水泥基材料膨胀率与力学性能的试验研究*

2014-10-16蒋首超刘仁勇

中国海洋大学学报（自然科学版） 2014年9期

蒋首超，刘仁勇，王震

（同济大学土木工程防灾国家重点试验室，上海200092）

近20年来，世界各国相继开展了海洋平台受损构件维修与加固的研究工作并取得了显著进展。国内的龚顺风、石湘、蒋首超等［1－3］对海洋平台的灌浆卡箍和灌浆套管技术进行了研究。其中浆体对整个系统的结构性能起着关键性的作用。

众所周知，普通的水泥基材料在水化反应时，由于自收缩和干缩等原因，体积会产生一定收缩。由于其体积的收缩，会使浆体与卡箍本身相脱离，大大降低了其承载能力。而如果向水泥基材料中掺加一定量的膨胀剂，使其产生一定的预应力，就可以增大周围结构与水泥浆的握裹力，提高黏结强度。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8%～10%时，膨胀率和强度的协调性最好。

水泥基材料具有脆性大、易开裂等特点，水泥基材料破坏的主要原因是其抗折强度低［6］，导致卡箍加固时，往往加固段较长，经济性不够。在普通水泥基材料中加入纤维，能够起到提高其韧性和抗折强度等作用［7］。本文在浆体配制的过程中，通过向水泥基材料中掺加碳纤维、钢纤维，在不改变其工作性能的前提下，尝试提高其强度。

本文所研究的水泥基材料有流动性大，有一定的膨胀，强度高等特点。试验主要研究了养护条件、纤维及石英砂的加入对水泥基材料膨胀率的影响，另外对于纤维对水泥基材料的力学性能的影响做了一定研究。

1 试验原材料及试验方法

1.1 试验原材料

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

石英砂：细度40～70目，直径0.3mm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。

碳纤维：长度为3mm，技术指标如表2所示。

表1 试验用膨胀剂化学成分Table 1 Chemical component of expanding agent ／%

表2 试验用碳纤维技术指标Table 2 Technical index of carbon fiber

钢纤维：钢丝剪断型微细钢纤维，具体技术参数如表3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4所示。

表3 试验用钢纤维技术指标Table 3 Technical index of steel fiber

1.2 试验方法

膨胀率试验：参照《膨胀水泥膨胀率试验方法》（JC／T 313—2009）。强度试验：参照《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》（GB／T 17671—1999）。

表4 试验用减水剂技术指标Table 4 Technical index of water reducing agent

1.3 配合比设计

为了对比纤维和石英砂加入对浆体膨胀率及力学性能的影响，本试验共设计水泥基材料四组：水泥净浆（O）、加碳纤维水泥浆（C）、加钢纤维水泥浆（S）和水泥砂浆（SD）各一组，纤维和石英砂掺量参考文献［8－10］。具体配比见表5所示。

表5 试验配合比Table 5 Mix proportion of cement grout

1.4 纤维的分散

为使碳纤维能够均匀分散，本试验采用强制搅拌的方法，搅拌时间为2min。

钢纤维在膨胀水泥浆中易存在沉淀现象见（见图1a）。为使钢纤维分散均匀，本文通过若干尝试发现先将除钢纤维外的干料加水搅拌后再掺入钢纤维可减轻钢纤维的沉淀，改进后钢纤维在膨胀水泥浆中分布均匀见（图1b）。

图1 a 钢纤维沉淀Fig.1a Precipitation of steel fiber

图1 b 钢纤维分布均匀Fig.1b Distribution uniformity of steel fiber

1.5 水泥基材料的流动性

为了满足水泥基材料的工程应用需要，即其要灌注到卡箍、套管等空间较小的空隙中，而且在大面积应用时可能会有泵送需求，因此对灌浆料流动性有一定要求。

水泥基材料的流动性与水胶比、砂胶比、纤维掺量和减水剂的量有关。相同条件下，水胶比越大、砂胶比越小、减水剂掺量越多，水泥基材料的流动性越大。但水胶比过大，会降低材料强度；减水剂掺量过多，易造成浆体离析。由于本文所采用的纤维均为短切纤维，试验过程中发现纤维的加入对浆体的流动性没有明显影响。

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。保持水胶比0.36不变的情况下，在水泥净浆和加纤维浆体中添加0.2%的高效减水剂，在水泥砂浆中将减水剂掺量增加到0.25%，浆体流动性均能满足指标要求。

另外，本文还对浆体进行了灌注试验，试验表明本文所配制的浆体满足灌注需要。

1.6 养护条件

由于卡箍系统所处环境较为复杂，湿度差异较大，为研究不同环境下浆体的性能差异，本试验养护条件共有4种：

恒温水养护即将试块没入温度为（20±3）℃的水中养护，代号W。

恒温湿气养护即前3d将试块没入温度为（20±3）℃的水中养护，之后放入恒温湿气养护室内（温度（20±3）℃，相对湿度≥90%）养护，代号C。

混合养护即前28d没入温度为（20±3）℃的水中养护，之后放置于恒温室内（温度（20±3）℃）进行养护，湿度不进行控制，代号M。

保鲜膜养护即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，湿度不进行控制，代号P。

其中，对水泥净浆，加碳纤维水泥浆和加钢纤维水泥浆都进行前3种养护，第四种养护仅针对水泥净浆和水泥砂浆2种配比。

2 膨胀率试验结果与分析

2.1 养护条件对水泥基材料膨胀率的影响

水泥基材料的最终膨胀值是膨胀剂膨胀和水泥浆体收缩共同作用的结果。黄国兴［11］指出：水泥基材料的收缩变形主要有塑性收缩、干燥收缩、自生收缩、温度收缩和碳化收缩5种。而不同的养护条件主要是对水泥基材料的干燥收缩有影响。环境中的相对湿度越大，材料的干燥收缩值就越小，甚至在相对湿度达到100%时会产生湿胀现象。为了分析养护条件对水泥基材料膨胀率的影响，图2a～c比较了几种养护条件下试件的膨胀率。

根据图2a～c可以看出：

（1）所有试件的膨胀主要发生在前3天，3d后膨胀率增长缓慢。这是由于前期膨胀剂的水化反应较快，膨胀率发展较迅速造成的。（2）在各种配比中，恒温水养护（W）的试件膨胀率总是最大。

试件处于水中养护时，相对湿度达到100%，水泥石本身不会产生收缩，甚至还有湿胀作用；同时，研究表明［10］：充足的水份供给能使膨胀剂膨胀性能充分发挥。因此这两种因素的共同作用，使水泥基材料在这种养护条件下的膨胀率最大。

（3）恒温湿气养护时（C），在第7天时，膨胀率有所下降，其余时间段其膨胀率的发展趋势与恒温水养护时基本相同。

由于前3天养护环境与恒温水养护相同，因此前3天二者的膨胀率基本相同（差别在10%以内）。但在第7天时，由于之前试块已经从水中转移到湿气环境中，虽然湿度仍然很大，但湿胀作用已经减小，而且此时膨胀剂的水化反应放缓，湿胀的逆作用大于膨胀剂的膨胀作用，因此试件的第7天膨胀率比第3天的膨胀率有所降低。之后由于温度与恒温水养护相同，而且相对湿度仍然很大。所以，7d后试件的膨胀率发展趋势与恒温水中的试件类似。（4）混合养护时（M），由于在前28天养护环境与恒温水养护相同，因此前28天二者的膨胀率基本相同（差别在15%以内）。但在28d后，从水中取出，环境湿度变为空气湿度，其膨胀率开始急剧下降，甚至加纤维的试件第90天时变成了收缩。

图2 a 水泥净浆膨胀率变化Fig.2a Expansion rate of cement paste

图2 b 加碳纤维水泥浆膨胀率变化Fig.2b Expansion rate of cement grout with carbon fiber

图2 c 加钢纤维水泥浆膨胀率变化Fig.2c Expansion rate of cement grout with steel fiber

水泥基材料的水和周围空气处于一种平衡状态［11］，当环境湿度降低时，水泥基材料中的水份减少，吸附水和层间水丢失，使表面张力和胶粒间的引力增加，引起水泥基材料急剧收缩；而此时膨胀剂的膨胀作用已经进入后期，起不到补偿收缩的作用，所以水泥石表现为膨胀率的逐渐降低。Yoshida［12］等人指出，随着在水中养护时间的延长，水泥石中的孔隙数量会增多。同时，刘建忠等指出随着水养时间的延长，水泥的水化产物增多，水泥基材料内部孔隙的孔径逐渐降低。因此可以得出水中养护时间延长，会使水泥基材料的细孔隙大大增多，从而使收缩变形急剧增大，甚至导致收缩量抵消了膨胀剂的膨胀作用，使水泥石整体表现为收缩。

（5）从图2a中可看出，保鲜膜养护的试件的膨胀主要发生在前2天，而且试件的膨胀率远远低于其他养护条件下的试件，3d后试件膨胀率缓慢降低。

保鲜膜的包裹可以有效的延缓试块水份的蒸发［14］，但这种养护条件下提供的水分远远不及其他几种养护条件。由于膨胀剂在水化过程中需水量大［15］，水分不足会导致膨胀剂的水化反应速度缓慢，且水化不够充分，因此保鲜膜养护的试件膨胀率较低。由于保险膜仅仅是延缓试块的水分蒸发，水泥试块实际还是处于一种缓慢失水的状态，因此试件膨胀率在缓慢地降低。

2.2 骨料及纤维对水泥基材料膨胀率的影响

纤维和骨料是影响水泥基材料体积稳定性的主要因素之一。图3a～c对比了水泥净浆、加碳纤维水泥浆和加钢纤维水泥浆分别在恒温水中养护、在恒温空气养护和混合养护的条件下，膨胀率随龄期的变化。图3d对比了水泥净浆和水泥砂浆在保鲜膜养护下的膨胀率变化。

由图3a～c可以看出，在各种养护条件下，水泥净浆的膨胀率均为最大，但各种配比的膨胀率变化趋势基本相同。在恒温水养护条件下，28d龄期时加钢纤维水泥浆的膨胀率比水泥净浆低17.4%，加碳纤维水泥浆膨胀率比水泥净浆低29.6%。在恒温湿气养护条件下，2种加纤维水泥浆的膨胀率相差不大，28d龄期时加钢纤维水泥浆膨胀率比水泥净浆低27.2%，加碳纤维水泥浆膨胀率比水泥净浆低24.1%。在混合养护条件下，28d龄期时加钢纤维水泥浆膨胀率比水泥净浆低10.2%，加碳纤维水泥浆膨胀率比水泥净浆低18.9%；56d龄期时加钢纤维水泥浆膨胀率比水泥净浆低34%，加碳纤维水泥浆膨胀率比水泥净浆低78.8%。

纤维在水泥基材料中能够形成均匀分布、互相搭接的纤维网格，当水泥浆体因膨胀剂膨胀产生膨胀应力时，这种搭接的纤维网格可以起到分散应力的作用，从而降低了浆体的膨胀［16］。因此加纤维水泥浆的膨胀率小于水泥净浆。纤维在水泥基材料中不仅有分散应力的作用，还可以承担部分应力，而且纤维的弹性模量越大，其可承担的应力就越大，对分布在纤维网格中浆体的限制作用就越强，从而限制整个浆体的变形。本文所用碳纤维弹性模量为230GPa，比钢纤维的弹性模量（200GPa左右）略高。因此碳纤维的约束作用略强，表现为加碳纤维水泥浆的膨胀率最低。加纤维水泥基材料的体积变形还与纤维的分散状况、纤维直径、掺量和纤维根数等纤维性状有关，试验变量较多，这可能也是造成在湿气养护时，加碳纤维水泥浆和加钢纤维水泥浆膨胀率接近的原因。关于纤维性状对加纤维水泥基材料膨胀率的影响，本文不再作专门研究。

图3 a 恒温水养护膨胀率变化Fig.3a Expansion rate of cement grout in Constant temperature water

图3 b 恒温湿气养护膨胀率变化Fig.3b Expansion rate of cement grout in constant temperature and humidity

图3 c 混合养护膨胀率变化Fig.3c Expansion rate of cement grout in mixed curing condition

图3 d 保鲜膜养护膨胀率变化Fig.3d Expansion rate of cement grout wrapped by plastic wrap

由图3d可以看出，水泥砂浆28d的膨胀率仅为水泥净浆的47.2%。在保鲜膜养护的条件下，2种水泥浆的膨胀都主要发生在前2天，第3天之后，浆体的膨胀率慢慢降低。但水泥砂浆28d时的膨胀率回缩量（即膨胀率的最大值减去28d时的膨胀率）为0.025 625%，水泥净浆28d的回缩量为0.046 25%。由此可见虽然水泥砂浆膨胀率较低但其后期的回缩量同样也较低。

同纤维的作用类似，石英砂的存在也会限制水泥基材料的膨胀。同时由于石英砂的掺加量相对较大，也就在一定程度上减小了膨胀剂的相对含量，使膨胀作用降低。石英砂的掺加同样也减小了水泥石的相对含量，由于水泥基材料中发生收缩的主要组分是水泥石，所以，石英砂的掺加会减小水泥基材料的回缩。

对比图3c和图3d可以看出，石英砂的掺入可以降低水泥基材料的后期回缩量，但纤维的加入却对回缩没有抑制作用。本文认为可能是纤维的掺入量相对石英砂太低，起不到降低水泥石相对含量的作用，因此也就没有对回缩的抑制作用。切应变在0～1.2范围内时，其剪切模量为0.73MPa；当胶片的剪切应变在1.2～2.0范围内时，其剪切模量为2.18MPa。

3 力学性能试验结果与分析

为了考察纤维对水泥浆强度增强效应，本文选择水泥净浆（O）、加碳纤维水泥浆（C）、加钢纤维水泥浆（S）3种配比进行试验，养护条件为恒温水养护，实验结果如表6、7所示。

表6 水泥基材料抗折强度试验结果Table 6 Flexural strength of the expansive cement grout

表7 水泥基材料抗压强度试验结果Table 7 Compression strength of the expansive cement grout

表6与7中的影响系数栏为各水泥浆在相应龄期的强度与配合比O的强度之比。

由表6可以看出，由于纤维的加入，水泥基材料的抗折强度有所增强。加碳纤维水泥浆的28d抗折强度比水泥净浆高31%，90d抗折强度比水泥净浆高28%；加钢纤维水泥浆的28d抗折强度比水泥净浆高31%，90d抗折强度比水泥净浆高23%。在试验过程中还发现，水泥净浆在断裂过程中，承载力会发生突然的下降；而加纤维水泥浆在断裂的过程中，承载能力不会突然消失，而是缓慢下降。由此可见纤维的加入提高了水泥基材料的延性。

由表7可以看出，纤维的加入对水泥基材料抗压强度也有一定增强作用，但作用远远小于纤维对水泥浆抗折作用的增强。加碳纤维水泥浆的28d抗压强度比水泥净浆高18%，而90d抗压强度仅比水泥净浆高12%；加钢纤维水泥浆的28d抗压强度比水泥净浆高15%，而90d抗压强度几乎与水泥净浆相同。

水泥基材料在加入纤维后，可以提高抗折强度。这是因为在水泥基材料破坏初期［17］，水泥浆和纤维材料共同受力，在裂缝出现的过程中，纤维起到了增强作用，延缓了裂缝的扩展；而在材料开裂后，部分水泥浆退出了工作，此时纤维成为主要受力部分，直到纤维断裂或者被拔出。而水泥基材料抗压破坏时，由于其破坏形式为剪切破坏或剪拉破坏，纤维的阻裂作用并不明显，因此纤维对其抗压强度的提高作用不大。