高鲁棒性无砂型桩基修复注浆材料配合比设计及耐久性研究.pdf

新型建筑材料圆园23援09高鲁棒性无砂型桩基修复注浆材料配合比设计及耐久性研究0前言钻孔灌注桩是一种常见的工民建及桥梁工程的基础形式，因其固有的施工方式受地质情况、水文情况以及混凝土状态等外部影响较大，经常会出现不同形式的缺陷，导致成桩无法满足验收要求1-2。为此，常见的解决办法主要有 2 种：补桩与注浆加固，相比较而言，补桩经济性较差，可靠度较高；注浆加固经济性较好，但是注浆会受到水文地质情况等因素影响，实际可靠度较低3。常用的注浆加固材料一般采用水灰比为 0.61.0 的普通硅酸盐水泥料浆，添加减水剂、矿物外加剂，以及水玻璃等外加剂，配制现场注浆浆液4-5。然而配制的浆液现场施工过程中水灰比不可控，导致浆液流动度以及强度离散性较大。为了降低强度和流动度离散性，预应力孔道压浆料逐步得到应用6，但是在地下水丰沛的环境中，普通的压浆料都会被水冲散，无法形成稳定的结构体，实际修补情况也不尽如人聂文雅1，朱后勇2，郎慧东3，杨建明4，张健壮3（1.山东省轻工业设计院有限公司，山东 济南250100；2.济南石油化工设计院，山东 济南250100；3.山东华迪建筑科技有限公司，山东 济南250100；4.寿光市宏建市政设施养护管理有限公司，山东 潍坊262700）摘要：针对修复钻孔灌注桩缺陷时补桩修复经济性差，注浆加固可靠度低的问题，研制了一种高鲁棒性无砂型桩基修复注浆材料。通过响应面分析研究硅灰用量、膨胀剂掺量、絮凝剂掺量对修复注浆材料 120 min 流动度、28 d 抗压强度、24 h 膨胀率的影响，确定最优配比为硅灰、膨胀剂、水下絮凝剂用量分别为 70、59.61、2 kg/t。进一步研究了不同高分子聚合物对粘结强度的改善效果，掺0.3%可再分散乳胶粉时，粘结强度提高 59%。与同条件的水泥对比，修复注浆材料的抗氯盐及抗硫酸盐侵蚀性能更好。关键词：响应面模型；注浆材料；抗压强度；粘结强度；耐久性中图分类号：TU528.01文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）09-0062-06Study on mix design and durability of grouting material for repairing sand-freepile foundation with high robustnessNIE Wenya1，ZHU Houyong2，LANG Huidong3，YANG Jianming4，ZHANG Jianzhuang3（1.Shandong Light Industry Design Institute Co.Ltd.，Jinan 250100，China；2.Jinan Petrochemical Design Institute，Jinan 250100，China；3.Shandong Huadi Construction Technology Co.Ltd.，Jinan 250100，China；4.Shouguang Hongjian Municipal Facilities Maintenance and Management Co.Ltd.，Weifang 262700，China）Abstract：In order to solve the problems of poor economy and low reliability of grouting reinforcement when repairing defectsof bored cast-in-place pile，a kind of grouting material without sand mold for repairing pile foundation with high robustness ismade in this paper.By designing BBD response surface model（RSM-BBD），the effects of silica fume dosage，expansive agent con原tent and flocculant content on 120 min fluidity，28 d strength and 24 h expansive rate of repaired grouting materials are studied，theoptimal test ratio is determined as silica fume dosage 70 kg/t and expansive agent dosage 59.61 kg/t.The dosage of underwater floc原culant is 2 kg/t.The improvement effect of different high molecular polymers on bond strength was further studied.When 0.3%re原dispersible latex powder was added，the bond strength increased by 59%.Compared with the cement under the same conditions，thechloride resistance and sulfate resistance of the repair material are better.Key words：response surface model，grouting material，compressive strength，bond strength，durability收稿日期：2023-06-12；修订日期：2023-08-03作者简介：聂文雅，女，1982 年生，高级工程师，E-mail：。中国科技核心期刊62晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂意。另外，这样的注浆材料与桩身基体的结合性也较差，即使修补成功的桩身，在后期承受的荷载及外部水文地质环境变化的情况下，可能会发生结合面分离、承载力变差等问题7。高鲁棒性注浆料在施工阶段具有较好的可控性，较好的流动度（120 min 流动度逸300 mm）与填充性（24 h 膨胀率逸0.1%），硬化后有较高的强度（28 d 抗压强度逸50 MPa），在水下可抵抗水流扰动，浆液遇水不分散、不污染水体8。目前，对于高鲁棒性修复注浆材料的研究较少，本文通过设计 BBD 响应面模型（RSM-BBD），研究硅灰用量、膨胀剂掺量、水下絮凝剂掺量对 120 min 流动度、28 d 抗压强度、膨胀率的影响，通过回归拟合因素与试验结果之间的关系，建立流动度、28 d 抗压强度、膨胀率响应面回归模型，确定最优的水平。通过抗氯离子侵蚀和抗硫酸根离子侵蚀试验，对比硅酸盐水泥和修复注浆材料的耐久性。为高鲁棒性修复注浆材料配合比的设计提供理论参考。1试验1.1原材料胶凝材料：P O42.5 水泥，山东山水水泥集团有限公司，密度为 3.15 g/cm3，比表面积 405 m2/kg；RSAC42.5 水泥，曲阜中联水泥有限公司，密度 3.22 g/cm3，比表面积 360 m2/kg；S95级矿粉，山东永通实业有限公司，密度 3.1 g/cm3，比表面积383 m2/kg；埃肯硅灰，比表面积 980 m2/kg。矿物膨胀剂：山东华迪建筑科技有限公司，符合 GB 234392017 混凝土膨胀剂 域型要求。高减水型聚羧酸粉末 PC570，消泡剂，水下不分散絮凝剂，黄原胶 HYJ，可再分散乳胶粉 RJF-4000，羟丙基甲基纤维素醚 HPMC-10W：山东华迪建筑科技有限公司。1.2试验方法（1）流动度：参照 DL/T 51172021 水下不分散混凝土试验规程 进行测试。（2）抗压强度：将拌制好的混凝土缓慢倒入距离水面 100mm 的混凝土模具（150 mm伊150 mm伊150 mm），待混凝土装满后用刮刀抹平，48 h 后脱模，并放入标准养护箱养护至规定龄期，参照 GB/T 500812019 混凝土物理力学性能试验方法标准 进行测试。每次测试 3 组试块，取平均值。（3）竖向膨胀率：参照 DL/T 51172021 中干缩（湿胀）试验方法使用比长仪进行测试。（4）浊度：使用量筒称量 800 mL 清水加入 1000 mL 的玻璃杯中，将 500 g 拌制均匀的水下不分散混凝土从水面缓慢倒入，静置 30 min 后，取出 500 mL 不包含混凝土的上层清液，使用雷磁 WZS-182E 浊度仪进行浊度测试。取 3 次测量平均值。（5）粘结强度：参照 JGJT 702009 砌筑砂浆试验方法使用 WAW-1000D 型万能试验机进行测试，加载速度为5 mm/min。（6）抗氯离子侵蚀：使用氯离子扩散试验中的电通量评价混凝土的渗透性，参考美国试验与材料协会 ASTM C12022019 混凝土抗氯离子渗透性电测法 表征氯离子扩散能力，电通量评价标准如表 1 所示。表 1基于 NEL 法的混凝土渗透性评价标准（7）抗硫酸盐侵蚀：将试件（100 mm伊100 mm伊100 mm）标准养护至 26 d 后取出，放入（80依5）益烘干箱烘干 48 h。烘干后取出，冷却至室温，将试块放入硫酸盐干湿循环试验箱，按照 GB/T 500822019 普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准 进行测试。（8）扫描电镜（SEM）分析：采用 FEI QUANTA 250 型环境扫描电镜根据 GB/T 165942008 微米级长度的扫描电镜测量方法 执行。1.3配方设计通过单因素变量试验，确定试验的基础配比，试验水胶比为 0.26，胶凝材料中 m（P O42.5 水泥）颐m（RSAC42.5 水泥）颐m（矿粉）颐m（硅灰/矿物膨胀剂）=720颐80颐100颐（90130），m（减水剂）颐m（消泡剂）颐m（水下絮凝剂）=7颐0.2颐（24）。使用 Desing-Export 软件采用 Box-Behnken 设计了硅灰用量（X1）、膨胀剂掺量（X2）、水下絮凝剂掺量（X3）3 因素对 120 min 流动度（Y1）、28 d 抗压强度（Y2）、24 h 膨胀率（Y3）的响应面分析，明确不同因素的影响大小，以（-1，0，1）编码，如表 2 所示。表 2试验编码2结果与讨论2.1模型构建与验证将试验因素和水平输入软件，按照设计配比进行试验，试验配比及试验结果见表 3。6 h 电通量/C 4000 20004000 10002000 10010004 为合理。进一步分析了残差与预测值的分布、预测值与实际值的分布，结果分别如图 1、图 2 所示。编号X1X2X3120 min 流动度（Y1）/mm28 d 抗压强度（Y2）/MPa24 h 膨胀率（Y3）/%160 402332580.17270 504289640.22350 502326520.25450 403298550.21570 502315620.20650 504300580.26750 603290480.31860 503290560.24960 404288590.221060 604285530.331170 603287600.291260 602310540.281370 403303590.15项 目Y1Y2Y3R20.970.960.98实际值 R20.920.900.95预测值 R20.900.890.94CV/%0.232.114.10精密度14.916.952.2由图 1 可知，数据均匀分布，无规律；由图 2 可知，预测值和实际值的分布接近一条直线，均可说明模型拟合度较高。综合回归方程中各项误差分析及残差与预测值的分布和预测值与实际值的分布，充分说明模型的适应性较好，能够充分表明硅灰用量、膨胀剂用量和水下絮凝剂用量对 120 min 流动度、28 d 抗压强度和 24 h 膨胀率的拟合准确性。2.2响应曲面分析（见图 3、图 4）聂文雅，等：高鲁棒性无砂型桩基修复注浆材料配合比设计及耐久性研究64晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂图 3各项性能随因素变化的响应面 3D 曲线图 4各项性能随因素变化的等高线由图 3、图 4 可知：（1）水下絮凝剂掺量对 120 min 流动度、28 d 抗压强度及24 h 膨胀率均有较大影响。絮凝剂用量与硅灰掺量的交互作用对流动度及 28 d 抗压强度有较大影响。随着絮凝剂的增加，流动度不断降低，但是 28 d 抗压强度不断提高。主要由于絮凝剂为高分子聚合物，分子中含有大量酰胺基团、羧基等官能团，能够牢牢吸附在水泥及矿粉、硅灰表面，通过架桥、络合等作用，形成絮团，材料的自由活动受到限制，故流动度降低，同时材料之间的密实性提高，能够有效阻止环境中自由水的入侵，保证了水胶比，防止后期强度降低9。当硅灰掺量为 50kg/t、膨胀剂用量为 40 kg/t 时，絮凝剂用量从 2 kg/t 增加到 4kg/t，流动度大约降低 6%，28 d 抗压强度提高 10%。（2）硅灰是一种高活性的超细矿物掺合料，在修复注浆材料体系中不仅可以发挥级配效应，同时活性硅含量较高，可以水化生成大量 C-S-H 凝胶等水化产物，提高体系的密实度。但是由于硅灰比表面积较大，需水量较高，故随着硅灰掺量增加，流动度会有小幅度降低，28 d 抗压强度会明显提高10。确定絮凝剂用量为 3 kg/t、膨胀剂用量为 40 kg/t 时，当硅灰掺量从50kg/t 提高到 70kg/t，流动度降低 4%，28d 抗压强度提高8%。（3）絮凝剂及膨胀剂的交互作用对修复注浆材料的膨胀率影响较大，膨胀剂中主要组分为 CaO 及Al2O3，CaO 可以水化生成 Ca（OH）2，Ca（OH）2晶体尺寸相对较大，生成过程会发生体积膨胀；Al2O3在碱性条件下会与 SO42-及 Ca（OH）2反应生成钙矾石，填充孔隙，限制体系沉缩，同时可以提高修复注浆材料和桩基缺陷的粘结性11。确定硅灰掺量为 50 kg/t、絮凝剂用量为 3 kg/t，膨胀剂用量从 40 kg/t 增加到 60 kg/t，膨胀率可以提高 80%。2.3模型求解与性能验证通过对响应面模型及交互影响分析发现，在掺量范围内存在极值点。使用软件优化功能，确定最优的试验配比为：硅灰用量 70 kg/t，膨胀剂用量 59.61 kg/t，水下絮凝剂用量2 kg/t，使用最佳试验条件确定的试验结果预测值为：120 min流动度 308 mm，3 h 膨胀率 0.26%，28 d 抗压强度 61.6 MPa。为了验证预测结果的准确性，使用软件优化得到的试验配比进行试验，结果如 5 所示。表 5最优配比试验结果截椎流动度/mm浊度/NTU膨胀率/%强度/MPa粘结强度/MPa初始 60 min 120 min3 h3 d28 d3203133052060.250.0129.3 63.01.2224 h 与3 h 之差聂文雅，等：高鲁棒性无砂型桩基修复注浆材料配合比设计及耐久性研究65新型建筑材料圆园23援09由表 5 可知，预测值与试验结果误差较小，说明模型拟合度、适应性较好。2.4粘结强度优化通过最优配比试验结果可以发现，按照响应面模型确定的配比，流动度、浊度、膨胀率、强度均可以满足 GB/T 504482015 水泥基灌浆材料应用技术规范、DL/T 51172021要求，但是粘结强度偏低。因此，进一步研究了高分子聚合物不同掺量（0.1%、0.2%、0.3%）、不同种类（黄原胶 HYJ、可再分散乳胶粉 RJF 和羟丙基甲基纤维素醚 HPMC）对桩基修复灌浆材料粘结强度的影响，结果如表 6 所示。表 6粘结强度的优化由表 6 可知，对修复砂浆粘结强度的优化效果，RJFHYJHPMC。可再分散乳胶粉对于粘结强度的提高效果最好，随着乳胶粉掺量的增加，粘结强度不断提高。与空白组相比，当 RJF 掺量为 0.3%时，粘结强度提高 59%。主要由于 RJF 分子结构中含有大量羟基和醚键，能够与游离水形成氢键，提高浆体的稠度，进一步提高粘结强度12。2.5耐久性研究钻孔灌注桩在地下环境服役过程中极易受到氯离子和硫酸根离子的侵蚀。因此将制备的最优配比修复注浆材料与硅酸盐水泥按照相同配比制备试块进行抗氯离子侵蚀和抗硫酸根离子侵蚀试验。抗氯离子渗透能力不仅可以测定修复材料抵抗氯离子侵蚀能力，还可以测定抗渗能力。将制备的试块标准养护 28 d后再自然养护至 90 d 进行抗氯离子渗透试验，结果显示，2 种材料的抗渗等级都非常低，修复注浆材料 6 h 电通量为510.59 C，与纯水泥料浆试块电通量（689.06 C）相比可以降低25.9%。在实际工程应用中，修复注浆材料修复钻孔灌注桩后，可以有效提高抗渗性能和抗氯离子侵蚀效果。在不同胶凝材料抗硫酸根离子侵蚀试验中，每隔 30 次干湿循环对混凝土进行测试，分别测试试块的质量、抗压强度，直至试件破坏。干湿循环对相对立方体抗压强度、相对质量的影响如图 5 所示。由图 5 可知，修复注浆材料和硅酸盐水泥料浆抗硫酸根离子效果差异明显。随着硫酸盐干湿循环次数的增加，抗压强度均先提高后降低，试块的质量也先增大后减小。主要因为硫酸盐能够激发胶凝材料中未完全反应的硅铝酸盐矿物，同时在OH 的激发作用下生成钙矾石，进一步提高硬化体的密图 5硫酸盐干湿循环试验结果实度，在试验结果中表现为抗压强度与质量增加。但是后期表现出抗压强度和质量的降低主要是由于生成了过量的钙矾石和 CaSO4晶体，在硬化体内部产生膨胀应力，使硬化体出现膨胀裂缝13。对比 2 种材料的抗侵蚀效果可以发现，修复注浆材料抵抗侵蚀能力更强。硫酸盐干湿循环次数为 90 时，硅酸盐水泥材料抗压强度降低 3.9%，修复注浆材料抗压强度提高2.2%，循环次数为120 次时，修复注浆材料抗压强度开始降低。修复注浆材料硫酸盐干湿循环次数与硅酸盐水泥相比可以提高 30 次。说明修复注浆材料密实度更好，抗侵蚀能力更强。通过 2 种材料水化 28 d SEM 微观形貌（见图 6）及抗氯离子侵蚀试验结果可以验证这一结论，从 SEM 微观形貌可以看出，修复注浆材料水化产物数量及密实度均高于硅酸盐水泥。图 6不同胶凝材料 28 d 微观形貌项 目掺 HPMC掺 HYJ掺 RJF0.1%0.2%0.1%0.2%0.1%0.2%0.3%粘结强度/MPa 1.25 1.301.321.31 1.331.351.45 1.65 1.940.3%0.3%聂文雅，等：高鲁棒性无砂型桩基修复注浆材料配合比设计及耐久性研究66晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂（上接第 31 页）4吴潜，孙小巍，王瑾.纤维复掺对泡沫混凝土性能影响的研究J.混凝土，2017（3）：157-160.5胡小庆，王永生.纤维间距理论缺陷分析J.安徽建筑，2011，18（2）：73-74.6Kashani A，Ngot D，Mendis P，et al.A sustainable application ofrecycled tire crumbs as insulator in lightweight cellular con原creteJ.Journal of Cleaner Production，2017（4）：925-935.7庞国平.聚丙烯纤维对不同强度等级混凝土强度的影响研究J.中外建筑，2007（7）：73-74.蒉3结论（1）使用 Desing-Export 软件采用 Box-Behnken 设计的基于硅灰掺量、膨胀剂掺量、絮凝剂掺量的响应面模型对 120min 流动度、28 d 抗压强度、24 h 膨胀率的拟合准确性、相关性、适应性较高。（2）使用软件优化功能，确定无砂型桩基修复注浆材料最优的试验配比为硅灰用量 70 kg/t，膨胀剂用量 59.61 kg/t，水下絮凝剂用量 2 kg/t，预测值为 120 min 流动度 308 mm，3 h膨胀率 0.26%，28 d 抗压强度 61.6 MPa，预测值与试验结果基本一致。（3）可再分散乳胶粉可以进一步改善无砂型桩基修复注浆材料的粘结强度，随着 RJF 掺量的增加，粘结强度不断提高。与空白组相比，当 RJF 掺量为 0.3%时，粘结强度提高 59%。（4）与硅酸盐水泥相比，修复注浆材料密实度更高，耐久性更好，抗氯离子侵蚀性能可以提高 25.9%，硫酸盐干湿循环次数可以提高 30 次。参考文献：1陈尚，蒋欢军援基于变形的非均匀锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能研究J援土木工程学报，2022，55（S1）：1-8援2余杰，陈显春，余善荣援压密灌浆技术法在处理桥梁桩基施工质量缺陷中的应用分析J援公路交通科技（应用技术版），2010，6（7）：250-252援3刘亚威，杨医博，蔡慧妍，等援用于溶洞充填的高膨胀性注浆材料研究J援新型建筑材料，2023，50（4）：128-131援4ZaiboZ，JuanhongL，AixiangW，etal.Coupledeffectsofsuperplasticizersandglazedhollowbeadsonthefluidyperformanceofcementedpastebackfillcontainingalkali-activatedslagandMSWIflyashJ.PowderTechnology，2022，399：116726.5张中华，邹建祥，李金贺，等援新型注浆法在临近建筑物地基加固中应用研究J援建筑结构，2022，52（S2）：2151-2154援6逄鲁峰，张帅，许东，等援一种高性能压浆料抗折剂的研究与应用J援新型建筑材料，2020，47（7）：12-15援7王凯援富水地区地铁衬砌壁后注浆防渗加固试验研究J援新型建筑材料，2022，49（9）：64-67援8Lu H，Sun X，Ma H.Anti-washout Concrete：An overview J.Construction and Building Materials，2022：128151.9孙晓燕，陈龙，王海龙，等援面向水下智能建造的 3D 打印混凝土配合比优化研究J援材料导报，2022，36（4）：84-92援10付杰，董庆广，王娟，等援硅灰改性机场道面快速修补砂浆的性能研究J援新型建筑材料，2022，49（11）：141-145援11ChenB，PangL，ZhouZ，etal.Studyontheactivationmechanism and hydration properties of gold tailings activatedbymechanical-chemical-thermalcouplingJ.JournalofBuilding Engineering，2022，48：104014.12Zhou Z，Liu 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