基于正交设计的水泥基注浆材料配比试验研究

李福海 王奕彬 余泳江 王江山 靳贺松 李 超

(1.西南交通大学土木工程学院 四川成都 610031；2.中铁二局第四工程有限公司 四川成都 610306）

1 引 言

随着高速铁路的不断发展，铁路隧道数量日益增加，大多数高速铁路隧道采用复合式衬砌结构。因为初期支护不到位、防水板与喷射混凝土未紧贴、混凝土收缩等原因[1-2]，近几年的铁路建设工程中，多条铁路隧道发生拱部开裂掉块、修补脱落、敲击空响、渗漏水凿槽修补脱落等病害[3-4]，严重威胁行车安全。

由于隧道衬砌拱顶空洞位置的特殊性，浇筑混凝土和普通的填塞均无法实现，因此广泛采用注浆进行空洞充填[5]。而注浆效果不仅依赖于注浆工艺，注浆材料也尤为关键，工程运用的注浆材料大致分为水泥基材料、水玻璃类和高分子类。水玻璃类材料粘接性强、强度较高、耐酸性和耐热性好，但耐碱性和耐水性差[6-7]；高分子类注浆材料普遍成本较高，除特殊情况下一般不使用；水泥基材料具有流动度可调、凝结时间可控等优点，并可外掺矿物掺和料构成复合水泥基材料，降低注浆成本，在实际工程中得到广泛应用[8]。然而目前使用的普通水泥基注浆材料，由于其体积收缩较大，会在服役期产生微裂纹，导致注浆充填不密实，影响结构物的稳定性、耐久性以及使用寿命。此外，普通水泥基注浆材料存在早期强度低、泌水严重、环保性差等缺点，注浆后会出现残留裂缝成为渗漏通道。在注浆料的各项性能中，早期强度高和微膨胀性是人们最为关注的，而硫铝酸盐水泥同时具备微膨胀性、早期强度高和在低温下水化速率较快的特点[9]。因此，硫铝酸盐水泥基注浆料成为了注浆料中很重要的一类。

现行规范对二次衬砌回填注浆进行了要求，但对注浆配合比设计及材料没有给出明确的规定，现场操作性较差。依据现场施工要求，为了使注浆材料浆体依靠自有流动性能完全填充衬砌空腔、裂缝、修复施工缝的损伤，必须具有较大的流动度。其次，在满足注浆设备及注浆工艺要求的同时，还应注重现场使用周期的问题。因此，指导文献[10]4要求注浆料的90 min流动度应大于320 mm。在注浆完成后，考虑到现场施工进度的要求，需尽早撤除衬砌台车，因此要求注浆料12 h抗折强度和抗压强度不能低于1.0 MPa和3.5 MPa，且1 d抗折强度和抗压强度不能低于4.0 MPa和18 MPa。较长时间保持大流动度的特性与早期强度高的要求是一对相互的矛盾体，因此，合适的凝结时间及早期强度的性能指标也是需解决的技术难点之一。仲朝明等[11]将普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥按比例复配成胶凝材料，提高了材料的早期强度，同时掺入缓凝剂、粉煤灰、膨胀剂等材料制备出了流动度大于320 mm、2 h抗压强度大于30 MPa的注浆料；Li Xianjun和Hao Jianying[12]对超早强注浆料的制备进行了创新性研究，他们将硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、石膏三元复合体系与各种外加剂复配制成注浆料。结果表明该新型注浆料具有超早强性且其后期强度没有收缩，具有微膨胀性。吕彪[13]针对传统水泥浆收缩、相容性和结合性不足的问题，研发了一种力学性能满足设计要求，且与混凝土相容良好的微膨胀砂浆回填注浆材料。韩磊[14]研究了矿物掺合料对硫铝酸盐水泥基注浆料性能的影响，并指出加入一定量的微硅粉可以提高注浆料的强度，但掺量越大，浆体流动度越小；Shannan[15-16]的研究表明向水泥基注浆材料中掺加如粉煤灰、微硅粉、高炉矿渣等矿物掺合料以及高性能减水剂具有改善注浆材料的工作性能、耐久性能和力学性能的作用。

鉴于上述分析，本研究选取了水料比(水的质量∶胶凝材料+骨料）、硫铝酸盐水泥占胶凝材料的比例(以下简称硫铝酸盐水泥掺量）和硅灰占胶凝材料的比例(以下简称硅灰掺量）三个参数，研究其对水泥基材料拌和性能和强度的影响，应用正交试验方法设计配比方案，通过实验，记录不同配比下水泥基注浆材料的流动度与抗压强度，并通过极差分析法，对比分析出各因素对工作性能与力学性能的敏感度和影响规律，最终确定出满足规范指导要求的流动性好、高早强、微膨胀的水泥基注浆材料配比。

2 试验

2.1 试验原材料

(1）水泥:都江堰拉法基水泥有限公司生产的P.O42.5R普通硅酸盐水泥，四川嘉华企业(集团）股份有限公司生产的R·SAC硫铝酸盐水泥。

(2）硅灰:成都恒瑞源环保材料有限公司生产。

(3）细骨料:20～50目及50～120目规格石英砂、30～50目规格普通河沙。

(4）化学添加剂:广东龙湖科技股份有限公司生产的P29减水剂，北京中德新亚建筑技术有限公司生产的XD型膨胀剂，广东龙湖科技股份有限公司生产的P803型消泡剂，成都新都木兰镇生产的蔗糖类缓凝剂与三聚磷酸钠缓凝剂，河北鑫合生物化工有限公司生产的FT10增稠剂。

选取试验的主要研究对象列出其化学成分见表1～表3。

表1 普通硅酸盐水泥的化学成分 %

表2 硫铝酸盐水泥的化学成分%

2.2 试验方法

2.2.1 流动度测定

按照规范《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448-2015）[10]19-20进行，试验仪器用截锥原模并放置在水平试验台上。平稳提起截锥圆模，注浆材料在无扰动下自由流动直至停止，用标尺测量底面最大扩算直径及其垂直方向直径，计算平均值，以此作为流动度初始值，结果精确到1 mm(见图1）。

图1 测定材料流动度

2.2.2 抗压强度测定

浆体成型及测试按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081-2002）[17]进行检验:将拌和好的注浆材料倒入试模中，静置至浆体初凝后，将其表面多余的浆体刮掉，试件脱模后放入温度为(20±2）℃，相对湿度不小于90%的标准养护室中养护12 h、1 d、28 d，用抗压强度试验机测定其抗压强度。

2.2.3 膨胀率测定

按照规范《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448-2015）[10]21-22进行，在温度为(20±2）℃完成。注浆料加水搅拌均匀后立即灌模，从玻璃板一侧灌入，当灌到50 mm左右高度时，用捣板在试模的每一侧插捣6次，中间部位也插捣6次。灌到90 mm高度时，和前面相同再做插捣，尽量排出气体。最后一层注浆料要一次灌至两侧流出的注浆料高出试模壁2 mm为止，立即用湿棉布覆盖玻璃板两侧的浆体。试验设置为一组三个，取算术平均值，在30 s内读取千分表初始读数h0，于3 h、1 d、3 d分别读取读数，结果精确到0.001 mm(见图 2）。

图2 测定材料膨胀率

2.3 试验方案

2.3.1 正交试验法

正交试验法用于多因素多水平试验，若使用全面试验法试验数量过多，可操作性不强，因而从中挑选出部分具有均匀和整齐特点的代表组进行试验。正交试验法是部分因子设计的高效方法。试验中，指标为待考察及对比的结果，将可能对实验产生结果影响的待考察因素作为因素，实验中每个因素具体范围内取值称为水平。若设计一个因子的水平数分别为t1，t2，…，tn，共计k个因子的实验。假设实验满足2个条件:(1）均衡性，即不同水平中每一因子出现次数相同；(2）正交性，即在试验过程中任意不同水平组合下的两因子出现次数相同，那么该试验为正交试验。正交试验法通常采用正交表对试验进行设计以此满足试验均衡性，并同时减少试验次数。

2.3.2 正交试验方案

为减少工作量，试验采用了正交试验法，确定了对材料流动性和早期强度影响最大的3个指标作为影响因素:用水量与胶结材料之比、硫铝酸盐水泥及硅灰在所有胶凝材料中所占的比例，考虑到《隧道衬砌拱顶带模注浆技术要求》[18]7中规定适宜的微膨胀注浆料的水料比应为0.18～0.20，故每个因素设置3个水平，具体设置见表4。

表4 正交试验设计安排

3 试验结果总体分析

通过对不同配比的9组材料试件进行砂浆流动度试验、单轴压缩试验，得到了各组材料的出机流动度、90 min流动度、龄期为12 h、1 d、28 d的混凝土抗压强度，见表5。通过对试验总体结果进行分析，发现注浆材料的出机流动度分布在373～397 mm，90 min流动度分布在327～373 mm，12 h抗压强度分布在4.4～5.4 MPa，1 d抗压强度分布在20.7～26.7 MPa，28 d抗压强度分布在82.3～87.9 MPa。

表5 正交试验方案及结果

4 实验指标敏感性分析

在直观分析法中，通过极差大小反映该因素不同水平变动对试验指标的影响，以此来分析问题。按照正交试验理论，可由试验结果求得各因素相同水平的平均值，极差等于各水平值的最大值减最小值，极差大反映该因素的不同水平差异较大，对试验结果有显著影响[19]，下面通过极差分析法分析各因素对实验指标(流动度和抗压强度）的敏感度。并由分析结果确定出高早强、微膨胀、流动性好的水泥基注浆材料最优配比。

4.1 流动度影响因素敏感性分析

4.1.1 出机流动度影响因素敏感性分析

对影响材料出机流动度的各因素每个水平求平均值与极差，结果参见表6，从表中得知，硫铝掺量和硅灰掺量的极差相同，均大于水料比的极差。说明这三种因素中控制材料出机流动度的主要是硫铝掺量和硅灰掺量，水料比对出机流动度亦有较强控制作用。

表6 0 min（出机）流动度极差分析

为了更直观地分析各因素对材料出机流动度的影响，由表6可作出各因素对出机流动度影响的直观分析图，如图3所示。从图中得知，材料的出机流动度随着水料比的增加而增大，随着硫铝掺量和硅灰掺量的增加而减小。

图3 0 min流动度敏感性因素分析

4.1.2 90 min流动度影响因素敏感性分析

对影响材料90 min流动度的各因素每个水平求平均值与极差，结果参见表7。从表中得知，硫铝掺量的极差最大，其次是硅灰掺量，再次是水料比。说明材料90 min流动度受三种因素中硫铝掺量的影响最大，硅灰掺量也有一定的影响，而受水料比影响较小。

表7 90min流动度极差分析

由表7做出各因素对注浆材料90 min流动度影响的直观分析图，如图4所示。从图中得知，材料的90 min流动度随硫铝掺量的增加而显著降低，随硅灰掺量的增加而降低，随水料比的增加而增大。

图4 90 min流动度敏感性因素分析

4.1.3 流动度影响因素机理分析

浆体流动度随着水料比的增大而增大的原因在于，水是砂浆中唯一的液相，会吸附在水泥颗粒和矿物掺合料颗粒表面，一定程度高度上起到了润滑效果，减小颗粒间滑动的阻力；同时，浆体中水分含量越大，有越多的自由水带动固体颗粒。而相同条件下，较大的水料比使砂浆含有更多的水，因此可以增大砂浆的流动性。

硫铝酸盐水泥比普通硅酸盐水泥的水化反应速度更快，因此提高硫铝酸盐水泥掺量会加快浆体水化速度，浆体内自由水含量减少，水化产物增多，因此注浆材料流动性减小，且流动性经时损失更大，造成0 min和90 min流动度均随硫铝酸盐水泥掺量增加而降低的趋势。

硅灰颗粒比普通硅酸盐水泥细度更小，与新拌砂浆中的自由水接触后形成含硅凝胶晶体，在此过程中吸收了原本起润滑作用的水，降低了浆体0 min和90 min流动度。同时，产生的含硅凝胶晶体与Ca(OH）2反应产生C-S-H凝胶，增加浆体中的固体物质含量，从而进一步降低浆体90 min的流动度。

4.2 抗压强度影响因素敏感性分析

4.2.1 12 h抗压强度影响因素敏感性分析

对影响材料12 h抗压强度的各因素每个水平求平均值与极差，结果参见表8。从表中得知，硫铝掺量的极差最大，水料比的极差次之，硅灰掺量的极差最低且为0。说明这三种因素中控制材料12 h抗压强度的主要是硫铝掺量，其次是水料比，而硅灰掺量对材料的12 h抗压强度影响可以忽略。

表8 12h抗压强度极差分析

由表8可作出各因素对材料12 h抗压强度影响的直观分析图，如图5所示。从图中得知，材料的12 h抗压强度随着水料比的增大而降低，随着硫铝掺量的增大而增大，而硅灰掺量的变化并未影响到材料的12 h抗压强度。

图5 12 h抗压强度敏感性因素分析

4.2.2 1 d抗压强度影响因素敏感性分析

对影响材料1 d抗压强度的各因素每个水平求平均值与极差，结果参见表9。从表中得知，硫铝掺量的极差最大，水料比的极差次之，硅灰掺量的极差最低。三种因素对材料1 d抗压强度的敏感性由大到小为:硫铝掺量→水料比→硅灰掺量，说明在这三种因素中硫铝掺量对材料的1 d抗压强度起控制作用。

图6 1 d抗压强度敏感性因素分析

表9 1d抗压强度极差分析

由表9可作出各因素对材料1 d抗压强度的直观分析图，如图6所示。从图中得知，材料的12 h抗压强度随着水料比的增大而降低，随着硫铝掺量的增大而增大，随硅灰掺量的增大先增大后降低。

4.2.3 28 d抗压强度影响因素敏感性分析

对影响材料28 d抗压强度的各因素每个水平求平均值与极差，结果参见表10。从表中得知，水料比的极差最大，硅灰掺量的极差次之，硫铝掺量的极差最低。三种因素对材料28 d抗压强度的敏感性由大到小为:水料比→硅灰掺量→硫铝掺量，说明在这三种因素中水料比对材料28 d抗压强度起控制作用。

表10 28d抗压强度极差分析

由表10可作出各因素对28 d抗压强度的直观分析图，如图7所示。从图中得知，材料的28 d抗压强度随着水料比的增大而降低，随着硅灰掺量的增大而增大，硫铝掺量对材料的28 d抗压强度影响并不明显。

图7 28 d抗压强度敏感性因素分析

4.2.4 抗压强度影响因素机理分析

水料比是影响混凝土强度的主要因素，用水量超过水泥水化所需用水时，多余的水会在硬化后的混凝土内部形成气孔，导致受力面积减小，进而导致强度降低，同时骨料与胶材的界面也因为水料比大而强度下降。

在水化硬化过程中，硫铝酸盐水泥中的C4A3S和石膏化合反应生成钙矾石和Al(OH）3凝胶，生成的钙矾石会迅速结晶形成坚硬的骨架，Al(OH）3凝胶则不断填充骨架空隙使得水泥获得更高的早期强度，水化持续2～3 d后反应基本完成，钙矾石含量保持稳定，故28 d抗压强度随硫铝掺量变化不大。

当材料中掺入硅灰时，硅灰相较水泥初期水化活性较低，前期对材料抗压强度贡献较小，故硅灰掺量的多少对材料早期强度影响不大。随着龄期的增长，硅灰开始参与水化反应，由于硅灰在普通硅酸盐水泥基中，既具有物理填充作用，又具有较好的火山灰效应，能有效降低孔隙率，还可以与水泥水化产物氢氧化钙发生反应生成硅酸钙凝胶，增加胶凝性，改善界面结构，并降低Ca(OH）2的数量和结晶取向度，使结构更加致密，因此后期强度提高比较明显[20]。

4.3 价格因素敏感性分析

从胶凝材料各组分售价(见表11）来看，对注浆材料成本的敏感性由大到小为:硫铝酸盐水泥掺量→硅灰掺量→P.O42.5R水泥掺量，说明硫铝酸盐水泥掺量对成本起着控制作用，基于经济性考虑，应尽量降低硫铝酸盐水泥掺量，其次是硅灰掺量。每增加1%掺量的硫铝酸盐水泥掺量，注浆材料成本增加3元/t；每增加1%硅灰掺量，注浆材料成本增加2元/t。

表11 胶凝材料成本元/t

4.4 高早强、流动性良好水泥基注浆材料最优配比

4.4.1 最优流动度配比

综合上述分析结果可以得出:水料比为0.20，硫铝掺量为9%，硅灰掺量为6%时，水泥基注浆材料能够达到最大的出机流动度和90 min流动度。

4.4.2 最优抗压强度配比

综合上述分析结果可以得出:水料比为0.18，硫铝掺量为13%，硅灰掺量为7%时，水泥基注浆材料能够达到最大的早期强度；水料比为0.18，硫铝掺量为9%，硅灰掺量为8%时，水泥基注浆材料28 d强度达到最大。

4.4.3 最经济性配比

综合上述分析结果可以得出:硫铝酸盐水泥掺量为9%，硅灰掺量为6%时，水泥基注浆材料最为经济。

4.4.4 最优水泥基注浆材料配比

综合水料比、硫铝酸盐水泥掺量和硅灰掺量对注浆材料流动性、强度的影响分析，可以发现:硫铝酸盐水泥和硅灰掺量对浆体流动性的影响较大，硫铝酸盐水泥掺量越高，浆体的流动性越差；但硫铝酸盐水泥掺量对注浆材料的早期强度影响也是最大，硫铝酸盐水泥掺量越大，早期强度越高。同样，硅灰掺量越大，浆体流动性也越差，但由于硅灰具有微集料效应和活性效应，随着硅灰掺量的提高，浆体保水性能更好，硬化后更加密实，使得材料28 d强度增大。水料比虽对浆体的流变性影响最小，但对注浆材料的后期强度影响最大，水料比越大，后期强度越低。且当水料比过大时，浆体会出现保水性不足的风险，为弥补保水性的不足，也需要通过增加硅灰的掺量来提高浆体的保水性能。从硫铝酸盐水泥掺量和硅灰掺量对注浆材料成本影响来看，适量增加硫铝酸盐水泥掺量或硅灰掺量对注浆材料的成本影响不大；结合注浆材料的技术要求，硫铝酸盐水泥掺量和硅灰掺量不宜过低。在选择注浆材料配合比时，应首要考虑满足高早期强度，其次是大流动性。因此，结合正交试验结果综合考虑三因素对注浆材料流动性和抗压强度的影响，确定硫铝酸盐水泥掺量为13%，硅灰掺量为7%，水料比为0.19较为适宜，够得到早期强度高、流动性较好的水泥基注浆材料，测得浆体出机流动度为385 mm，90 min流动度为350 mm，12 h抗压强度为4.8 MPa，1 d抗压强度为 23.3 MPa，28 d抗压强度为86.9 MPa，均满足技术要求[18]8。

4.5 体积变化率分析

当确定最优水泥基注浆材料配比方案后测得材料体积变化率试验结果如表12所示。

表12 膨胀率试验

从试验结果得知，硫铝酸盐水泥掺量为13%，硅灰掺量为7%，水料比为0.19时，材料的3 h膨胀率为0.257%；1 d时膨胀率为1.564%，其凝结前产生的膨胀能对砂浆的塑性收缩给予相应的补偿，还能补偿砂浆硬化后产生的干燥无缩，且满足科技基[2008]74号中附录C中规定的1 d内塑性膨胀率介于0.3% ～2%。

5 结论

(1）应用正交试验方法，以水料比、硫铝掺量、硅灰掺量为影响因素，设计了三因素三水平正交表共计9组材料配比方案，通过砂浆流动度试验和单轴压缩试验得到了不同配比注浆材料的出机流动度与90 min流动度及12 h、1 d、28 d抗压强度。

(2）采用极差分析法分析了各因素对材料的流动性与抗压强度敏感性，发现硫铝掺量和硅灰掺量对试件流动度起主要控制作用，且二者与流动度皆为负相关关系；硫铝掺量对试件的12 h、1 d抗压强度起主要控制作用，且为正相关关系；水料比对试件的28 d抗压强度起主要控制作用，且为负相关关系。

(3）结合正交试验结果综合考虑水料比、硫铝掺量、硅灰掺量对水泥基注浆材料的流动性和抗压强度的影响，选定较为理想的配比为:水料比0.19，硫铝酸盐水泥掺量13%，硅灰掺量7%。依据选定的配比，进行性能验证，测得浆体出机流动度为385 mm，90 min流动度为350 mm，12 h抗压强度为4.8 MPa，1 d抗压强度为23.3 MPa，28 d抗压强度为86.9 MPa，1 d时膨胀率为1.564%，均满足技术要求。