ABSTRACT

The influence of the proportion of expanding agent and silica fume and the changing of waterbinder ratio on expansion rate of the mortar were studied in this paper. The results indicated that the expansion rate of the mortar was enhanced with the increasing of the expansion agent, and reduced with the adding of the silica fume and the decreasing of the water-binder ratio.

Keywords:Cement Mortar, Expansion Rate, Silica Fume

水泥砂浆膨胀率试验研究

刘仁勇，蒋首超

同济大学土木工程学院，上海

Email: liury0908@163.com

收稿日期：2014年3月25日；修回日期：2014年4月28日；录用日期：2014年5月3日

摘  要

本文研究了膨胀剂掺量、硅灰掺量、水胶比降低对水泥砂浆膨胀率的影响。结果表明：膨胀剂掺量的增加会使浆体膨胀率大幅提升；掺加硅灰后，浆体膨胀率有大幅度降低；水灰比降低对膨胀率的影响较明显，会导致浆体膨胀率下降。

关键词

水泥砂浆，膨胀率，硅灰

1. 引言

普通的水泥基材料在水化反应时，体积会产生收缩。当水泥砂浆作一些特殊用途时，如钢筋的锚固、各种机械设备的安装和固定、混凝土裂缝的修补、结构的加固等[1] -[3] ，由于其体积的收缩，会使浆体与周围原有构件相脱离，大大降低了其承载能力。而如果水泥砂浆具有一定的膨胀，在进行锚固时，会由于水泥浆的膨胀产生一定的预应力，增大周围结构与水泥浆的握裹力，提高粘结强度。关于膨胀剂在水泥基材料中的作用，国内的孟志良、蔺喜强[4] [5] 等人做了许多有益研究，研究发现膨胀剂掺量为10%左右时，膨胀率和强度的协调性最好。郑国华[6] 提出在用作锚固等用途时，水泥砂浆28d膨胀率的建议范围为0.02%~0.1%。

提高水泥基材料的强度，可以在钢筋或预应力筋锚固时，缩短锚固段长度，提高经济性。其通常的手段是在水泥基材料中掺加硅灰或减小水灰比[7] [8] 。但对砂浆膨胀率的影响尚不明确。

本文主要研究了膨胀剂掺量、硅灰掺量、水胶比降低对水泥砂浆膨胀率的影响。结果表明：膨胀剂掺量的增加会使浆体膨胀率大幅提升；掺加硅灰后，浆体膨胀率有较大幅度降低；水灰比降低会导致浆体膨胀率下降。

2. 试验原材料及试验方法

2.1. 试验原材料及方法

水泥：海螺牌42.5级普通硅酸盐水泥，其比表面积为360 m²/kg，28天抗折强度为8.3 MPa，抗压强度为51.7 MPa。

石英砂：细度40~70目，直径0.3 mm以内，二氧化硅含量≥98%。

膨胀剂：采用硫铝酸钙类膨胀剂，其化学成分如表1所示。

硅灰：采用上海埃凯硅粉材料有限公司生产的硅灰，其技术指标如表2所示。

减水剂：采用非引气型萘系减水剂，其主要技术指标如表3所示。

试验方法参照《膨胀水泥膨胀率试验方法》(JC/T 313-2009)进行。

2.2. 配合比设计

本试验共设计水泥砂浆9组，硅灰掺量参考文献[9] 。具体配比见表4所示。

为使本试验水泥基材料满足实际工程中的灌注要求，本文参考《水泥基灌浆材料应用技术规范》GB/T 50448-2008提出的性能指标。由于本文所用减水剂对水泥砂浆性能影响较小[10] ，所以本试验采用通过改变减水剂掺量的方法，保持浆体流动性基本不变。

2.3. 养护条件

由于本文所研究的水泥砂浆主要用于灌浆，其所处环境通常为密闭，所以本文采用保鲜膜养护的方法。试件成型后，先将其放在标准养护室中养护，温度为20℃ ± 1℃，湿度60%，养护24小时后脱模。试块拆模后用保鲜膜包裹，之后置于恒温(温度20℃ ± 3℃)普通室内进行养护。

3. 膨胀剂掺量对水泥砂浆膨胀率的影响

本文膨胀剂掺量为10%和13%，等质量代替水泥。图1(a)、图1(b)分别给出了无硅灰和硅灰掺量10%时，膨胀剂掺量不同对浆体各龄期膨胀率的影响。

表5列出了不同膨胀剂掺量对砂浆试件膨胀率的影响。其中：提高系数列为13%膨胀剂掺量时浆体膨胀率与10%膨胀剂掺量时的比值；56d回缩量为各配比最大膨胀率值减去56d时的膨胀率；56d回缩率为56d回缩量与最大膨胀率的比值。

膨胀剂从10%提高到13%，试件膨胀率会有比较明显的提升。1#配比的最大膨胀率出现在2d时，2#配比出现在3d时，其他配比的最大膨胀率均出现在1d，之后膨胀率降低，出现回缩现象。说明膨胀剂水化反应主要出现在前三天，浆体后期的体积变形主要是水泥浆体的回缩。

从以上分析可以看出：膨胀剂掺量为13%时的浆体最大膨胀率均超过10%掺量的两倍。而且将膨胀剂掺量从10%提高到13%，浆体的56d回缩率有所下降。其中2#配比的56d回缩率仅为23.4%。

4. 硅灰掺量对水泥砂浆膨胀率的影响

本文硅灰掺量有5%、10%、15%三种，等质量代替水泥。图2(a)、图2(b)分别给出了膨胀剂掺量为

图1. 膨胀剂掺量对砂浆膨胀率的影响

图2. 硅灰掺量对砂浆膨胀率的影响

10%和13%时，硅灰掺量不同对浆体各龄期膨胀率的影响。

从图2可以看出，随着硅灰掺量的增加，浆体在各龄期的膨胀率均有大幅度降低。掺加硅灰后，浆体的最大膨胀率均出现在1d时，比不加硅灰的浆体时间提前。原因是：硅灰的掺入会使水泥前期水化反应加快，水泥石前期收缩增大。在1d之前，膨胀剂水化反应产生膨胀作用大于硅灰的收缩作用，所以浆体在1d仍是膨胀的；1d之后，硅灰的收缩开始占主导作用，所以，导致浆体在1d之后立即出现回缩。

表6列出了不同硅灰掺量对砂浆试件膨胀率的影响。影响系数列为掺加硅灰的浆体与不掺硅灰浆体最大膨胀率的比值；其他同表5。

从表6可以看出：掺加硅灰后，浆体膨胀率有大幅度降低；当硅灰掺量超过10%时，最大膨胀率仅为不掺时的一半甚至更低。保持10%膨胀剂掺量不变时，硅灰掺量增大会使浆体56d回缩量增大，同时由于掺加硅灰时最大膨胀率有大幅度降低，所以56d回缩率有较大的增加。

5. 水胶比与水泥砂浆膨胀率的关系

本文涉及配合比中，水胶比有0.3、0.36两种。图3(a)、图3(b)分别给出了膨胀剂掺量为10%和13%时，水灰比不同对浆体各龄期膨胀率的影响。

从图3可以看出，水灰比为0.3的浆体膨胀率较水灰比0.36的有大幅降低。原因可能是：水灰比的降低使膨胀剂水化不完全，没有充分发挥膨胀作用造成的；另外试验中发现，水灰比降低后，试件中会出现很多肉眼可见的气孔，如图4所示，这些气孔的存在会对膨胀率的发展起到降低作用。

表7列出了不同水胶比对砂浆试件膨胀率的影响。从表中可以看出：水灰比为0.3的浆体最大膨胀率仅为水灰比为0.36浆体的一半左右。水灰比对56d回缩量影响不大，但水灰比降低会使56d回缩率大幅增加。

图3. 水灰比对砂浆膨胀率的影响

6. 砂浆的强度试验结果

本文挑选了膨胀率较大的配比1#、2#、6#、7#，测试了其在3d、7d、28d时的抗压强度，结果如表8所示。

从表8可以看出：

(1) 1#配比和2#配比抗压强度相差不大，说明膨胀剂掺量的增加对抗压强度没有影响；

(2) 掺加硅灰的配比(6#)抗压强度比未掺加硅灰的(1#、2#)要略大；

(3) 降低水灰比(12#配比)后，浆体抗压强度仅有很小的提升，没有达到预计效果。降低水灰比的目的是减小孔隙率，但实际试验过程中，水灰比降低使浆体更加粘稠，导致更多的气泡混入其中，形成了很多大孔。因此，想要通过降低水灰比的方法提高砂浆强度，需要采取其他措施。

7. 结论

本文研究膨胀剂掺量、硅灰掺量、水胶比降低对水泥砂浆膨胀率的影响。由试验结果我们可以得出以下结论：

图4. 降低水灰比后试件中的气孔

(1) 膨胀剂掺量的增加会使浆体膨胀率大幅提升，并且可以在一定程度上降低回缩量和回缩率；

(2) 硅灰对砂浆膨胀率的影响主要集中在前期，对浆体的最大膨胀率影响明显。在浆体硬化后期，尤其在膨胀剂掺量较小时，硅灰对后期回缩量影响不大；但在膨胀剂掺量较大时，浆体后期回缩量有所增大；

(3) 水灰比对膨胀率的影响较明显，水灰比降低会使膨胀剂水化不充分，同时会使试件中产生很多气孔，导致浆体膨胀率下降，而且膨胀剂掺量越大，这种影响越明显；

(4) 硅灰的掺入可以较大幅度的提高砂浆的强度。

参考文献 (References)