功能外加劑對水泥基灌漿料性能的影響研究

0 引言

灌漿料是一種用于填充空隙、加固結(jié)構(gòu)的高性能材料，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、隧道等工程中[1]。近年來，隨著工程技術(shù)的發(fā)展和對材料性能要求的提高，灌漿料的研究向高性能化、綠色化發(fā)展。目前，灌漿料存在流動(dòng)性能不佳，強(qiáng)度發(fā)展不協(xié)調(diào)等諸多問題，亟需通過功能外加劑進(jìn)行改善。

利用礦物摻合料和有機(jī)外加劑來優(yōu)化水泥基灌漿料的性能是一種常用的方式。硅灰是冶煉硅金屬或硅鐵合金時(shí)產(chǎn)生的副產(chǎn)品，是無定形的二氧化硅顆粒，具有高比表面積和極佳的火山灰活性[2]。硅灰在灌漿料中一方面可以增加其稠度，避免離析分層的難題。同時(shí)，其二次水化反應(yīng)和填充效應(yīng)，可有效填補(bǔ)水泥基體之間的孔隙，提高基體的密實(shí)度和穩(wěn)定性[3]。三乙醇胺是一種多功能的化學(xué)外加劑，常用于水泥助磨劑和早強(qiáng)劑[4]。研究表明：三乙醇胺能夠促進(jìn)水泥礦物鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣的水化反應(yīng)，促進(jìn)鈣礬石等水化產(chǎn)物的生成，有助于提高水泥的早期強(qiáng)度[5]。雖然硅灰和三乙醇胺對水泥水化等性能的研究已有相關(guān)的報(bào)道，但兩者對灌漿料性能的影響尚不清晰。

本文系統(tǒng)研究了硅灰和三乙醇胺對灌漿料稠度、凝結(jié)時(shí)間和抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，分析了其作用機(jī)理，觀察了水化產(chǎn)物的形貌及結(jié)構(gòu)。本文為高性能灌漿料材料的制備提供了有效的理論支持，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了一種新的技術(shù)方案。

1 試驗(yàn)部分

1. 1 原材料

本文實(shí)驗(yàn)所用原材料包括：普通硅酸鹽水泥（基準(zhǔn)水泥）、硅灰（北京正源益清新材料技術(shù)有限公司）、砂子（水洗烘干石英砂，臨沂某砂廣公司）、三乙醇胺（國藥公司）、減水劑（蘇博特新材料有限公司）和水（城市自來水）。

1.2灌漿料的制備及試驗(yàn)方法

在基礎(chǔ)灌漿料中分別摻入硅灰和三乙醇胺，研究不同摻量以及復(fù)摻情況下灌漿料的力學(xué)性能和水化產(chǎn)物。其中，硅灰占比為水泥質(zhì)量的 2% 和 4% ，三乙醇胺占水泥的質(zhì)量比為 0.02% 和 0.04% 。基礎(chǔ)灌漿料中水泥與砂子的比例為1：1，水灰比為0.5。

灌漿料的稠度和凝結(jié)時(shí)間實(shí)驗(yàn)依據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T70－2009）進(jìn)行；28天抗壓強(qiáng)度參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》（GB/T17671-2021）測定；水化產(chǎn)物形貌通過FE-SEM（場發(fā)射掃描電鏡）進(jìn)行觀察，水化產(chǎn)物通過X射線衍射儀（BrukerD8-Advance）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。

2 結(jié)果與分析

2.1硅灰和三乙醇胺對灌漿料基本性能的影響

硅灰和三乙醇胺對灌漿料稠度和凝結(jié)時(shí)間的影響規(guī)律見圖1。由圖可知，在一定硅灰摻量條件下，三乙醇胺明顯提升了灌漿料的稠度，并縮短了其凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)三乙醇胺由 0% 增加到 0.04% 時(shí)，灌漿料的稠度呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢。在硅灰摻量為 2% 時(shí)，灌漿料的稠度由 107mm 增加至 120mm ，增幅為 12% ；此時(shí)，灌漿料的凝結(jié)時(shí)間由 320min 減少至 300min ，降幅為 6.25% 。上述結(jié)果表明：三乙醇胺不但改善了灌漿料的可注性，還加速了早期水化進(jìn)程。此外，硅灰對灌漿料的稠度也有較為顯著的影響，隨著硅灰摻量的增加，灌漿料的稠度逐漸增大。但硅灰對灌漿料凝結(jié)時(shí)間基本影響不大，當(dāng)三乙醇胺摻量為 0.02% 時(shí)，灌漿料的稠度由 111mm 增加至 117mm ；凝結(jié)時(shí)間基本保持在 310min 左右。這主要是由于硅灰的比表面積大，吸附了大量的自由水，導(dǎo)致漿體稠度有所增加，但硅灰早期水化活性低，基本不參與水泥的水化進(jìn)程，所以對凝結(jié)時(shí)間影響較小。

圖1硅灰和三乙醇胺對灌漿料基本性能的影響

2.2硅灰和三乙醇胺對灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響分析

硅灰和三乙醇胺對灌漿料28天抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果見圖2。從圖中可知，在未摻加三乙醇胺的情況下，含有 4% 硅灰的樣品展現(xiàn)出了最高的28天抗壓強(qiáng)度，達(dá)到了 37.2MPa ，這一數(shù)值明顯高于純水泥體系的 32.3MPa ，增幅為 15.2% 。這種現(xiàn)象表明，硅灰在不斷水化過程中由于填充作用和二次水化反應(yīng)增強(qiáng)了灌漿料的密實(shí)度，從而提高了抗壓強(qiáng)度。此外，三乙醇胺的添加進(jìn)一步提升了含有硅灰樣品的28天抗壓強(qiáng)度，最高強(qiáng)度值達(dá)到了 39.1MPa 。三乙醇胺在長期養(yǎng)護(hù)過程中可能有助于硅灰火山灰反應(yīng)的進(jìn)行，從而提高了水化程度，增強(qiáng)了灌漿料的力學(xué)性能。綜上，三乙醇胺在早期階段的加速水化作用與硅灰的長期增強(qiáng)效應(yīng)相互補(bǔ)充，兩者的科學(xué)搭配能夠有效提升

灌漿料的力學(xué)性能。

圖2硅灰和三乙醇胺對灌漿料28天抗壓強(qiáng)度的影響

2.3硅灰和三乙醇胺對灌漿料水化產(chǎn)物的影響分析

（1）灌漿料水化28天后的X射線衍射圖，展示了不同樣品水化產(chǎn)物的組成情況（見圖3）。從圖中可以看出，在水化28天時(shí)，鋁酸三鈣（ C₃A ）的衍射峰基本消失，硅酸三鈣（ C₃S） 、硅酸二鈣（ C₂S ）和鐵鋁酸四鈣（ C₄AF ）的衍射峰強(qiáng)也有所下降，且 C₃S 和C₂S 位于 29^° 和 33^° 的衍射峰明顯有所寬化，證明這些礦物已基本完成水化反應(yīng)，并生成了非晶態(tài)的C-S-H凝膠。此時(shí)，水化產(chǎn)物氫氧化鈣（CH）的衍射峰有所增強(qiáng)，反映生成了大量的 CH 。同時(shí)，鈣礬石（AFt）的衍射峰也基本消失不見，且出現(xiàn)了部分 AFm 衍射峰。

圖3灌漿料的XRD圖譜

（2）對摻有硅灰和 0.04% TEA的樣品進(jìn)行SEM表征（見圖4）。SEM展示了大量未反應(yīng)的球狀硅灰顆粒被水化產(chǎn)物所包圍，證明了硅灰的早期活性低，未參與水化反應(yīng)。此外，在硅灰的周圍還可觀察到大量的針狀A(yù)Ft相生成。AFt相互交織在一起，與水化產(chǎn)物形成了致密的灌漿料基體。

圖4灌漿料的SEM

3結(jié)論

（1）三乙醇胺增加了灌漿料的稠度，縮短了其凝結(jié)時(shí)間。當(dāng)三乙醇胺摻量從 0% 增加到 0.04% 時(shí)（硅灰摻量為 2% ），灌漿料的稠度提高了 12% ，凝結(jié)時(shí)間縮短了 6.25% 。隨著硅灰摻量的增加，灌漿料的稠度逐漸增大，但凝結(jié)時(shí)間變化浮動(dòng)小。

（2）硅灰和三乙醇胺均提高了灌漿料的抗壓強(qiáng)度。摻加 4% 硅灰的灌漿料28天抗壓強(qiáng)度提高了15.2% ，但三乙醇胺對抗壓強(qiáng)度的提升效果有限。硅灰和三乙醇胺并沒有改變灌漿料水化產(chǎn)物的類型，但提高了水化程度。

參考文獻(xiàn)：

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