水泥基柔性灌浆料的性能试验研究

吴志强 梁文磊 杨红玉 闫 森

（南通职业大学，江苏 南通 226007）

0 引言

水泥基灌浆料在螺栓锚固、基础的二次灌浆、后锚固、植筋等施工工艺中得到广泛的应用，这都与其流动性好、强度高和微膨胀性等密不可分，初始流动度超过300 mm，30 min流动度超过260 mm，28 d抗压强度高达85 MPa以上，但水泥基灌浆料也有抗拉强度低、脆性大、抗裂能力差、韧性不足的天然特征，如何提高其抗拉强度，增强其抗裂能力和韧性已成为装配式建筑用灌浆料研究的热点，而在水泥基灌浆料中掺入纤维以提高水泥基灌浆料延伸率和裂缝控制能力是一种行之有效的方法。研究表明，一定长径比，较高掺量和均匀分散状态，是增强纤维效果必不可少的条件，然而当纤维掺量过高时，纤维在水泥基灌浆内部的分散性变差，最终导致纤维的增强效果不明显甚至劣化。因此，该文在水泥基灌浆料中引入不同掺量的高抗拉强度、高弹性模量、高耐磨性、耐候性好的聚乙烯醇纤维对其进行改性，以研究改性后水泥基灌浆料的流动度、抗压强度、抗折强度和锚固强度等性能，为水泥基柔性灌浆料的研发与应用提供参考。

1 试验设计

1.1 材料选择

选用南通海螺水泥有限公司生产的海螺牌52.5普通硅酸盐水泥，其标准稠度用水量、体积安定性、凝结时间、抗拆强度、抗压强度等主要性能指标（如表1所示）。

表1 选用水泥的主要性能指标

选用山东森泓纤维有限公司的SH-PVA-6型聚乙烯醇纤维，其长度、直径、抗拉强度、弹性模量、断裂伸长率等主要性能指标如表2所示。

表2 选用聚乙烯醇纤维的主要性能指标

选用安徽新创石英砂有限公司的石英砂，由6-8目、10-20目、20-40目等三种不同粒径的石英砂按照1∶1∶1的比例混合而成。

复合外加剂由市场购置的江苏苏博特新材料股份有限公司的聚羧酸减水剂、南通银象新型材料有限公司的SH型水泥增强剂、南京新佳盛新型建材有限公司的TD-P1膨胀剂、苏州卓翔化工有限公司酒石酸缓凝剂、济南兴驰化工有限公司的有机硅消泡剂等按照一定比例配制而成。

1.2 配比设计

通过前期正交试配试验，选定柔性灌浆料性能试验的优化配合质量如下：水泥1000 g，石英砂1200 g，复合外加剂180 g，水300 g。研究聚丙烯醇纤维掺量对柔性灌浆料流动性、力学性能及锚固性能的影响。

1.3 试验方案

试样使用砂浆搅拌机强制搅拌，采用纤维中掺法，将称量好的部分原料和水先倒入砂浆搅拌机中，低速拌制 2min，再加入纤维，低速拌制1 min，最后再将剩下部分的原材料和水加入，高速拌制1 min。

流动度测定参照JG/T408-2019《钢筋连接用套筒灌浆料》中的流动度试验方法，称取1800 g灌浆料样品，按试样制备的方法进行搅拌，分步进行其初始流动度测定和30 min流动度测定，试样搅拌好后将截锥圆模旋转在玻璃板中间位置，再将灌浆料浆体倒入截锥圆模内，直到浆体与截锥圆模上口平；缓慢提起截锥圆模，让浆体在无扰动条件下自由流动直至停止，待浆体不再流动时，测量浆体最大扩散直径及与其垂直方向的直径，取平均值为其初始流动度测定，整个过程在6 min内完成，测定初始流动度后，将测定后的灌浆料装入搅拌锅内，并做好防护措施防止浆体内的水分蒸发，30 min后，按照初始流动度测定的方法进行30min流动度测定。流动度测定试样必须采取措施防止浆体中水分蒸发。JG/T408-2013《钢筋连接用套筒灌浆料》中规定了水泥基浆料流动度性能指标，即：初始指标≥300 mm、30 min指标≥260 mm。

力学性能试验参照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检测方法（ISO 法）》，先将浆体灌入标准试模，制作40mm×40mm×160mm的标准试件，每组6个试件，静置2h后移入标准养护箱中进行养护，养护到对应试验龄期后从养护箱中取出进行强度测试。JG/T408-2013《钢筋连接用套筒灌浆料》中规定了水泥基浆料抗压强度性能指标，即1 d≥35 MPa、3 d ≥ 60 MPa、28 d ≥ 85 MPa。

锚固性能试验参照JGJ145-2013《混凝土结构后锚固技术规程》，采用强度等级为C35 的混凝土浇筑3 个素混凝土试件，尺寸为1 200 mm ×400 mm × 400 mm，在自然条件下养护28 d，达到设计强度后，按照后锚固技术拉拔试验方法进行钻孔、灌浆、植筋，养护等，达到龄期后，进行钢筋的拉拔试验，试验加载系统如图1所示。

图1 拉拔试验加载系统图

2 试验结果分析

2.1 聚乙烯醇纤维对水泥基灌浆料流动性的影响

聚乙烯醇纤维掺量对灌浆料初始流动度和30 min流动度的测试结果见表3。由此可以得出，与掺量为0的灌浆料拌合物相比，纤维掺量在0.15%、0.3%、0.45%和0.6%时，初始流动度分别降低3.3%、5.4%、9.8%和15.2%，30min后的流动度分别降低4.8%、9.2%、14.9%和21.1%，即掺量纤维后灌浆量的流动度整体呈下降趋势，如图2所示。这充分表明聚乙烯醇纤维的掺入会阻碍灌浆料的流动并且纤维掺量越大，阻碍作用也越大。这是由于聚乙烯醇纤维表面的羟基亲水官能团可以聚集相当量的水分，导致灌浆料颗粒间起润滑作用的水分减少；同时，纤维在灌浆料中杂乱无章地分布以及纤维表面与水泥颗粒之间的摩擦阻力作用，使灌浆料拌合物流动阻力增大。经过一段时间的水化，灌浆料不断地凝结硬化，聚乙烯醇纤维表面会黏附一定量絮凝状的水泥水化产物，进一步增加了灌浆料拌合物流动的阻力。总之，灌浆料中掺入聚乙烯醇纤维，会使灌浆料的初始流动度和30 min后流动度均会降低。

图2 不同纤维掺量灌浆料的流动度变化趋势图

表3 不同掺量下水泥基灌浆料的流动度

2.2 聚乙烯醇纤维对水泥基灌浆料强度的影响

聚乙烯醇纤维掺量对灌浆料抗压强度、抗折强度的测试结果见表4。由此可以得出，聚乙烯醇纤维掺量对灌浆料抗压强度有影响，但是影响不大，整体趋势是随着掺量的增加其1 d的抗压强度略有降低，3 d和28 d抗压强度略有起伏，如图3所示，但均能满足灌浆料的抗压强度指标要求。随着掺量的增加抗折强度会逐渐提升，如图4所示。这是因为，聚乙烯醇纤维在灌浆料中呈现交叉杂乱的分布状态，纤维之间会相互拉结，而聚乙烯醇纤维和灌浆料的弹性模量相当，增大了其柔性和韧性，提高了灌浆的抗裂性。

表4 不同掺量下水泥基灌浆料的抗折/抗压强度

图3 不同纤维掺量下灌浆料抗压强度变化趋势

图4 不同纤维掺量下灌浆料的抗折强度变化趋势

2.3 聚乙烯醇纤维对水泥基灌浆料锚固强度的影响

该试验采用直径=32mm螺纹钢筋，钻孔直径为60mm，钻孔深度10=320mm，分别配制了掺量为0.15%、未掺聚乙烯醇纤维的灌浆料进行试验，待灌浆料抗压强度达到80 MPa以上时进行拉拔试验，其中掺聚乙烯醇纤维的灌浆料拉拔强度达到600 MPa，而未掺的灌浆料的拉拔强度达到524 MPa，提高幅度达到14.5%，可以看出掺入聚乙烯醇纤维大大提高了灌浆料的锚固性能，这主要是聚乙烯醇纤维的掺入，形成了错乱无章的支撑网格体系，抑制了裂缝的产生，大大提高了锚固接头拉伸黏结性。

3 结论

通过利用聚乙烯醇纤维对水泥基灌浆料进行改性试验和分析，合理地选择纤维最佳掺量，纤维掺量对灌浆料的流动度、抗压强度、抗折强度、锚固强度和柔性具有良好的影响。1）综合考虑灌浆料工作性能和力学性能的要求，建议6 mm 长度聚乙烯醇纤维的最佳掺量不宜超过 0.15%。2）聚乙烯醇纤维的掺入降低了水泥基灌浆料的流动度且随着聚乙烯醇纤维掺量的增加，其流动度呈现下降趋势。因此，为了保证灌浆的工作性能，聚乙烯醇纤维掺量应适量。3）聚乙烯醇纤维的掺入改善了水泥基灌浆料的力学性能，提升了其抗压强度，提高了其抗折强度，降低了其压折比，增强了灌浆料的柔韧性、抗裂性和锚固性。