水泥基灌漿料施工期力學性能試驗研究*

王應生, 潘保學, 仲 帥, 胡曉鵬

(1 西安建筑科技大學土木工程學院，西安 710055；2 西安建筑科大工程技術有限公司，西安 710055)

0 引言

水泥基灌漿料(cementitious grout material, CGM)是由水泥,集料(或不含集料),外加劑(調(diào)凝劑、塑化劑、膨脹劑等)和礦物摻合料等原材料按照合理級配混合而成。與普通混凝土相比,水泥基灌漿材料具有強度較高、早期強度發(fā)展快、流動性好、微膨脹、易于施工等優(yōu)點[1-2],常用于地腳螺栓錨固、預制裝配式構件連接、結(jié)構構件加固、預應力孔道灌漿等情況[3-6]。

目前水泥基灌漿料材料性能方面的研究大多集中在新材料開發(fā)、優(yōu)化方面[7-8]。灌漿料力學性能指標與加水量有關[9-10],灌漿料尺寸效應與骨料、水膠比有關[11]。水膠比和膠砂比是影響灌漿料結(jié)構性質(zhì)的主要因素[12-13],不同配合比的水泥基灌漿料在H2S環(huán)境下產(chǎn)生的影響不同[14]。水泥基灌漿料研究大多局限在抗壓強度,其他力學性能指標的研究較少;目前的研究大多未考慮齡期的影響,水泥基灌漿料施工期力學性能發(fā)展規(guī)律尚不清楚,理論研究的部分缺失阻礙了水泥基灌漿料在實際工程中的科學使用。

本文通過試驗研究了水泥基灌漿料施工期力學性能指標的發(fā)展規(guī)律,并對比了灌漿料、同強度混凝土性能發(fā)展差異。

1 試驗概況

1.1 試件尺寸

參照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)和《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999),確定了Ⅰ(CGM-380)、Ⅱ(CGM-340)、Ⅲ(CGM-300)、Ⅳ(CGM-270)四類灌漿料和C60混凝土力學性能的試件尺寸,見表1。立方體抗壓強度、抗折強度、泊松比、應力-應變關系的測試是3個試件為1組,靜彈性模量的測試是6個試件為1組,泊松比測試僅制作養(yǎng)護齡期為28d的試件。

表1 試件尺寸/mm

1.2 試驗材料

(1)水泥基灌漿料

本次試驗采用了北京某公司生產(chǎn)的四種水泥基灌漿料。

Ⅰ類灌漿料由800目以上超細水泥、膨脹劑、減水劑等組成;Ⅱ類灌漿料由400目以上超細水泥、膨脹劑、減水劑等組成;Ⅲ類灌漿料由425水泥、級配石英砂、膨脹劑、減水劑等組成;Ⅳ類灌漿料由325水泥、石粒骨料、膨脹劑、減水劑等組成。灌漿料加水量按照產(chǎn)品合格證推薦用量添加,Ⅰ～Ⅳ類灌漿料加水量分別為32%、16%、12.5%、9.5%。

按照《水泥基灌漿材料》(JC/T 986—2018)及《水泥基灌漿材料應用技術規(guī)范》(GB/T 50448—2015)分別進行流動度、細度及豎向膨脹率等基本性能試驗,試驗結(jié)果見表2,本次使用的四類灌漿料各項指標均符合規(guī)范要求。

表2 灌漿料材料主要性能指標

(2)C60混凝土

水泥為陜西某公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥(P·O42.5),粗骨料為花崗巖碎石,細骨料為灃河河砂,高效減水劑采用TC-PCA聚羧酸系高性能減水劑?；炷僚浜媳纫姳?。

表3 混凝土配合比/(kg/m3)

1.3 試件制作與試驗方法

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水泥基灌漿料利用JJ-5型行星式水泥膠砂攪拌機進行攪拌,Ⅳ類水泥基灌漿料、C60混凝土采用SJD30型強制式單臥軸混凝土攪拌機進行攪拌。澆筑入模的試件放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護24h后拆模。拆模后繼續(xù)標準養(yǎng)護至試驗齡期。

按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行立方體抗壓強度的測試。按照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)進行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水泥基灌漿料抗折強度的測試;按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行Ⅳ類灌漿料及C60混凝土抗折強度的測試。按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)進行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類水泥基灌漿料靜彈性模量和泊松比的測試。按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019)進行Ⅳ類水泥基灌漿料及C60混凝土靜彈性模量和泊松比的測試。

根據(jù)《水泥基灌漿材料應用技術規(guī)范》(GB/T 50448—2015)和《混凝土物理力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2019),采用3 000kN萬能液壓試驗機進行軸壓試驗。采用位移控制加載,加載速率為0.2mm/min。試驗過程中使用TDS-602數(shù)據(jù)采集儀采集試件的軸向荷載、軸向變形。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 立方體抗壓強度

試驗過程中發(fā)現(xiàn),Ⅰ類灌漿料呈現(xiàn)明顯脆性破壞特征,試件破壞過程較快,破壞時崩裂聲較大并且有碎塊彈出,破壞形態(tài)為正倒相連的四角錐;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類灌漿料立方體抗壓試件的整個破壞過程與C60混凝土試件的破壞過程差別不大,試件破壞時均能聽到崩裂的響聲,破壞后試件整體性較好,棱邊形成縱向裂縫,表面外鼓剝落;隨著齡期的增長,灌漿料試件脆性破壞特征更為突出。養(yǎng)護28d后測得的四類灌漿料與C60混凝土立方體抗壓強度試件的典型破壞形態(tài)見圖1。

圖1 立方體抗壓試件典型破壞形態(tài)

圖2給出了立方體抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律?？梢钥闯?1)隨著養(yǎng)護齡期的增長,四類灌漿料及C60混凝土立方體抗壓強度增長趨勢基本相似,均表現(xiàn)為早期增長快、后期增長慢并逐漸趨于穩(wěn)定的特征。2)與C60混凝土相比,灌漿料立方體抗壓強度整體表現(xiàn)出較好的早強性能;1d內(nèi)立方體抗壓強度增長速度由快至慢依次為Ⅳ類、Ⅲ類、Ⅰ類、C60混凝土、Ⅱ類,且1d立方體抗壓強度分別達到了28d抗壓強度的42.84%、38.14%、36.31%、34.62%、32.08%;7d灌漿料強度增長速率明顯快于C60混凝土,四類灌漿料的7d立方體抗壓強度均已超過28d強度的80%,Ⅳ類灌漿料增長速率最快,達到了28d強度的89.68%,而C60混凝土則為28d強度的78.86%。

圖2 立方體抗壓強度隨齡期的變化曲線

2.2 抗折強度

試驗過程中發(fā)現(xiàn),Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類水泥基灌漿材料與C60混凝土在抗折加載過程中均表現(xiàn)為“一裂即壞”,具有明顯的脆性破壞特征。Ⅰ類灌漿料斷裂面光滑、平整;Ⅱ、Ⅲ類灌漿料因含有少量纖維,破壞面并非完全斷裂,斷裂后截面含有顆粒較小的粗骨料;Ⅳ類灌漿料及C60混凝土斷裂面含有大粒徑粗骨料;隨著齡期的增長,脆性破壞特征更為突出。養(yǎng)護28d后測得的四類灌漿料與C60混凝土棱柱體試件的典型抗折破壞形態(tài)見圖3。

圖3 抗折試件典型破壞形態(tài)

圖4分別給出了四類水泥基灌漿材料及C60混凝土抗折強度隨養(yǎng)護齡期的變化曲線。可以看出:1)隨著養(yǎng)護齡期的增長,四類灌漿料及C60混凝土抗折強度增長趨勢均表現(xiàn)出先快后慢的特征。Ⅳ類灌漿料和C60混凝土的抗折強度發(fā)展較快,齡期1d時,抗折強度分別達到了28d抗折強度的67.78%和69.16%;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類灌漿料的1d抗折強度分別為28d的41.03%、41.67%、48.74%。Ⅳ類灌漿料和C60混凝土在3d時抗折強度分別達到28d的81.26%和77.33%;7d后各類灌漿料和C60混凝土的抗折強度增速減緩。2)Ⅰ～Ⅳ類灌漿料抗折強度均高于C60混凝土,相比于C60混凝土抗折強度分別提高了2.90%、44.22%、57.80%、8.42%,表現(xiàn)出了優(yōu)越的抗折性能。

圖4 抗折強度隨齡期的變化曲線

2.3 靜彈性模量

與C60混凝土相比,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類灌漿料的軸心抗壓過程表現(xiàn)出明顯的差異。四類灌漿料試件達到峰值荷載后發(fā)生崩裂,立即喪失承載力,表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征,破壞時均伴有很大的崩裂聲,并有碎塊彈出;試件破壞形態(tài)表現(xiàn)為劈裂破壞、剪切破壞和介于二者之間的以劈裂破壞為主的破壞。C60混凝土試件破壞時,在斜向貫通裂縫所在的平面處有較多混凝土碎塊脫落,沿著最大剪應力面發(fā)生斜截面剪切破壞,破壞時伴有較大的崩裂聲。隨齡期的增長,脆性破壞特征更為突出。養(yǎng)護28d后測得的四類灌漿料與C60混凝土棱柱體試件的軸心抗壓試驗典型破壞形態(tài)見圖5。

圖5 靜彈性模量試件典型破壞形態(tài)

圖6給出了靜彈性模量隨養(yǎng)護齡期的變化曲線?？梢钥闯?1)四類灌漿料及C60混凝土隨齡期變化趨勢基本相似,7d內(nèi)靜彈性模量增長速率較快,隨后增長速度變緩。Ⅳ類灌漿料及C60混凝土1d時靜彈性模量分別為28d的36.90%、29.81%,而Ⅰ～Ⅲ類灌漿料則達到28d的12%～19%;Ⅰ～Ⅳ類灌漿料和C60混凝土7d靜彈性模量分別為28d的74.87%、71.99%、69.08%、73.81%、75.44%。2)由于灌漿料骨料粒徑的影響,四類灌漿料28d的彈性模量均明顯低于C60混凝土,C60混凝土28d靜彈性模量分別是Ⅰ～Ⅳ類灌漿料的3.29、2.44、1.38和1.09倍。

圖6 靜彈性模量隨齡期的變化曲線

2.4 泊松比

齡期28d的灌漿料及C60混凝土泊松比試驗結(jié)果見表4?？梢钥闯?隨著灌漿料流動度的減小、材料顆粒的增大,Ⅰ類灌漿料到Ⅳ類灌漿料泊松比逐漸增大;整體上看,四類灌漿料泊松比與C60混凝土相差不大。

表4 28d齡期的灌漿料及C60混凝土泊松比

2.5 單軸受壓應力-應變關系

養(yǎng)護28d后測得的四類灌漿料與C60混凝土單軸受壓試驗典型破壞形態(tài)見圖7。齡期1d、2d、3d的灌漿料試件裂紋首先出現(xiàn)在試件棱角處;隨著載荷增加,裂紋寬度逐漸增大并上下延伸;試件在邊角裂紋穿透后破壞,破壞過程呈現(xiàn)一定的塑性破壞特征。齡期3d及以上的灌漿料試件中間先出現(xiàn)垂直裂紋,然后裂紋繼續(xù)延伸發(fā)展,裂紋寬度增加;隨著載荷的增加,主要裂紋逐漸穿透,破壞時有碎片爆裂,爆裂聲很大,破壞過程呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征。對比水泥基灌漿料試件與C60混凝土試件的破壞特征發(fā)現(xiàn),灌漿料試件(尤其是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類)的裂紋發(fā)展階段較短,試件更容易開裂,其承載能力在達到峰值應力后迅速喪失,破壞后試件整體性較差;破壞時,穿過破壞面的骨料發(fā)生分裂,骨料與灌漿料之間無內(nèi)聚破壞,破壞面光滑。

單軸受壓下試件應力-應變曲線見圖8。可以看出:1)由于Ⅰ類灌漿料無粗、細骨料,脆性破壞特征表現(xiàn)明顯,單軸應力-應變曲線無明顯的下降段,單軸應力-應變曲線均由完整的上升段和下降段組成。加載開始時,應力-應變曲線接近直線;隨著加載的繼續(xù),應變加速,應力逐漸增加到峰值點。在曲線的下降段中,曲線先向下彎曲,逐漸向凹方向變化,產(chǎn)生拐點;一旦通過拐點,應力-應變曲線逐漸向應變軸突出,并逐漸呈現(xiàn)收斂趨勢。2)在齡期相同的條件下,不同類型的水泥基灌漿料與C60混凝土的峰值應力大多表現(xiàn)為:Ⅳ類>Ⅲ類>Ⅱ類>Ⅰ類≈C60混凝土。3)隨著齡期增長,且試件在單軸受壓情況下,灌漿料與C60混凝土的應力-應變曲線上升段斜率出現(xiàn)不同程度增大,線彈性變形階段、非線性彈性變形階段均延長。上升段后期,隨著試件齡期的增加,曲線逐漸變陡,表明試件逐漸表現(xiàn)出顯著的脆性特征;水泥基灌漿料試件的峰值應變和極限應變大于混凝土試件。

圖9給出了峰值應變、極限應變、極限應變與峰值應變的比值(圖中紅點)的變化曲線?？梢钥闯?隨著齡期增長,試件的極限應變與峰值應變的比值總體呈減小趨勢。

3 結(jié)論

本文對四類水泥基灌漿料與C60混凝土進行了基本力學性能試驗,分析了各種灌漿料與混凝土立方體抗壓強度、抗折強度、靜彈性模量、泊松比、應力-應變關系的差異,主要結(jié)論如下:

(1)由于材料組分的差異,四種灌漿料、C60混凝土試件破壞狀態(tài)呈現(xiàn)一定的差異,灌漿料的脆性破壞特征明顯,尤其是Ⅰ類灌漿料應力-應變曲線未表現(xiàn)出明顯的下降段。

(2)四類灌漿料及C60混凝土的立方體抗壓強度、抗折強度、靜彈性模量均表現(xiàn)出早期增長快、后期增長慢并逐漸趨于穩(wěn)定的特征;與C60混凝土相比,灌漿料均表現(xiàn)出較好的抗壓強度早強性能、優(yōu)越的抗折性能、較小的彈性模量。

(3)Ⅰ類灌漿料到Ⅳ類灌漿料泊松比逐漸增大,四類灌漿料泊松比與C60混凝土相差不大。

(4)相同齡期峰值應力大多表現(xiàn)為:Ⅳ類>Ⅲ類>Ⅱ類>Ⅰ類≈C60混凝土;水泥基灌漿料試件的峰值應變和極限應變大于混凝土試件。

(5)隨著齡期增長,灌漿料與C60混凝土的應力-應變曲線上升段斜率不同程度增大,曲線的線彈性變形階段、非線性彈性變形階段均延長。上升段后期曲線逐漸變陡,試件的極限應變與峰值應變比值總體呈減小趨勢。