养护温度对水泥基灌浆料强度发展影响研究

吴兴杰

(滁州学院 土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000)

灌浆料作为一类常用的土木工程材料，被广泛应用于补强、加固、防水、钢筋套筒连接等多种工程中.其中水泥基灌浆料由于强度高、耐久性好、污染小等优点，在现代注浆材料中受到极大的重视[1].水泥基灌浆料利用水泥作为主要胶凝材料制成灌浆材料，在注浆施工过程中一般要求温度不得低于5 ℃，低温(温度低于5 ℃)及负温(温度低于0 ℃)环境会严重影响水泥基灌浆料的强度发展，从而影响灌浆效果.我国北方大部分地区冬季气温低，持续时间长，东北和西北部分寒冷地区低温持续时间接近5 个月，青藏高原地区平均气温为(−6.9～−4) ℃[2].为应对低负温环境的不利影响，朱清华等[3]利用快硬水泥作为胶凝材料配制了低温型灌浆料，发现灌浆料在较短时间内能够获得较高的强度，但其凝结速度过快，允许注浆施工操作时间较短.王燕谋等[4]、董淑慧等[5]和谢松等[6]在普通硅酸盐水泥的基础上掺加硫铝酸盐水泥作为灌浆料的胶凝材料，发现在低温环境下灌浆料抗压强度有一定的增长，但增长幅度较小.马正先等[7]在灌浆料中添加矿物掺合料，发现随矿物掺合料掺量的增加，灌浆料抗压和抗折强度都呈先增加后减小的趋势.同时，很多学者针对低负温环境下混凝土的物理力学性能进行了深入的研究.Karagöl 等[8]对负温环境下混凝土性能进行了研究，探究了负温环境下新拌混凝土的受冻机理与水泥的水化过程.Kotwa[9]针对负温环境和预养时间2 个因素对新拌混凝土的影响进行了研究.黄煜镔等[10]研究了养护龄期和养护方式对混凝土力学性能影响，结果发现混凝土力学性能随养护条件的改变发生变化.李治等[11]对高性能混凝土在不同温度下进行养护，研究其强度与耐久性.董淑慧等[12]针对负温混凝土的微观形貌与孔隙结构进行研究，分析其宏观性能与早期养护温度的关系.

从已有文献可知，对于低负温环境，很多学者从养护温度出发对混凝土材料物理力学性能进行了较多研究，但对于灌浆料则主要从改变其材料组成成分的角度进行改性研究.对于低负温环境下灌浆料物理力学性质的研究，尤其是强度发展规律的研究还较少.本文从养护温度的角度入手，分析不同养护温度对不同龄期灌浆料抗压和抗折强度的影响，尤其对低负温环境下水泥基灌浆料的抗压和抗折强度演化规律进行了研究.

1 试验材料及方法

试验灌浆料采用滁州中联水泥厂生产的M32.5 型水泥，与河砂和水进行配制，其质量配合比为水泥∶河砂∶水=1∶1∶0.56.根据《水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)》[13](GB/T17671—1999)标准试验方法，将灌浆料制作成40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱体，并将其置于常温(20 ℃)和低负温(5，0，−5 和−10 ℃)环境中，利用养护箱进行常温养护，利用环境温度箱进行低负温养护.不同养护温度的试样见图1.试样养护至预定龄期，利用抗压抗折一体试验机进行抗压和抗折试验，并分别测试了各龄期试样的抗压强度及抗折强度.

图1 不同温度养护成型试样

2 试验结果及分析

2.1 养护温度对灌浆料抗压强度影响

不同养护温度(20，5，0，−5 和−10 ℃)下，灌浆料试样抗压强度随龄期(1，3，5，7，14，21和28 d)的发展见图2；相同龄期试样抗压强度随养护温度变化见图3.

图2 不同养护温度下灌浆料抗压强度发展规律

图3 不同龄期灌浆料抗压强度随养护温度变化

由图2 可知，对于不同养护温度下灌浆料试样抗压强度随龄期增加均呈增长趋势，且养护温度越高，试样最终获得的抗压强度越高.养护温度为20 ℃时，灌浆料试样1 d 龄期时的抗压强度为4.93 MPa，养护至28 d 龄期时增长至19.86 MPa；养护温度为−10 ℃时，灌浆料试样1 d 龄期时的抗压强度为1.06 MPa，养护至28 d 龄期时增长至3.96 MPa.同时还可知，灌浆料试样的抗压强度在前7 d 的增长幅度较快，−10～20 ℃养护温度下，其抗压强度分别达到了28 d 龄期的57.07%，78.34%，62.80%，87.54%和58.91%.

在−5 和−10 ℃ 2 种养护温度下，试样抗压强度明显低于其他养护温度.当养护温度为0 ℃及以上时，灌浆料试样中的拌合水全部或大部分以液态的形式存在于试样中，有利于水泥的水化反应，因而其强度较高；当养护温度为−5 和−10 ℃时，试样中的水结冰后以固态的形式存在于试样中，能够明显降低水泥的水化反应，试样抗压强度随龄期的增长较为缓慢.28 d 龄期时，−10 ℃养护温度下的试样抗压强度仅为20 ℃时的19.94%；同时，相比于−5 ℃，养护温度为−10 ℃时，试样中的水结冰更为充分，其水化过程更为缓慢，且水结冰后其体积膨胀又进一步地损伤试样.因此，在相同龄期下，养护温度为−10 ℃时试样的抗压强度均略低于养护温度为−5 ℃时的抗压强度.

由图3 可知，对于各养护龄期，养护温度越高，灌浆料试样抗压强度越大；随养护龄期增加，养护温度越高，抗压强度增长幅度越大.当养护龄期为1 d 时，养护温度从−10 ℃变化到20 ℃过程中，试样抗压强度从1.06 MPa 逐渐增加到4.93 MPa，最大值为最小值的4.65 倍；当养护龄期为28 d 时，养护温度从−10 ℃变化到20 ℃的过程中，试样抗压强度从3.96 MPa 逐渐增加到19.86 MPa，最大值为最小值的5.02 倍.

对于不同龄期试样，能够发现养护温度越高，其抗压强度增长幅度越大，且随着龄期的增长，这一变化趋势更为明显.对比20与5 ℃这2种养护温度，当养护龄期为1 d 时，20 ℃养护温度获得的抗压强度比5 ℃时大0.64 MPa；28 d 龄期时，20 ℃养护温度获得的抗压强度比5 ℃时大11.51 MPa.产生这种现象的原因为当养护温度为20 ℃时，试样的水化反应比 5 ℃时更为迅速，相同龄期下试样也能够获得更高的抗压强度.随着水泥水化的不断发展，因养护温度而导致的水泥水化程度差异越来越大，因此，随养护龄期增长，20 ℃养护温度下试样抗压强度增长幅度越明显.

2.2 养护温度对灌浆料抗折强度影响

对不同养护温度下，不同龄期试样进行抗折试验.图4 为不同养护温度下试样抗折强度随养护龄期的变化规律；图5 为各养护龄期、不同养护温度时试样抗折强度对比.

图4 不同养护温度下灌浆料抗折强度发展规律

图5 不同龄期灌浆料抗折强度随养护温度变化曲线

由图4 可知，随着养护龄期增加，不同养护温度时试样的抗折强度逐渐增长，且在20 ℃养护温度下，试样的抗折强度最高，−10 ℃时最低.养护温度为20 ℃时，养护龄期从1 d 增长到28 d过程中，抗折强度从1.51 MPa 逐渐增加到4.45 MPa；养护温度为−10 ℃、养护龄期为1 d 时，由于试样抗折强度过低，未能测得抗折强度值；养护龄期从3 d 增长到28 d 过程中，试样抗折强度从1.63 MPa 逐渐增长到2.73 MPa.还可以看出，养护龄期达到5 d 以后，养护温度为20 ℃时的抗折强度明显高于低负温养护条件下试样的抗折强度，而各低负温养护条件下，试样的抗折强度相差不大.对比抗压强度的变化规律，抗折强度的增长对于养护温度的要求更高；20 ℃养护温度时试样抗折强度发展较快，5 ℃及以下养护温度时，试样抗折强度增长明显减慢.

由图5 可知，在各养护龄期，均呈现出养护温度越高试样抗折强度越大的变化趋势；随养护龄期的增加，20 ℃养护温度下试样的抗折强度相比其他养护温度时增长幅度越来越大.3 d 龄期时，20 ℃养护温度达到的抗折强度是−10℃时的1.22 倍；养护龄期28 d 时，该比值达到1.63 倍.这说明随着养护龄期的增加，养护温度越高越能够促进试样抗折强度的增长.

3 结论

1)对于不同养护温度，试样抗压强度均随养护龄期的增长而逐渐增加，且前7 d 养护龄期内抗压强度增长较快；养护温度越高，随养护龄期增加，抗压强度增长幅度越大.

2)养护温度为−5 和−10 ℃时，试样的抗压强度明显小于其他养护温度.造成这种现象的原因是试样中的水冻结为冰导致的.一方面，水结冰降低了水泥的水化反应；另一方面，水结冰后其体积膨胀损伤了试样.

3)对于各养护温度，试样抗折强度随养护龄期的增长均呈逐渐增加的趋势.养护温度为20 ℃时，试样的抗折强度明显高于其他养护温度试样的抗折强度；随着养护龄期的增加，养护温度越高，试样抗折强度增长幅度越大.由此认为，抗折强度的增长对养护温度的要求更高.