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1、高强自流平无收缩灌浆料研制技术报告一、课题研究的背景和意义1.1 高铁支座砂浆近年来，随着高速铁路的不断发展，其对高速、安全、便捷的特殊性，对基础设施中的桥梁、轨道等提出了更高的要求。高铁的施工工艺也与传统铁路有着显著差异，因而出现了各种各样的铁路工程新材料，如自密实混凝土、CA砂浆、支座砂浆等新品种，以适应高铁技术的发展。高性能支座砂浆是以快硬水泥为主要胶凝材料，以优质石英砂为细骨料，再合理添加减水剂、缓凝剂、膨胀剂等外加剂而形成的一种新型砂浆材料。这种砂浆在现场施工时，只需要根据实际施工条件稍微来调整掺水量即可。这使得可以在保证高铁基础设施质量的前提下有效缩短施工时间，提高施工进度，因而其
2、在高铁建设中起着重要的作用。由于高铁支座灌浆材料的强度高，水灰比低，受影响的因素很多，因此在支座灌浆材料的配合比设计方面，普通砂浆的配合比设计方法和原则已不适用。其主要原因是：通常高强度与低水灰比之间不再成反比关系，因为在较大的水泥用量中不能水化的部分不容忽视，改变其他外加剂用量可以调节流动度，添加矿物掺和料的品种和数量也可以直接影响到砂浆的强度和其他性能。表1列出了高铁专用支座灌浆材料对主要性能指标的要求。表1高铁专用支座灌浆材料的性能指标性能指标要求值初始流动度，mm32030min流动度，mm2402 h抗压强度，MPa2024h抗折强度，MPa1028d抗压强度，MPa5056d抗压强
3、度，MPa28d90d抗压强度，MPa56d28d弹性模量，GPa3028d膨胀率，%0.020.1作为铁路工程新材料，高铁专用支座砂浆要求其具有早强、高强、高弹性模量等非常好的力学性能，而且要求其有良好的工作性，以便于工程施工。1.2支座灌浆材料的主要组成部分（1）胶凝材料高铁专用支座灌浆材料的特殊性决定了其胶凝材料的特殊性，如支座砂浆所必须具有的微膨胀和早强性能必然要体现在胶凝材料上。快硬水泥具有凝结硬化快、早期强度高、微膨胀性、低温性能好，并且具有较好的耐腐蚀性。快硬水泥包括硅酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、高铝水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等。（2）细骨料主要是由不同目数的优质石英砂级配而成
4、。（3）减水剂高效减水剂是现代建筑工程中必不可少的外加剂，可以显著减少胶凝材料的用水量，增大水泥浆体的强度。（4）缓凝剂在砂浆中掺加一定量的缓凝剂可以延缓水泥初期的水化，提高砂浆初期的和易性。缓凝剂组分不同，缓凝机理也通常不同。缓凝剂可降低水泥水化放热速率，延缓砂浆初凝和终凝时间。掺加适量的缓凝剂可以改善砂浆的流动性，满足支座灌浆材料的特殊施工要求。（5）膨胀剂配制微膨胀型的支座砂浆既可以利用膨胀性水泥也可以通过掺加膨胀剂来实现。砂浆在灌浆及硬化过程中，会出现一定程度的收缩，会使砂浆产生裂纹，降低砂浆的强度和抗渗。常用的膨胀剂有硫铝酸盐类、氧化钙类、氧化镁类、氧化铁类等。（6）支座灌浆材料配合
5、比设计的基本要求支座灌浆材料配合比设计就是科学合理地选择原材料，通过实验和计算确定满足工程要求的技术指标的各项原材料的用量。高性能支座灌浆材料的配合比设计有大致以下儿方面要求：（1）耐久性好；与普通的砂浆不同，支座砂浆专用于高铁桥梁锚固支座上，高铁设计寿命长，相应材料要求与一般砂浆有很大不同，首先就要保证具有良好的耐久性。因此支座灌浆材料设计配比时要考虑到抗渗性、抗冻性、抗化学侵蚀以及抗干燥收缩的体积稳定性等。（2）强度高。砂浆要具有高耐久性，必须具有较高的强度。高强度是支座砂浆的基本特征。（3）工作性能优异。高速铁路施工工期短，施工进度要相应加快并保证安全质量问题就必需使支座灌浆料具有良好的
6、工作性能，这就要求支座砂浆在拌和灌浆以及成型中易施工，不分离。流动度是表征支座灌浆料流动性的重要指标，流动度越大，砂浆流动性越高，工作性能相应也越好。（4）经济性。支座砂浆的经济性是高铁建设中必须考虑的一个问题。在高速铁路专用支座砂浆中，水泥和高性能减水剂价格最高，用量也大，因此在对支座砂浆满足要求的情况下，单位体积支座砂浆中水泥用量越少经济性越高。支座砂浆较普通砂浆一个明显的区别就是其所用的主要胶凝材料为快硬水泥，水化热较高，容易在高温下水化容易产生裂缝，因此水泥用量不仅是经济问题，也是安全问题。1.3现有支座砂浆存在的问题尽管国内的一些厂家己经研究出了支座灌浆材料，但是在施工使用过程中还存
7、在一些问题：（1）普通支座灌浆材料在早期强度和早期的工作性能上没有能找到一个很好的平衡点，或者是有良好的早期强度，但是早期的工作性能就会比较差，不能保证施工的顺利进行。（2）支座灌浆材料凝结时间过早造成废料在搅拌机上的堆积，给清理工作造成了很大的影响。另外，凝结时间过早还会造成在重力灌浆的时候堵管，一旦堵管，施工就不能继续进行。（3）普通支座灌浆材料后期性能不稳定，如无膨胀性或有一定的收缩造成灌浆料不能有效填充锚固支座，或者后期强度倒缩，这些都将影响高速铁路的安全性。（4）支座灌浆材料系统价格偏高二实验研究方法2.1原材料水泥实验采用山东本地三种不同厂家的42.5R级快硬水泥，分别编号为1#、
8、2#和3#，其主要化学组成见表2，其物理性能见表3。表2 实验用三种快硬水泥的化学组成水泥SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO31#9.1734.132.7841.731.969.412#9.5835.192.7341.521.759.333#9.3436.352.5740.861.639.25表3 三种快硬水泥的物理性能水泥安定性凝结时间，min抗折强度，MPa抗压强度，MPa比表面积，m2/kg初凝终凝1d7d1d7d1#合格30324.55.838.349.64502#合格23384.65.736.747.54403#合格23404.65.835.348.3410矿物掺和料 实验
9、所用矿物掺和物的化学组成见表4。表4 硅灰的化学组成（%）SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3K2ONa2OLOI比表面积， m2/g88.340.010.292.532.860.901.980.571.9920细集料实验所用细集料为14100目优质石英砂，使砂浆的细集料具有良好的级配。化学外加剂所选用的外加剂有减水剂，缓凝剂，膨胀剂等。纤维实验所用纤维为聚丙烯纤维，其物理性能见表5。表5 聚丙烯纤维素的物理性能密度熔点燃点拉伸极限抗拉强度弹性模量含湿量0.921 kg/m316559320%270MPa3.5GPa3%2.2试验方法2.2.1凝结时间的测定凝结时间的测定方法按GB/
10、T1346-2001进行。2.2.2流动性的测试流动性测试方法按水泥胶砂流动度测试方法GB/T2419进行。其中截锥圆模的尺寸为：高度600.5 mm；上口内径700.5 mm；下口内径1000.5 mm；下口外径 120 mm。2.2.3体积稳定性测试支座灌浆材料的膨胀率测试方法应用架百分表法，按国家标准混凝土外加剂应用技术规范GB501192003中的有关规定进行测试。2.2.4力学性能测试支座灌浆材料的抗压强度和抗折强度测试按照国家标准 GB/TI7671-1999水泥胶砂强度检验方法法进行测试。试件采用尺寸为40mm40mm160mm的棱柱体试样。将2.2.2搅拌的灌浆材料倒入试模中成
11、型，浆体与试模上边缘齐平，禁止震动。标准养护后分别测量试件2 h、ld、28d、56d、90d的抗压强度值和24h的抗折强度值。支座灌浆材料的弹性模量按照 GB/T50081-2002静力受压弹性模量试验方法进行测量。2.2.5微观测试采用X-ray衍射仪进行水化样品的物相分析；利用扫描电镜进行试样的显微观察。三. 支座灌浆材料初步配合比的设计支座灌浆材料一般由胶凝材料、细集料以及多种不同类型外加剂复合而成。外加剂的种类及用量常常是决定砂浆质量的重要因素。3.1胶凝材料的选择胶凝材料是支座灌浆材料中最关键的组分，也是影响砂浆强度的主要因素。对于采用优质骨料配制的砂浆，其破坏常常发生在水泥石与骨
12、料的界面处，砂浆的强度主要取决于水泥石与骨料之间的粘结力。配制支座砂浆的水泥必须满足以下条件：标准稠度用水量要低，使砂浆在水灰比较低的情况下也能获得较大的流动性；水泥的水化热要比较低，避免因砂浆内外温度差过大造成砂浆出现裂纹；水泥硬化后浆体强度要高，保证用较少的水配制高性能支座灌浆料。3.1.1不同胶凝材料的工作与力学性能对比为确定支座灌浆材料选用水泥类型，先设定其他原材料用量固定，胶凝材料与细集料比例暂定为1：1；细集料中A粒度石英砂与B粒度石英砂比例为1： 1；减水剂采用自制聚羧酸高效减水剂，用量占胶凝材料的2%；水料比为0.15，三种快硬水泥的对比实验见表6：表6 三种快硬水泥的性能对比
13、水泥凝结时间（min）抗压强度（MPa）1d抗折强度（MPa）初凝终凝2h24h1#234024.945.312.32#183825.741.810.13#254223.745.611.2由上表可知，1#水泥初凝和终凝时间适中，抗压强度和抗折强度比2#高，和3#水泥相差不大，可以看出l#水泥综合性能较好，故决定采用1#水泥进行后续实验。3.1.2不同胶凝材料的自由膨胀率的对比表7 三种水泥的自由膨胀率比较水泥自由膨胀率（10-3）2h1d28d1#0.410.380.322#0.370.350.253#0.250.200.15快硬水泥的体积稳定性是一项重要的性能能标，由于水泥熟料颗粒的水化、温
14、度、湿度以及大气环境等都对水泥硬化浆体的体积产生一定影响，故水泥石很容易发生体积变形。在高铁专用支座灌浆材料中是不允许砂浆具有体积收缩的，而水泥本身的膨胀性对砂浆的体积稳定性起着决定性作用，故有必要选择膨胀性能较好的水泥来作为支座灌浆材料的胶凝材料。一般来讲，水泥浆体的体积变形包括干燥收缩、化学收缩、碳化收缩、冷缩等。干燥收缩是由于胶凝材料在不饱和空气中由于水分通过毛细管的散发而引起浆体的体积收缩，简称干缩变形；化学收缩是在水泥水化过程中熟料颗粒与水反应生成的水化物凝胶固相体积逐渐增大，而硬化浆体的总体积却相应减小的收缩类型，此类收缩中，水泥水化程度越高，化学收缩比例越大；碳化收缩是指水泥水化产物与空气中二氧化碳遇水形成的碳酸反应生成碳酸钙和自由水而使浆体体积变化引起收缩；温度收缩是由于环境温度降低而使浆体产生的收缩。在所有收缩类型中，干燥收缩对水泥砂浆的体积变形影响较大，浆体中的游离水通过毛细孔和表面张力散发到空气中，毛细管内部液体对毛细管产生拉力，而毛细管的压力变形使浆体产生体积收缩。但是由于快硬水泥水化形成大量钙矾石，使得水泥的收缩较普通硅酸盐水泥要小得多，甚至微膨胀。由上表可知三种快硬水泥的自由膨胀率随着龄期的延长而逐渐减小，三种水泥各龄期的自由膨胀率均有所不同，1#水泥自由膨胀率较高，2#次之，3#最小。因所研究的高性能支座灌浆
