.5-3.0mm 9%)50%磺酸盐甲醛聚合物1.48%过烧生石灰和硫铝酸盐膨胀剂(过烧生石灰和硫铝酸盐膨胀剂比例为1：5.2)2.38%纤维素醚0.056%金属铝粉0.01%聚丙烯纤维(长度5-10mm直径0.05-0.08mm)0.074%拌合水14%。

  目前国内从事灌浆料的生产企业达200余家，年产量近50万吨。随着化学外加剂、矿物掺合料、水溶性聚合物改性剂和填料在干粉砂浆中的应用日趋成熟。

  对于灌浆料来说亟待解决的是早强和膨胀的问题。当前国内配制灌浆料主要途径如下：一是在普通硅酸盐水泥中加早强剂和膨胀剂，二是使用特性水泥，三是普通硅酸盐水泥和特性水泥复合。

  第一种途径目前应用最为广泛，国内的研究机构和学者对用该方法配制水泥基灌浆材料产品做了大量的研究。

  天津建材研究所的吴为群等报道了对高强灌浆材料的研究，并对矿物掺合料和超细粉料用于灌浆材料中的机理和作用做了分析。指出：使用活性矿物掺合料的火山灰效应可以降低集料和胶凝材料界面区域氢氧化钙的含量，从而改善界面孔结构分布，增加界面间作用力，提高材料间的粘结强度。

  石油大学后勤管理处孙翔等对SK高强无收缩灌浆料的研制与应用作了研究，在灌浆料中复合了防裂组分以减少塑性阶段的收缩取得了良好的效果。包头钢铁学院的航美艳等配制出GL-E灌浆材料并对其性能作了研究。

  北京科技大学刘娟红等研究了特制砂，粉煤灰及抗裂防水剂的不同掺量对高性能水泥基灌浆材料自收缩性能的影响，并通过SEM形貌和EDS等手段，对水泥基灌浆材料水化产物的早期结构，形貌和相组成进行了研究。结果表明：水泥基灌浆材料的自收缩随着特制砂和粉煤灰掺量的增大而减小。当适当加大抗裂防水剂的掺量能够有效地降低水泥基灌浆材料的自收缩率，抗裂防水剂的掺量为10%时，能使水泥基灌浆材料浆体在早期生成大量的钙矾石,补偿浆体一部分自收缩,减小自收缩率。

  浙江合力新型建材有限公司的董兰女等报道了该公司生产的HL-HGM高强无收缩灌浆料在杭州湾跨海大桥50m简支箱支座安装中的应用，并取得良好的效果。山东省建筑科学研究院郭蕾等对高性能灌浆剂以及用灌浆剂配制的灌浆材料的性能展开研究，试验证明，利用普通硅酸盐52.5R(或普通硅酸盐水泥42.5R)水泥、河砂、细石，掺加所开发的灌浆剂，配制出的灌浆材料技术性能优异，施工方便，成本低廉可以根据实际情况配制灌浆材料以满足不同工程的需要[23]。

  江西省建筑材料工业科学研究设计院郭路等对用普通硅酸盐水泥掺工业硬石膏配制高强灌浆料以及各种原材料对灌浆料性能的影响做了相关的研究。研究中指出：减水剂及缓凝剂的品种、掺量是影响水泥基灌浆料流动度和经时损失主要因素，砂的颗粒级配对灌浆料的强度极大，合理的颗粒级配能够得到更密实的灌浆料。

  北京市建筑工程研究院贺奎等以PO42.5水泥为基础，通过骨料级配和多种外加剂的调整，研制出一种流动性良好、高强无收缩的ANG-II型灌浆料。并且利用二步膨胀机理使材料具有良好的填充性能，通过三次增强作用，使材料的更加牢固耐久。ANG-Ⅱ型灌浆料自开发成功以来已应用于多项工程，如国家体育场、国家游泳馆（水立方）等，取得了良好的效果。

  虽然第一种途径应用广泛，但配制的灌浆料存在性能不稳定的缺点。原因有二：一是国内市场上膨胀剂稳定性不理想，二是使用的早强剂虽然获得一定的早期强度但后期强度和耐久性能受到很大的影响。因此，采用该方法配制灌浆砂浆质量不易控制，且难以实现批量生产。

  第二种途径主要是利用硫铝酸盐水泥配制灌浆料。济南大学杜纪锋等利用硫铝酸盐水泥、粉煤灰、砂、减水剂等配制高流动性硫铝酸盐水泥基灌浆材料(SAGM)并对其性能和水化产物微观结构做了相关的研究和分析：加入矿物掺合料和各种外加剂后，在水泥石中钙矾石与氢氧化铝凝胶、C-S-H凝胶相互搭接，使得结构较为致密，无大气孔缺陷，硬化浆体具有早强、高强和抗干缩性能。考虑到硫铝酸盐水泥成本较高，配制的灌浆料只能在一些重点工程中应用，不宜推广。

第三种途径相对来讲，是一种好的技术路线，是灌浆料的发展方向。主要是采用硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合或硅酸盐水泥和铝酸盐水泥复合配制灌浆砂浆。国内有一定的研究应用，但文献不多。

  同济大学建筑材料研究所谢琦等利用硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥复合研制出高性能无收缩水泥基灌浆料，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。

  西安建筑科技大学的桑国臣和刘加平通过采用硅酸盐水泥和铝酸盐水泥及适量其它材料复合制备出高质量水泥基无收缩复合灌浆材料。试验结果表明：1.硅酸盐水泥和铝酸盐水泥复合使用时，通过添加合适的外加剂及掺合料能够获得优异的流动性能；2.确定硅酸盐水泥和铝酸盐水泥的合适比例后，可通过石膏的用量控制灌浆料1d的竖向膨胀率；3.控制钙矾石的生成对提高该体系的力学性能和改善微膨胀性能起重要作用。结果表明采用硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合胶凝材料体系配制的灌浆料存在早期强度低、膨胀性不足等缺点，采用普通硅酸盐水泥与铝酸盐水泥复合，用石膏控制钙矾石的数量能更好地解决灌浆料早强和膨胀的问题。

水泥灌浆料由于没有粗集料而在修补工程中广泛应用，近年来广泛应用的工程修补干粉灌浆料多使用硅酸盐水泥。与硅酸盐水泥相比，硫铝酸盐水泥的组分以无水硫铝酸钙矿物为主，使水泥具有早强、高强、抗渗、耐腐蚀和低碱度等诸多优良特性，具有更加广阔的发展与应用前景，特别应用于冬季施工、水利、修补等特殊工程中。但普通水泥灌浆料的主要缺陷在于脆性过大而柔性不足，其抗压强度很高,而抗拉强度和粘结强度较低，硫铝酸盐水泥也存在这种缺点,同样限制了它的应用。利用高分子聚合物来代替水泥灌浆料中的一部分胶凝材料,制成聚合物改性普通水泥灌浆料，可以有效提高水泥灌浆料的抗拉强度和韧性。可再分散乳胶粉性能稳定，使用可再分散乳胶粉作为聚合物生产的单组分干拌灌浆料使得施工操作更容易,可以对灌浆料在使用中的安全性和耐久性提供更大的保证。