减水剂和早强剂对水泥基灌浆材料性能的影响

减水剂和早强剂对水泥基灌浆材料性能的影响冷达，张雄，沈中林

（同济大学建筑材料研究所，上海200092）

摘要：在大量试验基础上归纳了水泥基灌浆材料的共性，总结了减水剂和早强剂对干粉水泥基灌浆砂浆新拌性能（流动性、凝

结时间及泌水率）和力学性能的影响影响规律。为水泥基灌浆材料的研发和生产提供了第一手资料和多种有效的解决方案。

水泥基灌浆料；减水剂；早强剂；性能关键词：

中图分类号：TQ177.6文献标识码：B文章编号：1001-702X（2008）11-0021-05

Effectsofwaterreducingagentandhardeningacceleratingadmixtureon

theperformanceofcement-basedgroutingmaterial

LENGDa，ZHANGXiong，SHENZhonglin

（InstituteofBuildingMaterials，TongjiUniversity，Shanghai200092，China）

0引言

2005年发布了JC/T986—2005《水泥基灌浆材料》，2007年初，中国建筑材料科学研究院开始着手对高性能水泥基灌浆材料新标准的修订工作，并于2008年3月颁布了新的水泥基灌浆材料国家标准GB/T50448—2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》，大幅提高了对其性能的要求。目前国内外对灌浆材料的研究一般聚焦在个案，即某类具有特殊用途或具备某项特点的灌浆材料的研发[1－2]。而当前市场上对灌浆材料的普遍要求，诸如高强、高耐久、微膨胀、绿色环保等特性与灌浆料常用各功能组分如减水剂、稳定剂、早强剂等之间关系的系统研究却很少。本文在现有文献和同济大学建筑材料研究所近年的灌浆料研究基础上[3]，探讨干粉水泥基灌浆用砂浆中最常见的功能组分———减水剂和早强剂对其新拌性能（流动性、凝结时间及泌水率）和力学性能的影响，为水泥基灌浆材料的研发和生产提供清晰明确、方便快捷的水泥基灌浆材料具有耐久性好、强度高、无毒、无污染、价格便宜等优点，从最初的主要用于设备基础灌浆，已发展成为可用于建筑物基础加固、建筑物植筋、建筑物梁、板、柱改造等多种用途的系列化产品。我国目前工程中使用的水泥基灌浆料大多性能要求相对较低，普遍存在泌水、收缩等问题，严重威胁混凝土结构的安全性和耐久性，甚至引发重大工程事故。基金项目：国家科技支撑计划课题项目（2006BAJ01B05）2008-07-16收稿日期：

作者简介：冷达，男，1983年生，黑龙江鸡西人，硕士研究生。

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蒉

NEWBUILDINGMATERIALS·21·冷达，等：减水剂和早强剂对水泥基灌浆材料性能的影响

参考资料。1

1．1

实验内容及方法

原材料

水泥：安徽海螺P·O52.5R水泥；砂：河砂，过2.5mm筛Ⅱ区中砂，细度模数2.3，表观密度2630kg/m3。水：自来水。减水剂：聚羧酸减水剂A，商品名ADV，淡黄色粉末，推荐掺量0.1％～0.3％；聚羧酸减水剂B，商品名265F，淡黄色粉末，堆积密度300～600kg/m3，干燥损失不大于2.0％，推荐掺量0.1％～0.3％；磺酸化三聚氰胺类减水剂，白色可自由流动粉末，堆积密度500～800kg/m3，干燥损失不大于4.0％，推荐掺量0.4％～0.7％；萘系减水剂，商品名FDN，黄褐色粉末，推荐掺量0.5％～1.0％。萘系、三聚氰胺和聚羧酸系减水剂的减水率分别在15%、20%和30%左右。早强剂：硫酸钾、硫酸钠、氯化钠、氯化钙、亚硝酸钠、硫代硫酸钠等，市购，工业纯产品。1．2试验方法

试验以同济大学建筑材料研究所近年研发的水泥基灌浆材料基本配比为依据，胶砂比为1∶1，水灰比为0.36～0.38；聚羧酸减水剂掺量0.1%～0.4%，三聚氰胺减水剂掺量0.4%～0.7%，萘系减水剂掺量0.6%～1.2%；早强剂掺量1%～5%；稳定剂掺量0.005%；膨胀剂掺量（内掺）10％。在试验过程中，保持基本配合比不变，按一定的规律调整减水剂或早强剂的掺量及种类，考察该种功能成分的种类及掺量对水泥基灌浆料性能的影响。所有试验都是在20℃左右的室温下完成。（1）流动性试验：按JTJ041—2000《公路桥涵施工技术规范》附录G-11进行，试验结果为3次测量平均值；（2）力学性能试验：按GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行；（3）凝结时间试验：按JGJ70—1990《建筑砂浆基本性能试验方法》进行；（4）3h泌水性能试验：泌水在直径36mm，高400mm的玻璃管内测试（见图1）。灌浆料拌和后立即将拌和物灌入管子，随即用塞子密封，以防蒸发。拌和物初始高度h，3h时高度h1，水面高度h2。泌水率用式（1）表示：（h－h1）×100％泌水率=2h1图1泌水试验示意

2

2.1

试验结果与分析

减水剂对灌浆料性能的影响本试验按减水率高低、实际工程应用是否广泛、市场供应是否方便等原则选用了干粉砂浆中常用的萘系、三聚氰胺和聚羧酸系减水剂。萘系减水剂化学名称为聚次甲基萘磺酸钠，相对分子质量在1500～10000内，属于大分子阴离子表面活性剂物质，其固液界面作用有吸附、分散、润滑、电性保护等作用，使水泥颗粒对分散介质的亲和力增加。三聚氰胺类减水剂化学名称为磺化三聚氰胺甲醛树脂，是一种阴离子型表面活性剂，其相对分子质量在3000～30000内。聚羧酸减水剂分子主链较短，可以接枝不同的活性基团，如羧基、羟基、聚氧烷基等，各基团对胶凝材料浆体的作用各不相同。聚羧酸减水剂分子结构自由度相当大，外加剂合成上可控制的参数多。通过控制主链的聚合度、侧链、官能团、分子质量大小及分布等参数可对其进行分子结构设计，制备出满足不同需要差异性很大的各种产品。水泥在加水搅拌以及凝结硬化过程中，由于水泥矿物C3A、C3S、C2S在水化过程中所带电荷不同产生异性相吸，以及水泥颗粒的热运动等，会产生一些絮凝状结构。在这些絮凝状结构中，包裹着许多拌合水，从而减少了水泥水化的用水量，降低了拌合物的工作性。加入萘系及三聚氰胺系减水剂后，减水剂的憎水基团定向吸附于水泥质点表面，亲水基团指向水溶液，使水泥质点表面上带有相同符号的电荷，于是在电性斥力的作用下，水泥－水体系处于相对稳定的悬浮状态，并使水泥在加水初期所形成的絮凝状结构分散解体，其中的游离水被释放出来，达到减水的目的，改善了拌合物的工作性。（1）·22·新型建筑材料2008．11冷达，等：减水剂和早强剂对水泥基灌浆材料性能的影响

聚羧酸减水剂除了上述静电斥力效应达到减水目的外，其梳状分子结构产生的空间位阻效应也使其具有较其它种类聚羧酸系减水剂分子结构中的磺酸基、减水剂高的减水效果。羧基等负离子基团，产生的静电斥力同样可以帮助浆体中水泥颗粒的分散，但分子质量的大小以及梳状结构的聚氧乙烯侧链对水泥颗粒的分散效果影响很大。2.1.1减水剂对灌浆料流动性的影响

将各种减水剂的掺量从占胶凝材料质量的下限逐步增加到上限，减水剂对灌浆料流动性的影响见表1。表1减水剂对灌浆料流动度的影响

项目

0.1

流动度/s

101.1

聚羧酸ADV掺量/%

0.257.6

0.354.9

0.450.4

聚羧酸265F掺量/%0.188.2

0.247.7

0.352.2

0.452.6

0.483.3

三聚氰胺掺量/%

0.572.5

0.676.0

0.776.1

0.6184.5

萘系掺量/%0.8104.4

1.0

1.2

109.8106.2

由表1可见，无论是掺加聚羧酸系、三聚氰胺系还是萘系减水剂，其试样流动性都经历了一个大幅提高至稳定不变甚至略有下降的过程。在提高流动性方面，聚羧酸、三聚氰胺、萘0.5%和0.8%。而2种聚羧酸系减水剂最佳掺量分别为0.2％、减水剂中，265F减水剂较ADV减水剂具有掺量小、减水率高的特点，对灌浆料流动性提高效果更明显。2.1.2减水剂对灌浆料凝结时间的影响

减水剂虽然有利于灌浆料在较长时间内保持流动性，但也不可避免地延长了凝结时间。根据灌浆料的流动度，选取流动性最佳情况下各种减水剂的掺量作为比较基准，比较了减水剂种类及掺量对灌浆料凝结时间的影响，结果如图2所示。水率虽然大于萘系减水剂，但使用三聚氰胺与使用萘系减水剂的灌浆料凝结时间相差不大；各种减水剂掺量继续提高，对应灌浆料的凝结时间都有不同程度延长。2.1.3减水剂对泌水的影响

经试验发现，掺加萘系减水剂的灌浆料无泌水现象，掺加三聚氰胺减水剂的灌浆料表面泛浆严重但不泌水，而掺加聚羧酸减水剂的灌浆料泌水现象较严重。2种聚羧酸减水剂对灌浆料泌水率的影响见图3。图3聚羧酸减水剂对灌浆料泌水率的影响

从图3可知，掺加2种聚羧酸减水剂的灌浆料均出现泌水的现象，且随掺量的增加，泌水率增大，泌水现象愈加严重。图2减水剂种类和掺量对灌浆料凝结时间的影响

由图2可知，掺加聚羧酸减水剂的灌浆料较掺加三聚氰胺和萘系减水剂的凝结时间大幅延长；三聚氰胺减水剂的减2.1.4减水剂对灌浆料强度的影响

减水剂种类及掺量对灌浆料强度的影响见表2。表2减水剂对灌浆料抗压强度的影响

项目

3d

抗压强度/MPa

7d28d

聚羧酸ADV掺量/%0.137.152.065.2

0.235.557.578.7

0.334.354.881.5

0.438.251.779.9

聚羧酸265F掺量/%0.137.149.575.5

0.237.454.774.5

0.337.050.578.4

0.436.552.682.8

0.628.135.954.3

萘系掺量/%0.821.834.750.0

1.023.633.555.1

1.222.931.347.0

0.434.549.966.9

三聚氰胺掺量/%0.531.939.463.6

0.636.442.356.5

0.730.945.262.7

表3

编号化学成分掺量/%

A氯化钙CaCl20～15

B氯化钠NaCl10

C硫酸钠Na2SO40～15

试验采用的无机盐类早强剂

D碳酸钠Na2CO30～10

E亚硝酸钠NaNO210

F复合盐70%NaNO2、30%CaCl2

10

G复合盐50%Na2SO4、50%NaCl

10

NEWBUILDINGMATERIALS·23·冷达，等：减水剂和早强剂对水泥基灌浆材料性能的影响

由表2可见，掺加聚羧酸系减水剂的试样28d抗压强度要明显高于掺加三聚氰胺和萘系减水剂的试样。掺加萘系减水剂的试样随着减水剂掺量的增加，其28d抗压强度降低；掺加三聚氰胺减水剂的试样也有类似现象。综合前面试验，聚羧酸减水剂相对于强度而言的最佳掺量为0.2%，多掺或少掺均于强度不利。2种聚羧酸减水剂比较，265F减水剂的增强效果好于ADV减水剂。2.2早强剂对灌浆料性能的影响

由于水泥基灌浆料为干粉砂浆的形式，生产中使用的早强剂必须为粉剂，而目前的有机早强剂如二乙醇胺均为液剂且成本较高，所以试验尝试了多种无机盐类早强剂（见表3）。在砂浆中掺氯化钙后能加快水泥的早期水化，这主要是由于氯化钙能与水泥中的C3A反应，在水泥微粒表面上生成CaCl2·10H2O），促进C3S、C2S的水化反应水化氯铝酸钙（C3A·而提高早期强度。氯化钠也是一种早强剂，价格便宜、原料来源广泛，但氯盐的掺入会产生增大收缩的副作用，同时由于引入氯离子，可能对钢筋锈蚀有促进作用。硫酸盐是使用最广泛的早强剂，其中尤以硫酸钠用量最大。硫酸钠资源丰富，价格低廉。硫酸钠易溶于水，在水泥硬化时，与水泥水化时产生的Ca（OH）2发生反应生成的二水石膏颗粒细小，比水泥熟料中原有的二水石膏更快地参加水化反应，使水化产物硫铝酸钙更快地形成，从而加快水泥的水化硬化速度，它的1d强度提高尤其明显。由于早期水化物结构形成较快，结构致密程度差一些，因而后期强度会略有降低，硫酸钠掺量应有一个最佳控制量。其它硫酸盐如硫代硫酸钠、硫酸钙、硫酸铝等均有早强作用，但使用量不及硫酸钠。碳酸钠作为水泥基灌浆料的早强剂和促凝剂，在冬季施工中使用，可以明显加快灌浆料凝结时间及提高负温下的强度增长率。碳酸钠浓度不大时，能起促凝作用；而在较高浓度时，却又起缓凝作用。这是由于从铝酸盐所析出的氢氧化铝溶解，又重新形成铝酸盐所造成。亚硝酸钠和硝酸钠都具有早强作用，能促进水泥的水化，而且可以改善水化产物孔结构，使砂浆结构趋于密实。亚硝酸钠又是很好的阻锈剂，尤其适合用在钢筋预应力灌浆料中。复合早强剂往往可以比单组分早强剂具有更优良的早强氯效果。无机盐类复合早强剂主要有硫酸钠-氯化钠早强剂、化钙-亚硝酸钠早强剂等。2.2.1早强剂对灌浆料流动性的影响

早强剂种类及掺量对灌浆料流动性的影响分别见图4、图5。图6早强剂种类对灌浆料凝结时间的影响图4

不同早强剂对灌浆料流动性的影响

图5早强剂掺量对灌浆料流动性的影响

由图4、图5可见，碳酸钠对灌浆料的流动性有较大不利影响，单独掺加氯化钠或硫酸钠虽然对流动性没有明显影响，但二者的复合掺用却使灌浆料的流动性降低。其它无机盐类早强剂对灌浆料的流动性没有明显影响。随着早强剂的掺量增加，灌浆料流动性下降，碳酸钠较硫酸钠和氯化钙对灌浆料的流动性的负面影响大得多。2.2.2

早强剂对灌浆料凝结时间的影响（见图6）由图6可见，几种早强剂均使灌浆料凝结时间有不同程度的缩短，其中以氯化钙最明显，亚硝酸钠次之，硫酸钠再次之。可见硫酸钠在起到早强作用的同时，并未大幅影响灌浆料的工作性能。2.2.3

早强剂对灌浆料抗压强度的影响（见表4）·24·新型建筑材料2008．11冷达，等：减水剂和早强剂对水泥基灌浆材料性能的影响

表4早强剂对灌浆料抗压强度的影响

龄期1d7d28d

空白11.459.274.0

A23.159.281.0

B25.555.563.1

C18.351.959.7

D5.957.163.6

E17.853.467.3

F17.852.864.7

/MPaG19.652.664.6

综上所述，大部分无机盐类早强剂有明显提高早期强度的作用，但7d强度提高效果已基本消失，到后期甚至引起强度下降。复合盐类早强剂对灌浆料早期强度提高没有明显加成效应，复合掺加NaNO2阻锈剂对氯盐早强剂影响不大。由表4可见，除Na2CO3外，其它几种无机盐类早强剂均使灌浆料的1d抗压强度提高，以氯盐效果最佳，亚硝酸盐和硫酸盐次之；但抗压强度发展至28d时，除CaCl2外，掺加其它早强剂的灌浆料试样抗压强度均较空白试样降低。CaCl2可以提高灌浆料1d抗压强度最高达100%，而28d抗压强度也有一定提高，掺量以占胶凝材料质量10%～20%为佳。而Na2SO4虽然也可提高早期强度85%，但却影响后期强度的发展，掺量以5%～10%为宜。Na2CO3则对灌浆料的各龄期抗压强度都无提高作用，不建议在干粉灌浆料砂浆中添加。2.2.4早强剂对1d水化热的影响（见图7）3结语

（1）在相同水胶比下，聚羧酸减水剂可以较三聚氰胺和萘系减水剂大幅提高灌浆料的强度和流动性；但聚羧酸减水剂的副作用是大幅的延长了凝结时间和增加了泌水现象。（2）综合考量灌浆料的各项性能，试验所选的聚羧酸、三聚氰胺和萘系减水剂的最佳掺量分别为0.2%、0.5%、1.0%。聚羧酸265F减水剂较聚羧酸ADV减水剂的整体性能更优。（3）氯盐提高早期强度的效果最优，硫酸盐次之；硫酸盐有降低灌浆料后期强度的副作用。硫酸钠的早强效果较明显，但并未大幅延长凝结时间，有利于平衡灌浆料的工作性能和硬化性能。（4）为降低氯盐作早强剂可能引起的钢筋锈蚀，建议按一定比例掺加亚硝酸盐，不但有阻锈作用，还不会降低氯盐的早强效应。不建议掺加碳酸盐。参考文献：

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图7掺加不同早强剂试样的1d水化热[2]姚武，谷坤鹏.矿物掺合料对后张预应力孔道灌浆料性能的影2007（2）：9-11.响[J].新型建筑材料，

图7也证明了强度的结论，掺加1%CaCl2的试样放热时间大幅提前而且放热量也提高，早强效果非常明显；掺加1%Na2SO4的试样同样具有早强效果，但较空白试样的放热时间蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉[3]

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蒉

和放热量提高幅度不大。蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉蒉Jszl系列陶粒烧结中间试验线通过鉴定

北京建邦伟业机械制造有限公司创新研制的Jszl系列陶粒烧结中间试验线日前通过了由中国建筑材料联合会科技部组织的专家鉴定。

鉴定委员会专家认为，北京建邦伟业机械制造有限公司研制的Jszl-1.8型陶粒烧结炉为固定炉体，点火系统移动，炉顶点火，炉底引风，点火能耗低。研制的带有圆盘锁风阀的卸料器，具有破碎、拨料、引风等多种功能。烧结工艺稳定，生产线投资省，生产规模易于调节，是一种自主创新的新型烧结陶粒生产工艺和设备。该线生产过程中所消耗的燃料少，经国家建筑材料工业节能评价检测中心检测计算，生产线生产陶粒的综合能耗低；对粉煤灰的品质适应范围宽，生产的粉煤灰陶粒主要指标符合国家标准要求。

此外，产品经国家建筑工程质量监督检验中心检测，符合800级高强轻粗集料性能指标要求，粒型系数优等，成品率不低于95%。该线烧结过程为负压操作，粉尘、烟尘排放少，经北京市劳动保护科学研究所室内环境检测中心检测，除尘器排放口的颗粒排放浓度为17g/m3，低于国家排放标准限值。

（泽雁摘）

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