新型高流动性注浆材料抗冻性能试验研究

毕晓茜，孟咸明，于洋，张志军，吕芳礼，王闯

（1.徐州工程学院 土木工程学院，江苏 徐州 221000；2.徐州工润建筑科技有限公司，江苏 徐州 221000）

0 引言

冻融破坏是影响材料耐久性的主要原因之一，相关调查显示，超过50%的大型工程都受到不同程度的冻融破坏[1]。我国冻融破坏主要发生在东北地区，建筑物受到冻融破坏也最为严重。随着新型注浆材料应用范围的不断扩展，对它的环境适应性提出了更高的要求。尽管新型注浆材料的性能已经大大改进，但由于环境复杂恶劣，实际工程中的使用寿命往往与预期相差甚远，不仅造成巨额的维护经费，危害性更大的是有时还造成重大灾害，危及人的生命安全。因此对注浆材料在特殊环境下性能稳定性研究是十分必要的[2]。

新型注浆材料因其含水量高，相较于普通水泥基材料，冻融性能改良的需求更大，在现今对新型注浆材料抗冻融性能分析还在初级探索阶段的情况下，新型注浆材料在冻融环境下的损伤机理尚不明了。能否通过实验率先找到一种改良新型注浆材料抗冻融性能的途径或者方法，成为制约新型注浆材料能否在冻融环境下得到推广应用的关键。 本文通过研究水胶比对新型注浆材料冻融性能的影响和掺入引气剂后注浆材料冻融性能的表现，旨在为进一步研究新型注浆材料冻融性能和耐久性提供一定的帮助[3]。

1 试验内容及方法

1.1 试验材料和配比

新型高流动度注浆材料通常由甲料和乙料两个部分组成，甲料由硫铝酸盐水泥烧结料、悬浮剂、缓凝剂和分散剂组成，乙料由石膏、石灰与复合速凝、早强剂和悬浮分散剂组成。

试验配比见表1。

表1 试验配比

表2 材料流动度

1.2 试块制作和循环制度

拌制前，应将拌合铁板、拌铲、抹刀等工具表面用水润湿，检查拌和铁板上是否有水存在。首先将称量好的材料倒在拌和板上用拌铲拌和至混合物颜色均匀为止。将混合物堆成堆，在中间作一凹坑，将称好的水倒入凹坑中 ，慢慢拌和，逐次加水，仔细拌和均匀。每翻拌一次，需用铁铲将全部材料压切一次。拌和应迅速高效，直至拌和物颜色均匀。之后将拌和好的材料装入已刷油的三联试模。装模应迅速且尽量均匀密实。装模后将试模放到振动台上进行震动5～10秒，之后将试模拿下放至适宜位置。24 h后拆模将试块编号放入养护箱进行标准养护。养护到7天龄期。

快速冻融为每8个小时进行两次冻融循环。具体水胶比和冻融次数如下表3（冻融循环0次的为对照组），其中9组为对照组，每三组与经过不同循环次数的试块对照。另外9组每三组进行不同程度的冻融循环。水胶比1.0、1.5、2.0、2.5首字母分别为A、B、C、D，AK代表1.0水胶比未加入引气剂的组。

表3 引气剂指标

结合之前的试验数据发现，过高的水胶比材料表现的抗冻性能不理想，2.0水胶比的材料抗冻性能表现相对较好，因此引气剂的添加因素只选取了2.0水胶比的材料作为对象，具体方案如下表，冻融循环制度与表3一致。

表4 冻融循环制度

1.3 试验仪器

（1）KDS60型冻融试验箱（该冻融试验箱采取空气中降温冻结，升温溶解的方法进行周期性的冻融试验，一次设置能自动完成最多999次冻融循环试验的功能）；（2）TYE-300C型压力试验机；（3）电子磅秤（感应量1g）；（4）压力试验机（精度1%）。

表5 引气剂添加方案

1.4 试验内容

依据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ／T70-2009进行试验。

首先应从养护箱内取出试样，进行外观检查并记录原始状况，随后放入15-20℃的水中浸泡，浸泡水面应至少高出试样顶面20 mm。冻融试样应在浸泡两天后取出，并用拧干的湿毛巾轻轻擦去表面的水分，之后对其进行编号、称重，最后放入冻融试验机进行相应条件的冻融，冻融温度最低-5℃，最高20℃。对照试样则放回养护箱继续养护，直到完成冻融循环后与冻融试样同时试压。相应冻融结束后，将试样从试验机取出，用拧干的湿布轻轻擦去试样表面的水分，之后称重。对照试样应提前2天从养护箱拿出浸水。之后计算冻融与未冻融试样的质量损失和强度损失，并对其他指标进行对比分析和观测。

2 结果与讨论

2.1 冻融对不同配比成品试块的影响

（1）未加入引气剂的试块在受到不同程度冻融作用后的质量和强度损失情况

图2 冻融对不同水胶比材料强度影响情况

水胶比作为影响无机胶凝材料的主要因素，对新型高流动度注浆材料的影响也是十分巨大的[4]。不同水胶比的新型注浆材料，冻融前后的质量损失随冻融次数的增加而增加。从图1可以看出，2.5水胶比的新型注浆材料在冻融过程中质量损失最敏感，1.0水胶比的新型注浆材料的质量损失随着冻融的进行反应较不敏感。可见，水胶比在冻融过程中对材料质量损失的影响是比较明确的。水胶比越大，冻融过程中强度和质量损失率越高。但是，因为新型注浆材料的特点需要较高的水胶比保证，无限制地降低水胶比将失去研究的意义[5]。

从强度方面的影响进行分析，因强度的测定伴随材料的破坏，因此，研究强度损失无法保证每次用到的试块是同一试块。即强度差在冻融前就已经存在。排除个别问题，从实验的整体数据上分析，在一定范围内，随着水胶比的增加，强度的损失敏感性会增大。即水胶比越大，经过同一冻融循环后，强度损失愈发剧烈。但从数据也可以看出，1.0水胶比的材料和1.5水胶比的材料在冻融循环后强度损失较为接近，且幅度较小，一旦水胶比继续增加，强度损失就产生了指数倍的增加。原因主要是随着水胶比增加，新型注浆材料的水化产物的浓度随之降低，试块的密实程度降低。试块的毛细孔洞会增多，冻融循环作用会使之产生较多微小的裂纹。另外，随着水胶比的增加，自由水比例更大。由结晶压力学说解释，结晶压力直接引发体积的膨胀，造成试块的强度降低[6-7]。

根据《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ／T70-2009之规定，2.5水胶比材料在20次冻融后强度损失已经超过了25%。因此在满足材料基本特性的状态下，合理的水胶比应该不超过2.5，应在2.0～2.5为宜[8]。

（2）加入引气剂的试块在受到不同程度冻融作用后的质量和强度损失情况

从上述数据不难看出，加入引气剂的量直接决定了冻融后试块强度损失的大小，在一定冻融次数内，加入0.05%的引气剂时，对材料的冻融性能略有提升，10次冻融后强度损失减小。20次冻融循环后，加入0.05%的引起剂的材料的强度下降剧烈，反而不如未加入引气剂的注浆材料结石体。但加入0.1%的引气剂时，冻融性能最初出现了下降的情况，20次冻融后加入引气剂的材料比未加入的强度高出了24.3%。抗冻性能下降剧烈。

图3 不同掺量引气剂冻融后的质量损失率

图4 不同掺量引气剂冻融后的强度损失率

图5 未添加和添加引气剂后的微观形貌

新型高流动度注浆材料是一种非均质多相多尺度的复合材料，从以上图像不难看出，引气剂的加入增加了试块的空隙[9]。右图的黑色区域明显较多。但是钙矾石晶体的空间链接则依旧紧密，甚至有些部位变得更加紧密，虽然孔隙率的增加影响了材料的抗冻性能，但引气剂加入后更加充分的水化反应则又提升了材料的部分抗冻性[10]。这与实际得到的实验结果基本契合。

3 结语

本文从水胶比、冻融次数和引气剂等方面，详细分析了影响新型注浆材料冻融性能的因素，探索其影响因素的一般规律，观测和记录了影响因素对冻融前后结石体的微结构的影响，对新型注浆材料的冻融性能做了一次初探性的研究。

（1）水胶比是影响材料冻融性能的最关键因素。水胶比的增加伴随流动度的增加。在满足材料基本性能特点的前提下，存在一个水胶比的临界点为较优的冻融性能的水胶比。由本次实验的数据得出，存在的抗冻融性能的较优水胶比在2.0～2.5之间。

（2）同等水胶比的情况下，冻融循环次数越多，材料的强度和质量损失越剧烈。2.5水胶比的新型注浆材料抗冻融循环的临界次数在20次左右。与其他水泥基材料如混凝土相比，材料能抵抗的冻融循环次数较少。这与材料本身的含水量较高和骨料的缺失有较大的关系。

（3）掺入外加剂引气剂，引气剂的掺入改善了材料的孔洞分布，但随之而来的孔洞增加，空隙中结晶冻胀加剧，也牺牲了结石体的部分强度。总之，微量地掺入引气剂，对新型注浆材料前期的抗冻性能还是有所提升的。