用于囊式扩张技术的掺化学外加剂速凝高早强水泥基灌浆材料的性能与优化

《Case Studies in Construction Materials》：Performance and optimization of rapid-setting and high-early-strength cement-based grout incorporating chemical additives used in capsule expansion technology

　　

作为一种高效控制路基沉降的方法，囊式扩张技术（Capsule Expansion Technology, CET）正日益应用于高速铁路路基的快速抬升。然而，传统灌浆材料存在养护时间长和早期强度低的问题，限制了CET的应用效果。为解决这一问题，本研究开发了一种适用于CET沉降控制的掺化学外加剂速凝高早强水泥基灌浆材料（Rapid-setting, High-early-strength Cement-based Grout, RHCG）。研究采用正交试验设计，系统考察了4个因素的影响：水灰比、膨润土、化学促凝剂以及减水剂。结果表明，化学促凝剂在控制初凝时间和流动性方面发挥显著作用，而水灰比则显著影响浆体的离析泌水行为。抗压强度演化可分为3个阶段：快速水化阶段（Stage I: 0–1 d）、缓慢水化阶段（Stage II: 1–14 d）和稳定提升阶段（Stage III: 14–28 d）。优化配合比为水灰比0.9、膨润土5%、化学促凝剂30%、减水剂1%，该配比可同时改善RHCG的凝结时间和工作性。微观结构分析表明，外加剂通过促进铝酸盐生成，加速了C–S–H凝胶（calcium silicate hydrate）和方解石（calcite）等关键水化产物的形成。本研究为高速铁路基础设施中CET的材料优化与工艺设计提供了有价值的参考。

该论文发表于《Case Studies in Construction Materials》，聚焦高速铁路路基沉降快速修复中囊式扩张技术（Capsule Expansion Technology, CET）所用灌浆材料的性能提升问题。高速铁路运行对轨道平顺性与结构安全具有极高要求，而路基不均匀沉降会直接导致轨道劣化、乘坐舒适性下降及运营风险增加，因此必须在极短“天窗期”内完成沉降修复并恢复服役。CET作为一种通过向高强囊体内压注浆液并在受限地层中扩张以实现抬升的技术，具有高效控制沉降的潜力，但现有灌浆材料大多存在凝结慢、早强低、流变性难控制等局限，难以满足仅约3小时施工窗口内的快速加固要求。基于此，研究人员围绕普通硅酸盐水泥体系，构建了掺化学外加剂的速凝高早强水泥基灌浆材料（RHCG），以解决CET工程应用中的材料瓶颈问题。

从研究动因看，现有快硬高强灌浆体系虽然包括硅酸盐体系、铝酸盐体系、硫铝酸盐体系和磷酸盐体系等，但单独采用特种胶凝材料常伴随新旧界面强度失配、基底开裂敏感性增大、凝结时间不易调控以及材料成本较高等问题。因此，复合胶凝思路逐渐成为工程界主流。然而，多组分体系中各因素对流动性、泌水率、初凝时间和强度发展的耦合作用仍不够清晰，特别是缺乏面向CET工况的定量优化模型与微观机制支撑。研究人员因此开展系统试验，旨在获得兼具快速凝结、高早期强度、良好流动性和低泌水性的最优配比，并揭示其强度演化与微观结构形成机制。

研究方法方面，研究人员以中国江苏常州生产的42.5级普通硅酸盐水泥为主体胶凝材料，引入膨润土（BT）、促凝剂（AR）和聚羧酸减水剂（WA），其中AR主要由偏铝酸钠（NaAlO₂）和硫酸钙（CaSO₄）组成。采用四因素四水平正交试验设计，考察水灰比、BT掺量、AR掺量和WA掺量对流动度、泌水率、初凝时间及不同龄期抗压强度的影响；基于16组配比数据开展多元线性回归分析（MLRA），建立性能预测模型；随后对优化配比样品进行抗压、超声波动力学模量测试，并利用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）进行微观结构表征。

在“Influence of factors on flowability”部分，研究人员分析了各因素对RHCG流动性的作用。结果表明，不掺AR的试样流动性明显高于掺AR试样，说明AR是影响流动性的关键因素。随着水灰比和WA增加，浆体自由水增多、颗粒分散性增强，流动性提高；而BT和AR增加则提高固相体积分数并减少自由水，导致流动性下降。其中AR的影响最为显著，其不仅消耗自由水，还通过加快放热水化提高浆体黏度，因此对流动性抑制作用最强。

在“Influence of factors on bleeding rate”部分，研究人员指出泌水率是评价浆体稳定性的关键指标。结果显示，AR对泌水率的影响最大，其次为水灰比。随着AR由0%增至30%，平均泌水率由11.3%显著降至1.6%，说明AR可通过促进早期AFt（ettringite，钙矾石）形成、消耗自由水并构建致密早期结构来有效抑制泌水。相较之下，水灰比升高会显著增加泌水风险。BT单独作用有限，但在AR含量较高时表现出协同抑制泌水效应。WA总体对泌水影响较弱，但掺量过大时可能因过度分散导致颗粒沉降和离析加剧。

在“Influence of factors on initial setting time”部分，研究人员将初凝时间作为CET施工适应性的核心指标。结果表明，AR是缩短初凝时间的主控因素。AR释放的Al³⁺与石膏反应形成硫铝酸盐产物，可显著缩短诱导期，使平均初凝时间由10.4 h大幅降至1.1 h。相比之下，较高水灰比因稀释Ca²⁺和OH^?浓度而略微延缓凝结，BT与WA对初凝时间影响较小，主要通过吸附自由水或改善颗粒分散产生间接作用。

在“Influence of factors on compressive strength”部分，研究人员系统考察了抗压强度演化规律。水灰比是影响RHCG致密性和孔结构的首要因素，水灰比由0.75升高至0.90后，3 d和28 d抗压强度均明显下降，说明过量自由水会在硬化后形成更多毛细孔并削弱界面过渡区（ITZ）。BT通过填充细孔并促进C–S–H凝胶生成，对强度有一定提升作用，且这一作用在28 d更明显。AR能显著促进早期水化并快速生成AFt和C–S–H凝胶，从而提高早期强度。WA掺量增加则整体不利于强度发展，原因在于体系自由水增加与离析加剧削弱了硬化体均匀性。

在“Correlation analysis”部分，研究人员通过皮尔逊相关系数矩阵揭示了各性能指标间的耦合关系。流动性与泌水率呈强正相关（r = 0.90），表明提升流动性往往伴随稳定性下降。泌水率与3 d、28 d抗压强度均呈显著负相关，说明过度泌水会削弱力学性能。3 d与28 d抗压强度之间存在很强正相关（r = 0.89），显示早期强度发展对后期性能具有决定性意义。初凝时间与强度则呈中等负相关，反映出快速凝结虽有助于早强形成，但若促凝过度，亦可能不利于后期充分水化。

在“Multiple linear regression analysis”部分，研究人员基于16组正交试验数据建立了流动性、泌水率、初凝时间和28 d抗压强度的多元线性回归模型。模型相关系数R分别为0.92、0.95、0.89和0.91，调整后R²分别为0.85、0.90、0.79和0.83，方差分析显著性均小于0.05，说明模型具有较高拟合度和统计学意义。通过标准化回归系数比较，研究人员进一步确认各因素的重要性排序，并给出适用范围仅限于试验配比区间内的性能预测方程，为工程设计提供了定量工具。

在“Optimal formulation of RHCG”部分，研究人员按照CET工程需求建立了分层评价体系：以初凝时间为一级指标，流动性为二级指标，泌水率为三级指标，强度为四级指标。综合正交试验和回归分析结果，最终确定最优配比为水灰比0.9、BT 5%、AR 30%、WA 1%。该配比下，RHCG的流动度为12.8 cm，泌水率为3.07%，初凝时间为1.72 h，3 d抗压强度为6.9 MPa，28 d抗压强度为10.9 MPa，满足工程要求。

在“Strength development of optimized RHCG”部分，研究人员进一步对最优配比强度增长和破坏行为进行了分析。在“Failure mode analysis”中，研究人员将强度演化划分为三个阶段：0–1 d为快速水化阶段，抗压强度由0增至4.14 MPa；1–14 d为缓慢水化阶段，强度由4.14 MPa增至9.57 MPa；14–28 d为稳定提升阶段，强度进一步增至10.48 MPa。随着龄期增长，试样由早期结构疏松、裂缝扩展较慢，逐步转变为裂缝贯通明显、脆性破坏特征增强的状态。

在“Peak stress and peak strain”中，研究人员指出，4 h至1 d期间峰值应力快速上升，而峰值应变维持在较高水平，表明材料早期具有较高延性；1 d后随着水化持续进行和结构致密化，峰值应力持续升高而峰值应变逐渐降低，显示材料由柔性低强体系转变为高强脆性体系。

在“Dynamic elastic modulus and dynamic shear modulus”中，研究人员通过超声测试发现，动态弹性模量（Ed）和动态剪切模量（Gd）随龄期同步增长。0–1 d阶段Ed由2.96 GPa增至4.94 GPa，1–14 d阶段增至7.57 GPa，14–28 d阶段增幅趋缓。Gd/Ed约为0.35，说明材料在龄期增长过程中呈现较协调的剪切刚度与轴向刚度发展特征。研究人员据此认为，RHCG的时变动态模量与高速铁路路基修复所需的早期刚度形成和后期抗疲劳要求相匹配。

在“Microstructure analysis of RHCG”部分，研究人员从XRD、FTIR和SEM-EDS三个层面阐释了材料性能形成机制。在“XRD analysis”中，RHCG在1 d、3 d和28 d均呈现较一致的相组成，主要水化产物为CaCO₃、C–S–H和氢氧化钙。随养护龄期延长，C–S–H相关衍射特征增强，说明持续水化促进了凝胶产物积累并有助于力学稳定化。在“FTIR analysis”中，970 cm^?1处C–S–H凝胶相关吸收峰随龄期增强，表征持续水化和凝胶生成增加；880 cm^?1附近Al–O相关峰在1 d较显著，至28 d减弱，说明AR诱导的铝酸盐早期活化逐渐转化为稳定水化产物如AFt。在“SEM-EDS analysis”中，1 d时基体内仍存在较多5–20 μm孔隙，结构相对疏松；3 d时多数孔径减小至5 μm以下，纤维状C–S–H凝胶交织成网；28 d时形成高度致密的连续三维网络，AFt嵌入凝胶相中，BT层状结构与基体结合增强，Ca(OH)₂与C–S–H之间界面结合更强，共同支撑了28 d时10.9 MPa的抗压强度。

讨论部分表明，本研究通过正交试验、相关分析、回归建模与微观表征相结合，明确了水灰比与促凝剂AR是控制RHCG工作性、稳定性和凝结硬化行为的关键因素，并证明多目标协同优化是满足CET施工与服役双重要求的有效路径。研究结果显示，单一性能提升往往会牺牲其他指标，因此必须在流动性、低泌水、速凝和高早强之间寻求平衡。最优RHCG配比不仅满足高速铁路路基快速抬升的时效要求，还具备较好的后期强度与动态刚度发展潜力，为CET工程应用提供了材料基础和设计依据。

研究结论可概括为：该研究开发并优化了一种用于铁路地基沉降控制的速凝高早强水泥基灌浆材料。组分敏感性分析表明，水灰比和促凝剂AR对流动性与泌水率的影响显著大于其他因素，AR可在不损害28 d抗压强度的情况下将初凝时间有效缩短至约1 h。基于多元线性回归分析，初凝时间的影响排序为AR > W/C > WA > BT，流动性的影响排序为W/C > AR > BT > WA，所建立的性能预测模型具有较强适用性和预测精度。多目标优化确定的最优配比为W/C 0.9、BT 5%、AR 30%、WA 1%，其流动度12.8 cm、泌水率3.07%、初凝时间1.72 h、28 d抗压强度10.9 MPa，满足工程需求。抗压强度发展遵循快速水化、缓慢水化和稳定提升三个阶段，动态弹性模量与动态剪切模量同步增长，破坏模式由多裂缝演变为脆性断裂。微观分析表明，主要水化产物为CaCO₃与C–S–H凝胶，水泥基体、BT与AR通过C–S–H凝胶和AFt的形成实现结合，且AR显著加速了7 d内的水化进程并缩短凝结时间。