摘要：本文从流动性、竖向膨胀率、抗压强度、有效承载面（EBA）4个方面，采用对比试验的方法，系统分析了CGM系列水泥基灌浆材料与其他三种水泥基灌浆材料的性能优劣。试验结果表明，CGM水泥基灌浆材料是一种综合性能优良的高性能灌浆料。文中还提出了作为高性能灌浆料应具备的性能指标。
关键词： CGM 高性能水泥基灌浆材料 有效承载面（EBA）
水泥基灌浆材料（简称灌浆料，下同）是由水泥、集料、外加剂和矿物掺和料等原材料经工厂化生产的干混料，加水拌合均匀后具有高流动性、不离析、微膨胀等良好工艺特性及硬化快、早强高强等性能特点，因此水泥基灌浆材料有着广泛的应用，确保了设备安装、改扩建工程、加固工程的精度和质量，延长了设备的使用寿命，简化了施工工艺，加快了施工进度。与细石混凝土相比，该材料的高强、高流动性和微膨胀的特性得以充分的发挥。
目前国内生产灌浆料的厂家很多，质量参差不齐。中冶集团建筑研究总院是国内最早研究和规模生产灌浆料的单位，其生产的CGM系列高强无收缩灌浆料，在国内外具有很高的知名度。根据近十几年来的工程应用情况，我们对产品性能不断进行改进，技术含量不断提高，现在已研制出更高性能的CGM新型系列灌浆料，该系列灌浆料对水的适应性好，流动度大，适度的塑性膨胀与硬化后膨胀，有效承载面高，因而具有更高的使用性能。下面从流动性、竖向膨胀率、有效承载面、抗压强度四个方面，详细介绍CGM灌浆料的性能。
1 流动性
灌浆料是一种高流动性材料。测量灌浆料流动度的方法，是依据《水泥基灌浆材料施工技术规程》YB/T9261-98，将拌合料倒入砂浆跳桌用圆截锥试模，提起试模让灌浆料自流，到流动停止后测量流开料的直径。
国外采用读秒的方法较多。如日本资料介绍，用上口直径70mm，下口直径14mm，高400mm的圆截锥体，堵住下口，在其中注满灌浆料，放开下口，同时计时，到截锥内料流完（一般以透亮为准）为止。ASTM C939介绍了类似的方法。国内生产的灌浆料，骨料粒径一般大于2mm，不宜直接采用测定流秒的方法。
对比试验用灌浆料分别为FA、FB、DC，和CGM-300、CGM-340，进行同条件试验，结果见表1。
作为高性能灌浆料，必须具有很好的流动性，施工时基本不用助推等辅助措施，就能顺利灌入空隙。
CGM-340型灌浆料的流动度在340mm以上，最高流动度可以达到350mm以上，且不泌水不离析，可以灌入很薄的空隙中。CGM-300型灌浆料的流动度可以达到310mm以上。FA灌浆料流动性较好，而FB和DC的流动性能欠缺，FB灌浆料的初始流动度较高，15分钟后损失很大。当增大用水量以增大流动度时，出现泌水、离析、强度大幅度降低等负面效应。
考察灌浆料的流动性，有必要检验流动度损失，因为施工时并不一定搅拌后立即入模，如运输，或其他非预期的时间耽误。CGM系列灌浆料具有很小的流动度损失。但FB灌浆料，流动度损失较大，应用到施工时，可能因流动度损失大而不能灌进空隙中。一般来说，如果30分钟后，再重新搅拌流动度损失很小，还可以达到280mm以上，可以满足绝大部分的现场施工要求。
灌浆料对水的适应性也是一项重要参数，用水可调节范围越大，或者说加水“带宽”越大，越有利于现场施工。CGM系列灌浆料的用水量“带宽”达2%以上。但对于DC灌浆料，推荐13.5%水料比，如果把用水量增大到14%，表面出现泌水，大量气泡，而流动度仍不到310mm，这样的材料施工性非常差。
2 竖向膨胀率
灌浆材料的膨胀性是另一个十分重要的指标，它决定所灌材料能否密实填充空隙，塑性阶段的膨胀对于密实性尤为重要。
灌浆料是一种高流动性材料，浇注后会产生较大的塑性收缩，包括沉浆收缩和失水收缩。上述收缩可能导致空鼓，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，能够及时补偿浆体早期收缩，甚至表现出正的膨胀，使得灌浆体更加密实，这样对于增大有效承载面，确保灌浆质量有重要意义。
图3至图6是FA、FB、DC和CGM-340四种灌浆料，采用SHRINKAGE CONE收缩测量仪（见图2），测得的竖向膨胀率-时间关系曲线。SHRINKAGE CONE收缩测量仪是通过在浆体上放置一个激光反射薄片，利用非接触式的测定方式精确测定浆体的高度变化，从而计算竖向膨胀率。
上述图形是灌浆料典型的膨胀-时间关系曲线。有的灌浆料，灌注后其体积变化过程，是先塑性收缩，在2~4小时后膨胀，后期膨胀能够补偿前期的收缩，最后表现为正膨胀，膨胀曲线见图4。有的灌浆料后期膨胀不能够补偿前期的收缩，如图5所示，这种情况直接导致空鼓，灌浆层起不到承载作用；但如果按照《水泥基灌浆材料》JC/T986-2005[3]的竖向膨胀率测定方法，浆体先静置2h再放玻璃板，就不能测得前期的收缩，最终膨胀率表现为正值。CGM-340和FA灌浆料，在加水后不到5分钟即开始体积膨胀，不存在塑性收缩的过程，FA灌浆料在3~4h后膨胀基本达到最大值，这样能保证设备与基础密切接触，CGM-340灌浆料在4h后进一步膨胀，能够在地脚螺栓中产生一定的应力，有利于克服后期的收缩。值得说明的是，膨胀发生在塑性阶段，结果是材料受到挤压，填充更密实。ASTM C1109[4]标准规定，在塑性阶段膨胀，允许膨胀率最大达4.0%。
3 有效承载面
有效承载面（EBA）指设备或钢结构柱脚底板下面灌浆材料实际接触底板并可传递受压荷载的面积与设备或钢结构柱脚的底板总面积之比，以百分数表示。这是一项十分重要的技术指标，它直接反映灌浆层起到承载作用的程度。假设强度为70MPa的灌浆料，有效承载面只有50%，相当于有效荷载只有35MPa。可见即使强度很高，但有效承载面积很小，甚至根本没有与设备底板接触，对设备的危害很大。
美国标准ASTM C1339-02[5]，给出聚合物灌浆料设备灌浆承载面积的测定方法。参照此方法，我们自制船型模，见图7，其中上钢板尺寸600×150mm，厚10mm；上下钢板间隙为50mm。将拌和好的灌浆料从一侧倒入，从另一侧流出且流满钢板下部。24小时后取下钢板，与标准图样做比较，确定有效承载面，见图8~图11。
图12~图15为参照标准ASTM C1339-02绘制的有效承载面的标准图样。
可以看出，有效承载面差别很大。CGM-340灌浆料（用水量17%）、FB料（用水量14%）的有效承载面在95%以上，而FA灌浆料（用水量18%）、DC料（用水量13.5%）的有效承载面积很低，形成“虚接触”，表现为底板下面有大量的气泡孔穴。进一步加大用水量，有效承载面均有一定程度的下降，FA料的表面基本为连续的气泡孔穴，根本不能起到有效传递荷载的作用。
有效承载面的大小，主要和浇注后灌浆料的表面气泡量和膨胀率有关。当气泡量太大时，灌浆层上表面有大量气泡孔穴，直接导致有效承载面积太小；如果膨胀率太小，会导致空鼓，不仅失去了应起的作用，还有很大的潜在危害。作为使用单位，在选择灌浆材料时，模拟灌注条件，试验有效承载面，非常有必要。
4 抗压强度
应根据工程需要选择合适强度的灌浆料。CGM的灌浆料28天强度在65MPa以上，可以满足决大部分工程需要。几种灌浆料的强度数据见表2。
注：试体尺寸40mm×40mm×160mm，20℃标准养护。
5 结语
① 通过流动性、竖向膨胀、强度、有效承载面等方面试验，CGM灌浆料是一种综合性能优越的高性能灌浆料。
② CGM灌浆料具有特殊的塑性膨胀性能，能够有效克服浇注初期产生的塑性沉降，保证灌注密实，杜绝空鼓现象。
③ CGM系列灌浆料的流动度在300mm以上，可达360mm，工程可施工性好。
④ 考察灌浆料的性能，不能仅仅局限于流动度、强度、竖向膨胀等，有效承载面是十分重要的指标，应该把这项指标作为衡量高性能灌浆料性能的指标之一。
⑤ 根据我公司在灌浆料领域多年的科研和实践经验，我们认为新型高性能灌浆料的性能指标如下：
流动性：流动度大于300mm；
抗压强度：一天大于30MPa，28天大于70MPa；
膨胀性：具有塑性膨胀和硬化后膨胀，3h竖向膨胀率0.10%~3.5%，3h后膨胀率增长0.02%~0.5%；
有效承载面：大于90%。
⑥ CGM灌浆料的性能特点：塑性膨胀与后期膨胀的有机结合，有效承载面可达95%以上，保证有效传递荷载、高流动度、可施工时间长、早强高强、施工加水“带宽”宽等。
参考文献
[1] 行业标准 YB/T9261-98 水泥基灌浆材料施工技术规程
[2] 日本公路公团标准JHS312 无收缩砂浆质量管理试验方法
[3] 行业标准 JC/T986-2005 水泥基灌浆材料
[4]美国标准 ASTM C 1107-02 standard specification for packaged dry, hydraulic- cement grout (nonshrink)
[5]美国标准ASTM C 1339-02 standard test method for flowability and bearing area of chemical-resistant polymer machinery grouts
作者简介
邵正明，男，1971年5月生，中冶集团建筑研究总院工程材料院，高级工程师，副总工，主要从事水泥基特种干混砂浆的研究
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