裝配式梁板節(jié)點復合改性砂漿材料機理

楊三強，曹紫龍，趙亞尊，劉璐，孫爽

(1.河北大學 建筑工程學院，河北省土木工程監(jiān)測與性能評估技術創(chuàng)新中心，河北 保定 071002；2.匯通路橋建設集團有限公司，河北 高碑店 074000)

隨著建筑工業(yè)的發(fā)展,裝配式混凝土結構因其施工簡便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點在全世界被大力推行.裝配式混凝土結構節(jié)點連接作為結構中最重要的一個部位,也被國內外的研究學者重點研究[1-2].然而復合改性砂漿材料在裝配式混凝土結構節(jié)點連接處的使用過程中經常會由于材料的損壞、粘結失效、收縮等問題造成節(jié)點連接處出現(xiàn)粘結滑移現(xiàn)象，從而影響橋梁結構的整體性[3].由于復合改性砂漿材料能夠提高節(jié)點連接的力學性能從而增強其承載力，并且在灌漿過程中不能振搗，為了保證不同材料之間的界面固結效應并且滿足裝配式橋梁結構的快速施工要求[4]，因此需要材料具有較高的流動性和抗壓強度.提高復合改性砂漿材料的強度可以進一步提高鋼筋與復合改性砂漿材料的咬合力，從而增強其固結性能[5].

為了提高復合改性砂漿材料的性能，國內學者對此做了大量的研究[6-11]，但是現(xiàn)有的材料仍然流動性差、強度發(fā)展慢，影響到使用壽命和結構穩(wěn)定性.因此，研究高性能的復合改性砂漿材料依然是現(xiàn)在所面臨的重要問題.目前河北雄安新區(qū)榮烏高速公路在修建過程中，部分裝配式混凝土結構節(jié)點間復合改性砂漿材料出現(xiàn)了破損、脫落等病害.為保證類似高速公路修建進程的正常進行，本研究對復合改性砂漿材料進行了材料機理與實驗研究，設計正交試驗，運用灰色關聯(lián)理論和多元回歸進行性能評價，為河北雄安新區(qū)榮烏高速的裝配式混凝土結構節(jié)點間復合改性砂漿材料的使用提供了重要的理論支撐和技術指導.

1 原材料與實驗方案設計

1.1 原材料

實驗用原材料見表1.

表1 實驗原材料

1.2 實驗方案設計

節(jié)點復合改性砂漿材料對摻水量及拌合時間都有嚴格要求，摻水量及拌合時間達不到要求會使節(jié)點復合改性砂漿材料的和易性變差，導致強度達不到要求的理想狀態(tài)[12].因此，在進行實驗前，首先根據(jù)計算數(shù)值判斷出所用的原材料和各因素的最大值、最小值.然后根據(jù)各因素的取值范圍選取合理的水平值.最后進行正交試驗，再對其方案進行流動度、抗壓強度實驗，得到最優(yōu)的實驗方案.

1.3 正交試驗設計

本試驗選取正交試驗極差分析法[13-14]，對于極差分析法，Ki表示任一列水平號為i所對應的試驗結果指標，則ki=Ki/3(i=1，2，3).極差R=max{k1，k2，k3}-min{k1，k2，k3}.R越大，說明該因素對試驗指標的影響越大，越重要[15].選取水膠比(A)、膠砂比(B)、礦物摻和料摻量(C)、礦物摻和料組合(D)4個因素，每個因素取4個水平，研究其對水泥基節(jié)點復合改性砂漿材料的流動性和強度的影響，并優(yōu)化選出最佳因素水平組合.選用正交表L20(44)進行正交試驗.正交試驗水平設置見表2，正交試驗設計見表3.

表2 正交試驗水平設置

表3 正交試驗配合比設計

2 實驗結果與分析

對試樣進行測試時，分別測試3組試樣的抗壓強度和流動度，取其均值作為最終的抗壓強度和流動度，節(jié)點復合改性砂漿材料的正交試驗結果見表4.

表4 正交試驗結果

2.1 節(jié)點復合改性砂漿材料流動度分析

根據(jù)上述的試驗結果對流動度進行極差分析，結果見表5.

表5 流動度結果分析

由圖1可知，水膠比從0.2增大到0.35，初始流動度增大了25.99 cm，30 min流動度增大了20.3 cm，當水膠比為0.35時，其流動度的損失最大為3.32 cm.這是因為在膠凝材料質量不變的情況下，隨著水的增加，節(jié)點復合改性砂漿材料的稀釋程度越來越高，但水膠比過大，會使節(jié)點復合改性砂漿材料出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，使節(jié)點復合改性砂漿材料的流動度損失逐漸增大；在礦物摻和料摻量中，隨著摻量的增加，0 min流動度先增加了8.6%，后減小了30%，這說明少量的礦物摻和料可以增大流動性，而過量的礦物摻和料會吸附大量的水分導致流動性的減少.當?shù)V物摻和料摻量為k2水平時，流動度損失值為3.39 cm達到最大.從流動性因素極差分析可以選出初始和30 min流動性的最佳組合為A4B4C2D4.

a.0 min;b.30 min.圖1 節(jié)點復合改性砂漿材料極差影響因素Fig.1 Influence factors of poor fluidity of assembled grout material

2.2 節(jié)點復合改性砂漿材料抗壓強度分析

根據(jù)上述的實驗結果對節(jié)點復合改性砂漿材料抗壓強度進行極差分析，結果見表6所示.

表6 抗壓強度

由圖2可知，隨著水膠比的增加，1d抗壓強度也在逐漸增加，3d和28d抗壓強度隨著水膠比的增加明顯先增大后減小.當水膠比為0.3時，3d和28d抗壓強度均達到最大值分別為44.39MPa和63.28MPa,這是因為適量的水膠比，使水化反應逐漸增加，抗壓強度逐漸升高，但是過量的水膠比使拌和物中骨料出現(xiàn)沉降，從而造成離析現(xiàn)象，使得強度降低；在礦物摻和料組合中，當粉煤灰和硅灰混摻且比例相同時，其3d和28d抗壓強度達到了最大值，分別為51.23MPa和59.85MPa.從表6中看出，當比例不同時，其3d和28d抗壓強度明顯降低.這說明當摻量k2水平、組合為k4水平時，2種外摻料相互作用最為劇烈，當摻量超過k2水平時，抗壓強度開始減小.由此可以說明單個摻量的抗壓強度遠小于混合摻量的抗壓強度，其最少相差13%.因此從抗壓強度中可以得出其最佳因素組合為A3B2C2D4.

a.1 d;b.3 d;c.28 d.圖2 節(jié)點復合改性砂漿材料抗壓強度極差影響因素Fig.2 Influence factors of extremely poor compressive strength of grout

綜上所述，以3 d時的強度為主要因素，流動性為參考指標，得出水膠比、膠砂比、礦物摻和料摻量、礦物摻和料組合的最佳因素組合為A3B2C2D4.

2.3 灰色關聯(lián)理論分析

灰色系統(tǒng)理論[16-17]主要通過有限數(shù)據(jù)尋找未知系統(tǒng)聯(lián)系,作為一種多屬性決策工具[18],可在不完全的數(shù)據(jù)中對各因素數(shù)據(jù)進行計算,尋找隨機因素序列的關聯(lián)性,找到對結果的主要影響因素.數(shù)據(jù)處理后結果見表7.

表7 均值化處理各因素與各性能的灰色關聯(lián)度

由表7可知，水膠比對流動度和強度的相關性均最高，說明對于節(jié)點復合改性砂漿材料而言，改變水膠比能極大地改變流動性和強度；膠砂比對流動性和強度的相關性僅次于水膠比；礦物摻和料摻量對流動性和強度的相關性最低.因此，根據(jù)灰色關聯(lián)理論可知各因素對節(jié)點復合改性砂漿材料的影響性能強弱排序為：水膠比>膠砂比>礦物摻和料摻量.

就流動性而言，水膠比的損失量為0.09%，膠砂比的損失量為4.3%，礦物摻和料摻量的損失量為4.5%，根據(jù)損失量數(shù)據(jù)可以看出，水膠比的損失量最小，而礦物摻和料摻量和膠砂比的損失量相差不大.由此可以說明，各因素對復合改性砂漿材料的損失量越小，其影響性能越高，所以在復合改性砂漿材料配制實驗時，應首先注意水膠比對節(jié)點復合改性砂漿材料的影響.

2.4 多元線性回歸分析

由上述的極差分析和灰關聯(lián)分析可知，水膠比和膠砂比是對節(jié)點復合改性砂漿材料影響較大的因素，為了更好地研究2因素對流動度和抗壓強度的影響趨勢，采用數(shù)理統(tǒng)計(SPSS)對實驗數(shù)據(jù)進行多元回歸分析[19-21]，其流動度顯著水平見表8,抗壓強度顯著水平見表9.

表8 流動度顯著水平

由表8可知，水膠比和膠砂比在流動度中顯著性差值均較低，但初始流動度的顯著性差值比30 min流動度增大19.1%，這說明節(jié)點復合改性砂漿材料隨時間的增加顯著性在減少，可靠度在逐漸增加.根據(jù)回歸模型Y=a+bx1+cx2，可得節(jié)點復合改性砂漿材料的流動性線性方程，其中Y為流動度，x1為水膠比，x2為膠砂比，a、b、c為回歸系數(shù)，從而得出初始流動度的線性回歸方程Y1=-4.182+6.748x1+1.883x2，30 min流動度的線性回歸方程Y=-4.712+6.067x1+1.804x2.根據(jù)多元回歸線性方程可以看出流動性與水膠比和膠砂比呈正相關.流動度回歸分析的相關系數(shù)分別為0.899和0.909，說明流動度與2個變量之間有很大的相關性，擬合度高，擬合效果好[22].

表9 抗壓強度顯著水平

由表9可知，水膠比和膠砂比在抗壓強度中顯著性差值均較高.但相比之下，28 d抗壓強度的顯著性差值最大，3 d抗壓強度的顯著性最小.隨著齡期的增加顯著性差值呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢，說明在3 d抗壓強度時可靠度最高.根據(jù)回歸模型可以得出節(jié)點復合改性砂漿材料抗壓強度的線性回歸方程.1 d抗壓強度線性回歸方程為Z1=5.217+6.36x1+0.672x2，3 d抗壓強度線性回歸方程為Z2=11.654+7.47x1+1.969x2，28 d抗壓強度回歸方程為Z3=13.165+13.756x1+0.406x2，Z為抗壓強度，根據(jù)多元回歸線性方程可以看出抗壓強度與水膠比和膠砂比呈正相關.抗壓強度線性回歸的相關系數(shù)分別為0.960、0.986和0.848，說明抗壓強度與2個變量之間有很大的相關性，擬合度高，擬合效果好.

3 結論

本文采用正交試驗、灰關聯(lián)理論和多元回歸分析方法，以節(jié)點復合改性砂漿材料的流動度以及抗壓強度為指標依據(jù)，研究了水膠比、膠砂比、礦物摻和料摻量、礦物摻和料組合對節(jié)點復合改性砂漿材料性能的影響，得出以下結論：

1)以3 d抗壓強度為主要指標，1 d、28 d抗壓強度和流動性為參考依據(jù)，可以得出裝配式混凝土結構節(jié)點復合改性砂漿材料的最佳因素組合為A3B2C2D4，水膠比為0.30～0.35，膠砂比為1.20～1.30，礦物摻和料摻量粉煤灰和硅灰質量比為0.20～0.30.

2)由正交試驗可以看出，隨著水膠比的增大，流動性也逐漸增大，當水膠比為0.20的時候，其流動度增加了35.4%；當其水膠比為0.30的時候，抗折和抗壓強度最高，抗折強度為10.84 MPa，抗壓強度為44.39 MPa.

3)水膠比對節(jié)點復合改性砂漿材料的流動性和強度的灰色關聯(lián)度均高于其他因素，因此，應當優(yōu)先考慮水膠比對節(jié)點復合改性砂漿材料的影響，以期快速得到節(jié)點復合改性砂漿材料的最佳配合比.

4)通過多元線性回歸分析得出了水膠比和膠砂比分別與流動性和抗壓強度的線性回歸模型，在流動度中影響較大的是30 min流動度，其線性回歸方程為Y=-4.712+6.067x1+1.804x2；在抗壓強度中影響較大的為3 d抗壓強度，其線性回歸方程為Z=11.654+7.47x1+1.969x2.