1、NEW BUILDING MATERIALSATERIALS收稿日期： 2011-03-11作者简介：周紫晨，男， 1984 年生，湖北武汉人，工程师，主要从事水泥基 、石膏基材料及其它新型建筑材料 、功能助剂的研发及应用 。随着我国基础建设的蓬勃发展，水泥基灌浆料因其显著的技术经济优势在我国工程建设中广泛应用 。预应力孔道灌浆施工中，常出现的质量问题主要有孔道中水泥浆未充满，有空隙；水泥浆体硬化后收缩与孔道壁分离；水泥浆硬化后强度达不到规范要求等 。造成水泥浆体与孔道壁分离的主要原因之一是浆体存在塑性阶段的收缩，即没有发生有效的膨胀 。我国目前灌浆料的制备多采用水泥复合膨胀剂和减水剂的方法，
2、然而对于膨胀剂的研究多集中在对硬化后浆体材料所产生的膨胀性能，即对膨胀性能的测定多集中在浆体的硬化阶段 。水泥基灌浆材料是一种高流动性材料，浇注后即会产生较大的塑性收缩，包括沉降收缩和失水收缩，收缩率可达 0.5%，甚至更大，可直接导致工程质量缺陷 。即使后期的膨胀能够补偿前期的收缩，也易造成有效承载面降低 。而具有塑性膨胀的灌浆料，不仅能够补偿浆体的早期收缩，而且表现出正向膨胀，使得灌浆体更加密实，这对于增大有效承载面，确保工程质量有重要意义1。因此，灌浆料塑性阶段膨胀指标的好坏对灌浆料产品的性能具有重要意义，而选择一种合适的测试方法显得尤为重要 。本文对比了国内外关于灌浆料塑性膨胀率的测试
3、方法，并就测试方法的有效性和合理性进行了探讨研究 。水泥基灌浆材料塑性膨胀率测试方法的比较与分析周紫晨，曾明（中冶武汉冶金建筑研究院，湖北 武汉 430081）摘要： 介绍国际上常用的 4 种水泥基灌浆料塑性膨胀率的测试方法： ASTM C827 非接触式测量法 、PTGS 量筒法 、GB/T 504482008 架百分表法及橡胶袋法，并对测试方法 、测试结果及其相关性进行对比分析 。结果表明，非接触式测量法和橡胶袋法能够准确 、全面地反映出浆体塑性阶段的体积变化；架百分表法无法反映出浆体入模后 1 h 内的体积变化；量筒法难以定量评定，且易受观察者主观性的影响 。非接触式测量法 、架百分表法
4、及橡胶袋法相关性很高，各因素间存在很好的相关性 。关键词： 水泥基灌浆材料；塑性膨胀率；测试方法；非接触式测量法；量筒法；架百分表法；橡胶袋法中图分类号： TU57+8.1 文献标识码： A 文章编号： 1001-702X（ 2011） 09-0059-04Comparison and analysis of test methods for plasticizing expanding ratio of cementitious grouting materialZHOU Zichen， ZENG Ming（ Wuhan Metallurgical Construction Research
5、 Institute of MCC Group， Wuhan 430081， Hubei， China）Abstract： Four test methods were introduced for plasticizing expanding ratio of cementitious grouting materials， they were theASTM C827 Non-contact test method， the PTGS Measuring Cylinder test method， the GB/T 504482008 Dial indicator test methoda
6、nd Rubber bag test method. Their test methods， test results and correlation coefficients were compared. The experiment resultsshow that the Non-contact test method and the Rubber bag test method were accurate and comprehensive； the Dial indicator testmethod couldnt reflect the volume change of grout
7、 at first one hour； the Measuring Cylinder test method was easily influenced bysubjective factors. The Non-contact test method， the Dial indicator test method and the Rubber bag test method were very highlycorrelated.Key words： cementitious grouting material； plasticizing expanding ratio； test metho
8、d； Non-contact test method； Measuring Cylinder test method； Dial indicator test method； Rubber bag test method全国中文核心期刊 中国科技核心期刊59 新 型建筑材料 20119新型建筑材料1 塑性膨胀率的测试方法目前，国际上广泛应用的是美国后张预应力协会（ PTI）规范 “Specification for Grouting of Post-Tensioned Structures”、美国佛罗里达交通局（ FlaDOT）制定的管道灌浆技术规范 PTGS中的量筒法试验2-3及美国 AST
9、M C827 非接触式测量法试验4。我国针对灌浆料的测试标准主要有 GB/T 504482008水泥基灌浆材料应用技术规范 以及铁道部行业标准 TB/T 31922008铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件 中的架百分表法 。此外，国内外学者也采用 Le Chateliers Rubber BagMethod（橡胶袋法）对灌浆料的塑性膨胀进行测试5-7。1.1 ASTM C827 非接触式测量法ASTM C827 中提供了一种水泥基浆体材料收缩和膨胀的测试方法4。规范中采用的测试装置如图 1 所示，装置主要由投影光源 、指示球 、放大镜系统 、指示图表 、盛放浆体的模具以及捣棒组成 。图
10、1 非接触式测量法测试装置示意首先将指示球放置于试样表面的中心位置，将样品放置于投影光源和放大镜系统之间，调整试样的水平位置以使半球的轮廓在指示图表上清晰显示，并位于零刻度处（上述步骤在制浆后 5 min 内完成） 。记录时间并开始测试 。前 90 min 内每隔 5 min 记录 1 次半球指示的位置，在接下来的 1 h 内每隔10 min 记录 1 次半球指示的位置，再接下来每隔 20 min 记录1 次半球指示的位置，直到浆体硬化 。试样高度的变化由式（ 1）计算得到：H（ I/HM） 100 （ 1）式中： H试样高度的变化， %；I指示图表上的读数， mm，“+”号表示正向的变化，“
11、”表示负向的变化；H试样最初的高度， mm；M放大镜系数 。1.2 PTGS 量筒法PTGS（ Post Tensioning Grouts Specifications）是目前针对灌浆料性能测试方法中最全面 、系统的标准规范2。其试验方法以 ASTM 有关测试标准为基础，针对后张预应力孔道灌浆料性能要求的特殊性，特别对流动度 、泌水和膨胀 、氯离子抗渗等测试方法作了改进 。PTGS 规定早期膨胀率的试验方法参照 ASTM C94098a，但作了少许修改 。往 1000 ml 的量筒内慢慢注入（ 80010） ml 新拌浆体，记录浆料液面所到达的刻度（ V0）；把预应力索插入量筒，并用 1 个
12、圆塑料薄片套在量筒口，用于对预应力索的固定，使预应力索的轴向与量筒的垂直轴线保持平行，并防止水分蒸发，同时再次记录灌浆料液面到达的刻度（ V1） 。开始的 1 h 内每 15 min 读取 1 次浆体和泌水面分别到达的刻度（分别为 Vg、V2），此后每 1 h 记录 1 次，整个过程共持续 3 h。用式（ 2） 、式（ 3）计算各阶段相应的体积膨胀率：VpVgV1V1100 （ 2）VcV2V1V1100 （ 3）式中： Vp浆体的体积膨胀率， %；Vc联合体积膨胀率， %。1.3 GB/T 504482008 架百分表法本试验方法采用的仪器设备见图 2。将玻璃板平放在试模中间位置，并轻轻压住
13、玻璃板 。拌合料一次性从一侧倒满试模，至另一侧溢出并高于试模边缘约 2 mm。用湿棉丝覆盖玻璃板两侧的浆体 。把百分表测量头垂直放在玻璃板中央，并安装牢固 。在 30 s 内读取百分表初始读数 h0；成型过程应在搅拌结束后 3 min 内完成 。自加水拌合时起于 t 时间读取百分表的读数 ht。整个测量过程中应保持棉丝湿润，装置不得受震动 。成型养护温度均为（ 202） 。图 2 架百分表法测试装置示意竖向膨胀率按式（ 4）进行计算：thth0h100 （ 4）式中： t竖向膨胀率， %；h0试件高度的初始读数， mm；ht龄期为 t 时的高度读数， mm；周紫晨，等：水泥基灌浆材料塑性膨胀率
14、测试方法的比较与分析60 NEW BUILDING MATERIALSATERIALSh试件基准高度，取 100 mm。1.4 橡胶袋法5Le Chatelier 的橡胶袋法所采用的仪器设备如图 3 所示 。将加水拌合好的灌浆料灌入橡胶袋内，排气，并扎紧袋口，称量，然后放入 250 ml 的广口瓶中，瓶内空余部分用水填充，再将 1 个中心嵌有刻度试管的上盖旋紧，密封，管内注上一定高度的水，上端用液体石蜡密封 。自加水开始后 0.5 h 读取初始液面高度，然后每隔 0.5 h 观察液面高度的变化 。图 3 橡胶袋法测试装置示意由于水在水泥水化过程中温度会发生变化，进而产生一定的温度体积变形，故本
15、试验中采用恒温水浴法进行 。体积膨胀率按式（ 5）进行计算：tVtV0V0100 （ 5）式中： tt 时刻的体积膨胀率， %；V0初始的体积读数， ml；Vtt 时刻的体积读数， ml。2 不同测试方法的对比本研究中测试的灌浆料采用具备塑性膨胀和硬化期膨胀的复合膨胀剂配制，膨胀剂掺量为胶凝材料总量的 8%，减水剂掺量为 0.2%，水胶比为 0.27。浆体采用 2000 r/min 的高速搅拌机搅拌 。2.1 测试方法比较灌浆料塑性膨胀的 4 种测试方法对比见表 1。表 1 4 种测试方法的对比2.2 不同方法测试数据的分析采用非接触式测量法 、架百分表法和橡胶袋法的测试结果如图 4图 6 所
16、示 。采用量筒法测试时，在测试的 12 h 内虽然能够观察到量筒中浆体横截面中心处的凸起现象，但对应的体积变化并不明显，或可以认为体积变化量很小，无法清晰准确地记录 。笔者认为将量筒法应用于测试膨胀率较大的灌浆料更为合适，若用于测试膨胀率较小的灌浆料时，试验者的主观性将对试验结果产生较大影响 。图 4 非接触式测量法测试灌浆料的膨胀曲线图 5 架百分表法测试灌浆料的膨胀曲线图 6 橡胶袋法测试灌浆料的膨胀曲线从图 4 可以看出，试验配制的灌浆料在入模后 1 h 内出现了最大值为 0.012%的负向变形 。这主要是由于水泥基材料在浇注后迅速发生水化反应，同时伴随着自收缩 、塑性沉降现象的发生8，
17、产生的体积减缩量较塑性膨胀量显著，故而膨胀率为负值 。随着灌浆料中的塑性膨胀组分逐渐充分发生反应，在补偿收缩变形后体积膨胀量迅速增大，当反应进行到 8 h时，浆体发生初凝，并逐渐失去塑性变形的能力，体积变形趋项 目 非接触式测量法 量筒法 架百分表法 橡胶袋法测试条件 较复杂 简单 简单 简单评估性能 定量 定性 定量 定量测试精度 精确 不精确 较精确 精确适用范围 收缩 、膨胀 收缩 、膨胀 膨胀 收缩 、膨胀试验费用 较高 一般 较低 较低周紫晨，等：水泥基灌浆材料塑性膨胀率测试方法的比较与分析61 新 型建筑材料 20119新型建筑材料缓并保持平稳， 12 h 膨胀率约为 1.10。从
18、图 5 可以看出，试验配制的灌浆料在入模后约 1 h 内，浆体的体积没有发生变化，即零膨胀 。这主要是因为当浆体发生收缩时，玻璃盖板的下降受到了模具的约束，故百分表数据未发生变化 。当灌浆料中的塑性膨胀组分发生反应并发挥作用，浆体的体积迅速开始增大，并逐渐补偿早期的收缩并开始出现正向的位移 。同样，当反应进行到 8 h 时，浆体发生初凝，并逐渐失去塑性变形的能力，体积变形趋缓并保持平稳， 12 h膨胀率约为 1.02。对比图 4 可以看出，架百分表法相应龄期的膨胀率值较非接触式测量法小，笔者认为主要是由于玻璃板自重产生的压力一定程度上抑制了膨胀能的发挥 。从图 6 可以看出，试验配制的灌浆料在
19、入模开始测量时即出现正向的膨胀变形量，由于配制的浆体被完全密封于橡胶袋并悬浮于水中，沉降收缩 、干燥收缩现象得到抑制，早期产生的膨胀并未用于抵消收缩变形，故膨胀率持续发生增长，12 h 膨胀率约为 2.79。对比图 4、图 5 可以看出，橡胶袋法测得的膨胀率较上述 2 种方法要大很多，一方面是因为该法测得的膨胀率反映出的是浆体产生的体积变形，是三维方向上的总变形量，而前两者试验中浆体的四周和底部都受到了束缚，相当于一维方向上的膨胀变化 。此外，由于早期的膨胀并未用于抵消收缩变形，膨胀能更为有效地得到发挥 。2.3 不同方法测试结果的相关性架百分表法 、橡胶袋法和非接触式测量法的相关性分析如图
20、7图 9 所示 。图 7 架百分表法 橡胶袋法测试值的相关性图 8 非接触式测量法 橡胶袋法测试值的相关性图 9 架百分表法 非接触式测量法测试值的相关性从图 7 可以看出，架百分表法与橡胶袋法的各龄期膨胀率测试值存在非线性的相关关系， R2=0.9888。此函数为：y=0.1407x2+0.0092x-0.027从图 8 可以看出，非接触式测量法与橡胶袋法的各龄期膨胀率测试值存在非线性的相关关系， R2=0.9907。此函数为：y=0.1282x2+0.0731x-0.0411从图 9 可以看出，架百分表法与非接触式测量法的各龄期膨胀率测试值存在线性相关关系， R2=0.9982，线性相关性
21、很好 。此函数为：y=0.9463x-0.01783 结 语（ 1）非接触式测量法和橡胶袋法能够准确全面地反映出浆体塑性阶段的膨胀变化；架百分表法由于受到模具的约束，无法反映出浆体入模后 1 h 内的膨胀变化；量筒法由于受到断面尺寸的影响，对于膨胀率在 1.2%内的膨胀变形难以定量评定，且易受到观察者主观性的影响 。（ 2）非接触式测量法和架百分表法测试的是浆体塑性阶段在一维（即竖向）方向上的膨胀率，非接触式测量法相应龄期的膨胀率较架百分表法大，二者 12 h 的膨胀率分别为 1.09、1.02%。橡胶袋法测试的是浆体塑性阶段在三维上的体积变形，故12 h 的膨胀率较大，约为 2.79%。（
22、3）架百分表法与橡胶袋法的各龄期膨胀率测试值存在非线性的相关关系；非接触式测量法与橡胶袋法的各龄期膨胀率测试值存在非线性的相关性关系；架百分表法与非接触式测量法的各龄期膨胀率测试值存在线性相关关系 。且上述相关性很高，因素相互间存在很好的相关性 。（ 4）橡胶袋法中用于标示体积膨胀的水随水泥水化温度会发生变化，进而会产生一定的温度体积变形，故橡胶袋法试验宜采用恒温水浴法进行，以提高试验结果的准确性 。（下转第 72 页）周紫晨，等：水泥基灌浆材料塑性膨胀率测试方法的比较与分析62 新 型建筑材料 20119新型建筑材料我国现有运行较为可靠的几条生产线均采用多台磨机联合粉磨工艺，杭钢的终粉磨设备
23、以球磨机为主，振动磨作为预粉磨设备 。而马钢的预粉磨设备为辊压机，终粉磨设备为球磨机 。图 2 为辊压机与球磨机联合粉磨系统，钢渣经辊压机挤压，通过兼烘干及选粉功能的 V 型选粉机，选出规定细度的微粉进球磨机粉磨成成品，粗粉回辊压机再次挤压 。采用该工艺，主机粉磨电耗可达到 40 kWh/t（磨出物料的比表面积为450 m2/kg），系统粉磨电耗约 85 kWh/t，同时可以灵活调整成品细度，满足用户的要求 。另外，为了解决钢渣粉碎过程中磨损较大的问题，需要对辊压机的辊面进行改进 。图 2 辊压机 球磨机联合粉磨系统示意3 结 语钢渣是炼钢过程中产生的废渣，主要用作筑路基材 、回填工程 、沥青
24、混凝土集料等，产品附加值较低 。钢渣组成与水泥相似，磨细后可作为水泥混合材或掺合料使用，并可等量取代水泥 。钢渣粉料越细，其游离 CaO 越容易在水化过程中释放Ca（ OH）2，改善其安定性，同时钢渣中所含的铁也容易收集出来 。因此，钢渣超细粉磨技术的发展能有效地促进钢渣的综合利用 。钢渣易磨性差，在粉磨过程存在除铁难及能耗高 2 大难题 。为解决这 2 个问题，可采用多台磨机联合粉磨的工艺方案 。以辊压机作预粉磨设备，钢渣经由辊压机辊压后，颗粒表面出现裂纹，有助于提高终粉磨设备的粉磨效率 、降低能耗 。同时在外循环系统中增加多个除铁设备，可降低钢渣粉中的含铁量，保护粉磨设备 。辊压机与球磨机
25、联合粉磨工艺系统粉磨电耗约 85 kWh/t（磨出物料的比表面积为 450 m2/kg），可以灵活调整成品细度 。卧辊磨是基于料床粉碎工作原理设计，粉磨能耗较低，用于钢渣粉磨系统总电耗约为 68 kWh/t（磨出物料的比表面积为 480 m2/kg），但是目前还处于小试的阶段，对于大规模生产应用还存在不确定性 。参考文献：1 闫启平 .2010 年废钢铁业的思考 J.中国资源综合利用， 2010， 28（ 3）： 13-15.2 熊付刚 .钢渣代砂对砂浆的强度和工作性能的影响 J.建材世界，2009， 30（ 1）： 19-22.3 刘建生，顾文飞，徐莉，等 .转炉滚筒渣在商品干粉砂浆中的应用
26、技术研究 J.新型建筑材料， 2009（ 2）： 53-56.4 石国平，柴星腾 .钢渣微粉加工技术 C/2009 年国内外水泥粉磨新技术交流大会论文集， 2009： 30-39.5 陈家瑛 .钢渣微粉对混凝土抗压强度和耐久性的影响 J.建筑材料学报， 2005， 8（ 1）： 63-66.6 蔡雪军，王崇英，戴少安，等 .冶金渣蒸压加气砌块的研制 J.新型建筑材料， 2009（ 1）： 4-6.7 张起民，张显铎 .料层挤压粉碎技术及装备的发展 J.技术装备，2003（ 3）： 49-52. 蒉（上接第 62 页）参考文献：1 邵正明，王强，邹新，等 .国标 水泥基灌浆材料应用技术规范 GB
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