賴洋羿，張琦彬，唐軍務(wù)

（海軍勤務(wù)學(xué)院，天津 300450）

0 引言

海港碼頭的樁基位于惡劣的海洋環(huán)境中，受到氯離子腐蝕和混凝土碳化的聯(lián)合作用。樁基所處的區(qū)域有浪濺區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)、水下區(qū)以及泥下區(qū)，其中處于水下區(qū)或者水下變動(dòng)區(qū)的樁基部分的損傷修復(fù)較為困難，一般通過(guò)采用水下修復(fù)材料提高材料的抗分散性能。從目前來(lái)看，水下修復(fù)材料通常包括水下不分散混凝土、聚合物混凝土、水下快速修補(bǔ)混凝土、水下環(huán)氧砂漿、水下化學(xué)灌漿材料、水下密封材料等。其中水下環(huán)氧砂漿已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水下結(jié)構(gòu)修復(fù)加固，其工作性能較好，但是其耐久性相對(duì)于無(wú)機(jī)修復(fù)材料較差。水泥屬于無(wú)機(jī)材料，采用比原材料強(qiáng)度高一等級(jí)的修復(fù)材料更適合于混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期加固。水泥基灌漿料具有流動(dòng)性好、微膨脹、超早強(qiáng)、后期強(qiáng)度不倒縮等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合水泥基灌漿料快凝塊硬的特點(diǎn)，采用國(guó)內(nèi)目前優(yōu)質(zhì)的外加劑改性水泥基灌漿料并使其能應(yīng)用于水下樁基修復(fù)加固，能夠大幅縮短工期，以期達(dá)到應(yīng)急搶修搶建的目的。

目前對(duì)水泥基水下灌漿料應(yīng)用較為廣泛[1]，但對(duì)其配制方法以及影響因素的研究較少，本文通過(guò)在早強(qiáng)微膨脹水泥基灌漿料[2]的基礎(chǔ)上摻入高性能的抗分散劑、減水劑、緩凝劑，配制出能直接用于水下?lián)屝迵尳ǖ木哂兴驴狗稚3]、工作性能、力學(xué)性能、體積穩(wěn)定性優(yōu)異的超早強(qiáng)水泥基水下灌漿料，通過(guò)正交試驗(yàn)分析各因素對(duì)其性能的影響規(guī)律，為水泥基水下灌漿材料的應(yīng)用提供相應(yīng)的依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

早強(qiáng)微膨脹水泥基灌漿料：天津康科綠特科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)，主料為硫鋁酸鹽水泥，輔料為火山灰、硅砂等，具備流動(dòng)性好、早強(qiáng)、高強(qiáng)、高彈模、耐久性能好等優(yōu)點(diǎn)，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 早強(qiáng)微膨脹水泥基灌漿料的技術(shù)性能

抗分散劑：中石油研究院研發(fā)的UWB-Ⅲ型抗分散劑；減水劑：BSH-200型聚羧酸高性能減水劑，減水率大于30%；緩凝劑：左旋酒石酸，相對(duì)分子質(zhì)量為150.09；拌合水：自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

灌漿料攪拌方法：首先按照試驗(yàn)配比將灌漿料、抗分散劑、減水劑和緩凝劑混合，采用JJ-5型行星式攪拌機(jī)慢攪30 s，然后均勻加入拌合水，慢攪30 s、快攪180 s，出料，出料后應(yīng)保證漿體呈流動(dòng)狀態(tài)。

澆筑及養(yǎng)護(hù)方法：將拌制好的灌漿料沿水面自由下落并且全部落入浸入水面10 cm的模具（40 mm×40 mm×160 mm）中，漿料自流平后用刮刀刮平，3 h后脫模，放入恒溫水箱在（20±1）℃養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期并進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試（見(jiàn)圖1）。

圖1 灌漿料水下澆筑示意

流動(dòng)度以及強(qiáng)度測(cè)試：采用截錐流動(dòng)度方法，參考GB/T 50048—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行初始流動(dòng)度及30min流動(dòng)度測(cè)試，試驗(yàn)器材為50 cm×50 cm的玻璃板，使灌漿料在板上自由攤開(kāi)，當(dāng)面積不再增大時(shí)測(cè)試流動(dòng)度，測(cè)試流動(dòng)度保持值時(shí)需要重新攪拌。使用全自動(dòng)抗壓、抗折一體機(jī)進(jìn)行相應(yīng)齡期強(qiáng)度測(cè)試。

豎向膨脹率：按GB 50119—2013《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)劃》附錄C中的測(cè)試方法及試驗(yàn)儀器進(jìn)行灌漿用膨脹砂漿豎向膨脹率的測(cè)試。

懸濁物測(cè)試：前期試配試驗(yàn)中采用觀察液面清濁程度的定性評(píng)測(cè)方法，正交試驗(yàn)中根據(jù)DL/T 5100—2014《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》附錄B中的抗分散性測(cè)定方法進(jìn)行定量評(píng)測(cè)。

劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試：按照GB 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

1.3 正交試驗(yàn)方案

1.3.1 確定考察指標(biāo)

灌漿料的工作性能、力學(xué)性能分別采用流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度表征，試驗(yàn)指標(biāo)采用初始流動(dòng)度、28 d水下抗壓強(qiáng)度表征。

為了研究灌漿料的施工性能，還要考慮其流動(dòng)度隨時(shí)間的損失率，因此考慮30 min流動(dòng)度作為考察指標(biāo)，同樣作為考察指標(biāo)的有有7 d水下抗壓強(qiáng)度，因硫鋁酸鹽灌漿料7 d基本水化完全，通過(guò)與28 d水下抗壓強(qiáng)度的對(duì)照，可判斷其后期強(qiáng)度是否倒縮。

1.3.2 確定正交因素

該試驗(yàn)中用水量、抗分散劑摻量、減水劑摻量3個(gè)因素與試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系密切，作為正交設(shè)計(jì)研究對(duì)象，3個(gè)因素的摻量均為與灌漿料的質(zhì)量比，緩凝劑與試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)聯(lián)較小，不作為考察因素。通過(guò)極差與方差分析處理，研究3個(gè)因素在各自3個(gè)水平之間的變化對(duì)水下灌漿材料工作性能、抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。采用L9（33）正交試驗(yàn)。

1.3.3 確定正交水平

在進(jìn)行正交試驗(yàn)之前，為更好了解各外加組分對(duì)灌漿料體系性能的影響規(guī)律，進(jìn)行一部分單因素試配試驗(yàn)。用水量水平的選擇參照原材料早強(qiáng)微膨脹水泥基灌漿料的推薦用水量14%～16%，在該區(qū)間內(nèi)水平定為14%、15%、16%。抗分散劑摻量水平的選擇參考前期試配試驗(yàn)，取用水量為15%的條件下逐漸增加抗分散劑摻量，控制初始流動(dòng)度大于200 mm并取少量落入清水中觀察水面現(xiàn)象，通過(guò)直接觀察粗略判斷漿料水下抗分散性能的好壞，試驗(yàn)現(xiàn)象為：當(dāng)摻量為0.75%時(shí)水面由渾濁變?yōu)榍宄?，摻量增?.50%時(shí)灌漿料幾乎不流動(dòng)，因此水平選擇為1.00%、1.25%、1.50%；根據(jù)減水劑的試配試驗(yàn)，摻入少量就能達(dá)到很好的分散效果，說(shuō)明該聚羧酸減水劑與灌漿料體系相容性較好，且摻量大于0.8%時(shí)達(dá)到飽和點(diǎn)，故減水劑水平定為0.2%、0.4%、0.6%。

經(jīng)過(guò)前期的試配試驗(yàn)，用水量、抗分散劑、減水劑對(duì)灌漿料的凝結(jié)時(shí)間均無(wú)影響，左旋酒石酸對(duì)灌漿料的凝結(jié)時(shí)間緩凝效果明顯，且對(duì)其流動(dòng)度以及抗壓強(qiáng)度的影響很小，故酒石酸的摻入選用一個(gè)固定值，結(jié)合工程中對(duì)施工時(shí)間的要求把該值固定為0.15%，同時(shí)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證初凝時(shí)間約為90 min，終凝時(shí)間約為98 min。

綜上所述，確定的正交試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交試驗(yàn)分析

正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，極差分析見(jiàn)表4，方差分析見(jiàn)表5。

表3 正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

表5 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

由表4可見(jiàn)，各因素對(duì)水下灌漿料初始流動(dòng)度的影響順序?yàn)椋篈>B>C，對(duì)水下灌漿料30 min流動(dòng)度的影響順序?yàn)椋篈>B>C，對(duì)7d水下抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋篈>C>B，對(duì)28 d水下抗壓強(qiáng)度的影響順序?yàn)椋篈>B>C。

由表5可見(jiàn)，用水量是灌漿料流動(dòng)度以及抗壓強(qiáng)度的最主要影響因素，抗分散劑與減水劑對(duì)灌漿料性能有影響，但影響程度稍小。若對(duì)其影響程度進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)由于該試驗(yàn)次數(shù)較少，因素以及誤差的自由度較小都為2，統(tǒng)計(jì)分析后得到的結(jié)果均為不顯著，但從試驗(yàn)結(jié)果看其影響不能被忽視。

對(duì)于初始流動(dòng)度，隨著用水量的增加，水下灌漿料的初始流動(dòng)度幾乎呈線性增大；隨著抗分散劑摻量的增加，初始流動(dòng)度逐漸減小，并且減小的幅度為先慢后快；隨著減水劑摻量的增加，初始流動(dòng)度先增大后略有減小。

對(duì)于30 min流動(dòng)度，隨著用水量和減水劑摻量的增加，水下灌漿料的30 min流動(dòng)度逐漸增大；隨著抗分散劑摻量的增加，30 min流動(dòng)度逐漸減小。

對(duì)于水下7 d抗壓強(qiáng)度，隨著用水量的增加，水下灌漿料的7 d抗壓強(qiáng)度呈線性下降趨勢(shì)；隨著抗分散劑摻量的增加，水下7 d抗壓強(qiáng)度先略有提高后降低；隨著減水劑摻量的增加，水下7 d抗壓強(qiáng)度不斷降低。

對(duì)于水下28 d抗壓強(qiáng)度，隨著用水量、抗分散劑和減水劑摻量的增加，水下28 d抗壓強(qiáng)度均呈降低趨勢(shì)。

用水量是影響水下灌漿料的流動(dòng)性能最為明顯的因素，灌漿料中拌合水多，可以改善灌漿料的流動(dòng)性能，但砂漿中游離水較多也會(huì)造成水化產(chǎn)物的損失從而降低抗壓強(qiáng)度，故用水量應(yīng)控制在一個(gè)合理范圍。UWB-Ⅲ型抗分散劑的有效成分為聚糖類高分子化合物，主要通過(guò)其較長(zhǎng)分子鏈的活性官能團(tuán)將細(xì)小顆粒吸附到分子鏈上形成橋架作用將顆粒鏈接成穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[3]，因此其具有優(yōu)良的絮凝效果，但同時(shí)橋架作用限制了顆粒的自由流動(dòng)，會(huì)降低灌漿料的流動(dòng)性能?？狗稚┰诒ＷC抗分散性時(shí)盡量減少摻量，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)[4-5]對(duì)比驗(yàn)證，相比于萘系高效減水劑、氨基磺酸系高效減水劑，前者用于配制水下不分散混凝土的工作性能、強(qiáng)度性能均更優(yōu)。聚羧酸減水劑主要通過(guò)空間位阻作用對(duì)水泥顆粒進(jìn)行分散，但靜電斥力的作用不可忽略，其改變了原有的固液相界面的物化性質(zhì)以及顆粒間作用力，形成了新的絮凝體系，并且使水泥粒子處于均勻分布的狀態(tài)，改善了新拌砂漿的流變特性。通過(guò)摻加少量聚羧酸減水劑就可以明顯改善水下灌漿料的流變性能，并且30 min流動(dòng)度損失率較低，也能說(shuō)明該聚羧酸高性能減水劑與灌漿料體系相容性較好。

用水量對(duì)灌漿料的水下抗壓強(qiáng)度影響最大。當(dāng)抗分散劑摻量為1.00%時(shí)，28 d水下抗壓強(qiáng)度大于7 d；當(dāng)抗分散劑摻量大于1.00%時(shí)，28 d水下抗壓強(qiáng)度小于7 d的，發(fā)現(xiàn)該抗分散劑摻量過(guò)大時(shí)對(duì)后期強(qiáng)度有一定的不利影響，其原因?yàn)榭狗稚┑膿饺霑?huì)減少自由水，硫鋁酸鹽水泥遇水后水化產(chǎn)物為強(qiáng)度較高的鈣礬石，7 d后鈣礬石會(huì)因缺水而轉(zhuǎn)晶為單硫[6]，該脫水轉(zhuǎn)晶的過(guò)程會(huì)導(dǎo)致灌漿料的后期強(qiáng)度不再增加甚至倒縮。聚羧酸減水劑對(duì)抗壓強(qiáng)度而言，最佳摻量為0.2%，過(guò)量摻入會(huì)造成灌漿料抗壓強(qiáng)度下降。

2.2 水下加固性能評(píng)價(jià)

綜合考慮流動(dòng)度及抗壓強(qiáng)度，以初始流動(dòng)度以及水下28 d抗壓強(qiáng)度為主要控制指標(biāo)，以30 min流動(dòng)度以及水下7 d抗壓強(qiáng)度為觀察指標(biāo)，最終選擇用水量為15%，抗分散劑摻量為1.00%，減水劑摻量為0.4%，對(duì)該配合比的水下灌漿料進(jìn)行水下加固性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為：水陸抗壓強(qiáng)度比、新老界面劈裂抗拉強(qiáng)度和水下抗分散性。

水下灌漿料的水陸抗壓強(qiáng)度比見(jiàn)表6。

表6 水下灌漿料的水陸抗壓強(qiáng)度比 %

由表6可知，該水下灌漿料的7 d、28 d水陸抗壓強(qiáng)度比均大于85%，甚至部分大于100%。其原因是，硫鋁酸鹽水泥相比于硅酸鹽水化需要更多的水，在混凝土水灰比小于0.5的條件下，硫鋁酸鹽水泥不能完全水化[6]。該試驗(yàn)灌漿料中硫鋁酸鹽水泥占比為40%，水灰比為0.375，因此在水上沒(méi)有完全水化，而在水下則可全部水化，生成強(qiáng)度較高的鈣礬石。

按照J(rèn)GJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的要求制備C40混凝土，尺寸為150 mm×150 mm×150 mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度為40.5 MPa。將C40作為舊混凝土，進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)后用細(xì)刷將斷裂面松動(dòng)的碎混凝土清除，在斷裂面處進(jìn)行水下灌漿料修復(fù)至原尺寸，水下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行新老界面劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。C40混凝土及新老界面的劈裂抗拉強(qiáng)度見(jiàn)表7。

表7 灌漿料的劈裂抗拉強(qiáng)度 MPa

由表7可見(jiàn)，新老混凝土界面劈裂抗拉強(qiáng)度高于C40舊混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度，破壞面位于舊混凝土或者新老混凝土結(jié)合界面，說(shuō)明該灌漿料具有水下加固C40舊混凝土的能力。

灌漿料懸浮物含量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表8。

表8 灌漿料的懸浮物含量測(cè)試結(jié)果

由表8可見(jiàn)，灌漿料的懸浮物含量符合DL/T 5117—2000《水下不分散混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的要求（＜150 mg）。但測(cè)試結(jié)果在75～120 mg之間浮動(dòng)，這是在試驗(yàn)過(guò)程中會(huì)有隨機(jī)性的差別而導(dǎo)致的誤差，比如漿液下落時(shí)的速率不一致、試驗(yàn)過(guò)程中的少量擾動(dòng)都會(huì)造成懸濁物含量的變化。

灌漿料的最優(yōu)配合比為：用水量為15%，抗分散劑摻量為1.00%，減水劑摻量為0.4%，緩凝劑摻量為0.15%（與灌漿料的質(zhì)量比），按最優(yōu)配比制備的灌漿料初、終凝時(shí)間分別為90、98 min，初始流動(dòng)度為254 mm，水下28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到65.2 MPa，水下養(yǎng)護(hù)28 d后新老混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度為2.79 MPa（見(jiàn)表 9）。

表9 最優(yōu)配合比灌漿料的性能

3 結(jié)論

（1）正交試驗(yàn)的極差與方差分析結(jié)果表明，用水量是灌漿料流動(dòng)度以及抗壓強(qiáng)度的最主要影響因素，抗分散劑與減水劑對(duì)灌漿料性能有影響，但影響程度稍小。

（2）增加用水量可以提高灌漿料的流動(dòng)度，但是抗壓強(qiáng)度會(huì)大幅下降，為了兼顧修復(fù)材料的抗壓強(qiáng)度，用水量選擇15%為最佳；UWB-Ⅲ型抗分散劑摻入會(huì)降低灌漿料的流動(dòng)性能，但能使灌漿料在水下不離析、不分散，摻入量大于1.00%后對(duì)后期強(qiáng)度有一定的影響；聚羧酸型減水劑可以改善灌漿料的流動(dòng)性能，但其摻量大于0.4%后對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度存在較不利影響。

（3）通過(guò)在早強(qiáng)微膨脹水泥基灌漿料中摻入U(xiǎn)WB-Ⅲ型抗分散劑、聚羧酸高性能減水劑以及酒石酸緩凝劑，可以配制出初、終凝時(shí)間分別為90、98 min，初始流動(dòng)度、30 min流動(dòng)度大于250 mm的灌漿料，滿足水下灌漿的工作性能要求。

（4）經(jīng)水下加固評(píng)價(jià)，該灌漿料水下28 d抗壓強(qiáng)度大于60 MPa，水陸抗壓強(qiáng)度比大于85%，懸濁物含量小于120 mg，與C40舊混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度為2.79 MPa，高于C40混凝土的原劈裂抗拉強(qiáng)度，可作為水下C40混凝土修復(fù)加固材料。

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[2] 俞鋒，朱華.早強(qiáng)微膨脹水泥基灌漿料的性能研究[J].混凝土與水泥制品，2012（11）：6-9.

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