不同試模對灌漿料早期抗壓強度影響試驗研究

陳大川 李亮如 彭勃 林悅慈

摘 ? 要：采用統(tǒng)一的原材料、配合比、養(yǎng)護條件制作了3種不同試模、6個不同齡期的216個水泥基灌漿料試塊，在相同的加載條件下進行了抗壓強度測定，研究了在6個不同齡期下，不同試模對水泥基灌漿料試塊早期抗壓強度的影響及不同試模下抗壓強度換算系數(shù). 得出了第Ⅲ類水泥基灌漿料在標準養(yǎng)護條件下尺寸為40 mm×40 mm×160 mm棱柱體標準試塊與尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體非標準試塊的早期抗壓強度換算系數(shù)和第Ⅳ類水泥基灌漿料在標準養(yǎng)護條件下尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體標準試塊與尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體非標準試塊的早期抗壓強度換算系數(shù). 分析各個早期強度換算系數(shù)變化規(guī)律，得出可供實際工程參考的換算系數(shù).

關(guān)鍵詞：灌漿料;早期抗壓強度;不同試模;換算系數(shù)

中圖分類號：TU526 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract：In this test， 216 cement-based grouting test blocks with 3 different test models and 6 different ages were made using uniform raw materials， mixing ratios， and curing conditions. The compressive strength was measured under the same loading conditions. The effects of different test models on the early compressive strength of cement-based grout test blocks and the conversion coefficients of compressive strength under different test models were studied at six different ages. The conversion coefficients of early compressive strength of the standard test block with the size of 40 mm×40 mm×160 mm prism and the non-standard test block with the size of 150mm×150mm×150mm under standard curing conditions are obtained， and the conversion coefficients of early compressive strength of the standard test block with the size of 100 mm×100 mm×100 mm cube and the non-standard test block with the size of 150 mm×150 mm×150 mm under the standard curing conditions of the Class IV cement-based grout are obtained. The change rule of each early strength conversion coefficient was analyzed， and the conversion coefficient was obtained which can be used as a reference for practical engineering application.

Key words：grouting material;early compressive strength;different test models;conversion coefficient

國外學者對灌漿料的研究較早，世界上最早的灌漿料起源于1802年的法國，為法國工程師Charles Berling為加固砌筑墻體所創(chuàng)造，距今已有200余年. 隨后該技術(shù)不斷傳入其他國家[1]. ?水泥基灌漿料由高強膠結(jié)材料、多種功能外加劑和精選骨料等組成，具有超強黏結(jié)、早強、高強、微膨脹、大流動性等優(yōu)點[2]，多用于混凝土結(jié)構(gòu)加固、補強、修復(fù). 灌漿料的強度除與膠結(jié)材料、外加劑等各項因素有關(guān)外，與其幾何尺寸、幾何形狀等變化也密切相關(guān). 同時，隨著灌漿料在加固工程中的應(yīng)用日益廣泛，為了確保施工進度及安全，工程對灌漿料早期抗壓強度的要求也越來越高.

《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50448—2015）[3]中將灌漿料分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類，用于結(jié)構(gòu)加固的主要為Ⅲ類和Ⅳ類. 當水泥基灌漿材料的最大骨粒粒徑大于4.75 mm且不大于25 mm時，稱之為第Ⅳ類灌漿料，抗壓強度標準試件應(yīng)采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊. 當水泥基灌漿材料的最大骨粒粒徑小于4.75 mm時，稱之為第Ⅲ類灌漿料，抗壓強度標準試件應(yīng)采用尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試塊.

隨著水泥基灌漿料的應(yīng)用與發(fā)展，為了保證施工進度以及結(jié)構(gòu)的安全性，需要對其進行早期抗壓強度的現(xiàn)場檢測，回彈法作為一種無損檢測方法，因為操作簡單靈活、適用范圍廣等優(yōu)點[4]，已成為我國工程建設(shè)中質(zhì)量檢測的重要方法. 在制作灌漿料早期抗壓強度回彈測強曲線時[5]，由于標準試塊尺寸過小，為方便在試塊壓力機上進行回彈，無法使用標準尺寸試塊，參考《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 23—2011）[6]，往往選擇150 mm立方體試塊作為試驗對象，而第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料的標準試件應(yīng)分別采用尺寸40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體和100 ?mm×100 ?mm×100 mm的立方體，因此有必要對這兩類加固灌漿料進行不同試模尺寸下試件的抗壓強度分析，為回彈試驗提供參考依據(jù).

長期以來對于加固灌漿料的研究集中在配合比和材料基本性能方面，對其力學性能研究報道很少，僅吳元等人[7]研究了豆石型灌漿料的立方體抗壓強度尺寸效應(yīng)并得出150 mm立方體試塊與100 mm立方體試塊的抗壓強度換算系數(shù)為0.82，張磊等人[8]采用3種不同加固灌漿料，研究了150 mm立方體試塊與100 mm立方體試塊的抗壓強度換算系數(shù)范圍為0.81～0.87，平均值為0.84，隨抗壓強度提高，換算系數(shù)規(guī)律性降低. 熊楊等人[9]通過研究尺寸為20～50 mm的正方體、圓柱體和棱柱體試件的破壞形態(tài)和抗壓強度發(fā)現(xiàn)，灌漿料試件的形狀對其抗壓強度的影響比較明顯，而尺寸的影響不顯著. 楊偉軍等人[10]對砂漿試塊進行單軸抗壓試驗，得出砂漿立方體試件抗壓強度尺寸效應(yīng)現(xiàn)象較明顯，并得出了邊長100 mm、150 mm及200 mm立方體試件抗壓強度與標準試件抗壓強度值之間的換算系數(shù).

本文考慮到目前沒有明確可供工程實踐參考的水泥基灌漿料在使用不同試模時試塊抗壓強度換算系數(shù)，針對回彈試驗和某些實際工程中對灌漿料早期強度的需求，得出了灌漿料在使用不同試模時試塊早期抗壓強度換算系數(shù)，供工程實踐參考.

1 ? 試驗概況

1.1 ? 試驗用加固灌漿料

試驗用灌漿料選用由本地某特種加固材料制造商生產(chǎn)的HPG-A灌漿料，其主要性能參數(shù)見表1.

1.2 ? 試件成型尺寸及組數(shù)

本試驗分別對第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料進行了不同試模對其抗壓強度的影響研究，試驗中第Ⅳ類灌漿料采用幾何相似試件[11]，以尺寸為100 ?mm×100 ?mm×100 mm的立方體試件為標準試件，以尺寸為150 ?mm×150 ?mm×150 mm的立方體試件為非標準試件. 第Ⅲ類灌漿料采用非幾何相似試件，以尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件為標準試件，以尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件為非標準試件. 以標準試件和非標準試件抗壓強度進行對比來分析不同試模對抗壓強度產(chǎn)生的影響. 為了得到此種灌漿料的各個齡期強度等級，采用同等原材料、配合比以及養(yǎng)護條件來控制. 第Ⅲ類灌漿料按1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d 共6個齡期，每個齡期分別成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體標準試件和尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的立方體非標準試件3組，每組3個試塊. 第Ⅳ類灌漿料按1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d共6個齡期，每個齡期分別成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體標準試件和尺寸為150 mm×150 mm×150 mm立方體非標準試件3組，每組3個試塊. 試件成型尺寸及組數(shù)見表2.

1.3 ? 試件成型及養(yǎng)護

按照灌漿料的推薦用水量（每50 kg灌漿料加水6.5 L）加水，本試驗第Ⅲ類灌漿料不摻骨料，第Ⅳ類灌漿料按所添加灌漿料質(zhì)量的40%添加骨料，骨料采用5～16 mm連續(xù)級配的卵石. 在300 L立式強制式攪拌機拌合均勻后，隨機灌入相應(yīng)試模，磨平，置于養(yǎng)護溫度為（20±2） ℃、相對濕度為95%的標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護.

1.4 ? 試驗注意事項及要求

1）試塊加壓加載速率：對試件而言，加載速率越大得到的強度就越高，對各試塊統(tǒng)一采取5 kN/s的加載速率，控制因不同加載速率引起的強度誤差.

2）試塊的制作及養(yǎng)護：與普通混凝土相比，水泥基灌漿料的強度上升更快，用水量則小得多，因此養(yǎng)護條件對水泥基灌漿料的影響比對普通混凝土要大，要嚴格控制在溫度為（20±2） ℃、相對濕度為95%的標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護.

3）試驗設(shè)備和精度：試驗時，要求試件中心和壓力機中心要對準，壓力機所有的平板必須平整，一是保證壓板表面的平整度，二是壓板必須具有一定的剛度以及表面硬度，否則對試驗結(jié)論都會產(chǎn)生不同程度的影響. 試驗前應(yīng)對壓力機進行維修檢驗.

4）人為因素：攪拌不均、振搗不勻等都會對其強度產(chǎn)生不同程度的影響. 試塊制作過程中，應(yīng)嚴格保證每批試塊的質(zhì)量，對灌漿料、水、骨料的用量嚴格控制，并在攪拌時，邊加灌漿料邊加水，在保證攪拌均勻的同時保證攪拌時間不少于300 s，攪拌完成后裝模，對試塊進行輕微人工振搗.

5）嚴格保證每個齡期強度等級的灌漿料試塊出自于同一車攪拌機，嚴格保證各個不同齡期強度的灌漿料試塊配合比一致.

1.5 ? 試驗裝置及破型

對尺寸為150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，抗壓試驗時采用WHY-2000型壓力試驗機. 抗壓試驗過程嚴格按照標準試驗方法進行操作，各試件均采用相同的5 kN/s加載速率，以避免不同的加載速率對試件的抗壓強度產(chǎn)生影響. 對尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試塊抗壓試驗采用TYA-300B型微機控制恒加載抗折抗壓試驗機，抗壓試驗裝置如圖1所示.

2 ? 試驗結(jié)果

2.1 ? 抗壓強度一元方差分析

為了驗證不同試模對水泥基灌漿料抗壓強度有無顯著性影響，現(xiàn)對其不同試模成型試塊抗壓強度進行一元方差分析[12]. ?假定本次試驗數(shù)據(jù)均來自正太母體，以第Ⅳ類水泥基灌漿料28 d齡期時強度為例進行分析，試塊尺寸有2種水平，D1：100 mm×100 mm×100 mm，D2：150 mm×150 mm×150 mm. 試件抗壓強度見表3.

利用數(shù)理統(tǒng)計知識，假定2個母體的方差相等，假設(shè)H0：μ1 = μ2，其中μ1、 μ2為2個母體的平均值，用9個子樣來檢驗上述假設(shè)是否成立. 給定顯著性水平α = 5%，方差分析見表4.

對本齡期中的灌漿料試件，r = 2，n1 = n2 = 9，n = 18，Xij表示每個子樣的值，X1 = 75.7，X2 = 72.1，X =73.9，經(jīng)計算可得以下方差分析表，見表5.

查數(shù)理統(tǒng)計中 F 分布上側(cè)分位數(shù)表，F(xiàn)0.05（1，16）= 4.49，因為 F > F0.05（1，16），故拒絕 H0，即認為第Ⅳ類料28 d齡期時試塊試模不同對灌漿料試塊的抗壓強度有顯著性影響. 同理，對其他齡期下的第Ⅲ類、第Ⅳ類灌漿料試塊抗壓強度進行一元方差分析，結(jié)果見表6.

綜合以上對同一加載速率下灌漿料試塊進行的一元方差分析可看出，1 d、3 d齡期時F>F0.05（1，16），因為試塊強度處于不穩(wěn)定上升期，雖說各尺寸試塊強度均值有差異，但組內(nèi)數(shù)據(jù)比較分散，組內(nèi)離差平方和比較大，因此不同試模對試塊強度影響相對來說比較小，即影響效果不顯著. 7 d、14 d、21 d、28 d齡期時F>F0.05（1，16），因為試塊強度趨于穩(wěn)定，所以不同試模對灌漿料試塊的抗壓強度有顯著性影響.

2.2 ? 不同試模對抗壓強度影響分析

水泥基灌漿料抗壓強度各齡期實測均值如表7、表8及圖2所示，表中試件編號采用x-y的形式表示，其中x表示試件的齡期，y表示試件尺寸. 例如，1-150表示為試件齡期為1 d，試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.

由表7、表8可知，各試件抗壓強度的變異系數(shù)均小于15%，表明試驗結(jié)果的離散性在正常范圍之內(nèi)，可通過求均值的方法得出各齡期強度. 從圖2可得出：1）不同試模對灌漿料試塊抗壓強度有明顯影響，第Ⅲ類料40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試件試塊強度明顯高于150 mm×150 mm×150 mm立方體試件試塊強度，第Ⅳ類料100 mm×100 mm×100 mm立方體試件試塊強度明顯高于150 mm×150 mm×150 mm立方體試件試塊強度. 2）第Ⅲ、Ⅳ類料在前7 d強度增長較快，7 d可達到28 d強度的80%以上，7 d后強度逐漸趨于穩(wěn)定，并且第Ⅳ類料各齡期強度明顯小于第Ⅲ類料. 3）在1 d、3 d齡期時，組內(nèi)數(shù)據(jù)較分散，不同試模對試塊抗壓強度影響較小，在7 d齡期后，試塊強度開始趨于穩(wěn)定，不同試模對試塊抗壓強度影響較顯著，并且第Ⅳ類料比第Ⅲ類料對于這種影響表現(xiàn)更明顯.

2.3 ? 抗壓強度換算系數(shù)計算

為了表述不同試模對試件抗壓強度的影響程度，引入抗壓強度換算系數(shù)，定義灌漿料不同試模間試件抗壓強度換算系數(shù)，第Ⅲ類料換算系數(shù)見式（1），第Ⅳ類料換算系數(shù)見式（2）.

γcc，40 = fcc，40 / fcc，150 ， ? ? ?（1）

γcc，100 = fcc，100 / fcc，150 . ? ? ?（2）

式中：fcc，40、 fcc，100、 fcc，150分別對應(yīng)尺寸40 mm×40 mm×160 mm棱柱體、100 mm×100 mm×100 mm 立方體和150 mm×150 mm×150 mm立方體試件的抗壓強度，則兩類加固灌漿料的各齡期抗壓強度標準試塊與非標準試塊間換算系數(shù)見表9、表10.

從表9中可得出第Ⅲ類灌漿料標準尺寸試塊與非標準尺寸試塊間抗壓強度換算系數(shù)在各個齡期時變化較小，出于安全儲備，可選取1.03作為第Ⅲ類灌漿料處于早期強度時，40 mm×40 mm×160 mm標準試塊與150 mm×150 mm×150 mm 非標準試塊的抗壓強度換算系數(shù)，即標準試塊抗壓強度約為非標準試塊抗壓強度的103%.

從表10中可得出第Ⅳ類灌漿料100 mm×100 mm×100 mm標準試塊與150 mm×150 mm×150 mm非標準試塊的抗壓強度換算系數(shù)在7 d齡期時最大，并隨著強度的增加，換算系數(shù)逐漸減小.

2.4 ? 試驗結(jié)果影響因素分析

對于第Ⅳ類灌漿料，本試驗選用的100 mm×100 mm×100 mm標準試塊和150mm×150 mm×150 mm非標準試塊為幾何相似試塊. 在統(tǒng)一原材料，相同配合比和養(yǎng)護條件下，考慮不同試模引起的抗壓強度差值主要是由試塊尺寸大小，即尺寸效應(yīng)引起的，由于添加粗骨料的原因，第Ⅳ類料內(nèi)部孔隙和初始裂縫較多，尺寸效應(yīng)對抗壓強度影響較明顯，即隨著試件尺寸的增大，抗壓強度值減小.

對于第Ⅲ類灌漿料，本試驗選用的40 mm×40 mm×160 mm標準試塊和150 mm×150 mm×150 mm非標準試塊為非幾何相似試塊. 在統(tǒng)一原材料，相同的配合比和養(yǎng)護條件下，考慮不同試模引起的抗壓強度差值除了與尺寸大小相關(guān)，還與試塊形狀、邊界約束效應(yīng)、不同試驗機誤差等因素相關(guān)，因此后期可對尺寸大小、形狀等自變量進行單獨對比驗證分析，得出各個自變量對抗壓強度的影響.

3 ? 結(jié) ? 論

本試驗對《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（GB/T 50448—2015）中所規(guī)定的第Ⅲ類、第Ⅳ類灌漿料進行抗壓強度尺寸效應(yīng)試驗研究，通過分析72組抗壓強度數(shù)值得出如下結(jié)論：

1）第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料在前7 d強度增長較快，7 d可達到28 d強度的80%以上，7 d后強度逐漸趨于穩(wěn)定，并且添加骨料的第Ⅳ類料各齡期強度明顯小于未添加粗骨料的第Ⅲ類料.

2）對試驗數(shù)據(jù)進行一元方差分析得出，第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料在1 d、3 d齡期時，抗壓強度處于迅速上升期，強度不穩(wěn)定，強度數(shù)據(jù)比較離散、方差相對較大，使用不同試模對試塊抗壓強度影響相對較小.

3）試驗表明，7 d齡期開始，第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料抗壓強度開始趨于穩(wěn)定，使用不同試模對試塊抗壓強度有明顯影響. 出于安全儲備，可選取1.03作為第Ⅲ類灌漿料處于早期強度時，40 mm×40 mm×160 mm標準試塊與150 mm×150 mm×150 mm 非標準試塊的抗壓強度換算系數(shù)，即標準尺寸試件抗壓強度為非標準試件抗壓強度的103%. 第Ⅳ類灌漿料100 mm×100 mm×100 mm標準試塊與150 mm×150 mm×150 mm非標準試塊的抗壓強度換算系數(shù)在7 d齡期時最大，并隨試塊強度增加，換算系數(shù)逐漸減小. 在7 d齡期時，標準尺寸試件抗壓強度為非標準試件抗壓強度的111%，在14 d齡期時，標準尺寸試件抗壓強度為非標準試件抗壓強度的109%，在28 d齡期時標準尺寸試件抗壓強度為非標準試件抗壓強度的105%.

4）本試驗數(shù)據(jù)可為制作第Ⅲ、Ⅳ類水泥基灌漿料早期抗壓強度回彈測強曲線時提供理論參考.

5）本試驗數(shù)據(jù)供第Ⅲ、Ⅳ類水泥基灌漿料加固實際工程，特別是對早期強度有要求的實際工程借鑒參考.

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