水泥基灌浆材料在结构加固改造领域的应用探讨

夏经纬，夏仁宝

（1.浙江建院建筑规划设计院，浙江 杭州 310006；2.浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 概述

GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》定义水泥基灌浆材料为：由水泥、骨料、外加剂和矿物掺合料等原材料在专业化工厂按比例计量混合而成，在使用地点按规定比例加水或配套组分拌合，用于螺栓锚固、结构加固、预应力孔道等灌浆的材料。

灌浆材料自被发明以来，凭借其优越的性能受到青睐，得到巨大发展[1-2]。为了提高轧钢机、连铸机、大型压缩机和大型发电机等大型、特大型设备的安装精度，加快安装速度和延长设备使用寿命，水泥基灌浆材料得到广泛应用并得以迅速发展，主要用于这些大型、特大型设备基础二次灌浆、地脚螺栓锚固、座浆、工程抢修等，用于替代传统的细石混凝土。我国自20世纪90年代初开始自主研发生产水泥基灌浆材料，1997年国家科委将水泥基灌浆材料列为国家科技成果重点推广项目[3]。由于水泥基灌浆材料具有高流动性、早强、高强、微膨胀、无毒等特性，可以很好地解决构件钢筋密集部位混凝土浇捣施工的难题，且大大缩短工期，又逐渐在结构加固改造领域得到应用，从增大截面到截面置换，从小截面置换到全截面置换，从低应力构件到高应力构件，应用范围不断扩大。

由于水泥基灌浆料从设备基础二次灌浆、地脚螺栓锚固领域扩展应用到结构加固改造领域，其自身材料开裂等问题引起了高度关注。研究表明[4]：在体形较大的部位，其仍存在微观收缩；同时灌浆料弹性模量与原有混凝土的弹性模量不一致，其在对混凝土工程进行修补的过程中，受力后易因应力集中而先于混凝土破坏；对于水泥基灌浆材料的耐久性问题亦有待于进一步研究。

1 灌浆料主要技术标准及与结构加固改造应用有关的内容

JC/T 986—2005《水泥基灌浆材料》中与结构加固改造应用有关的主要内容为：“1范围 本标准适用于设备基础二次灌浆、地脚螺栓锚固、混凝土加固、修补等使用的水泥基灌浆材料”，明确水泥基灌浆材料可用于混凝土加固、修补；“5技术要求”，明确水泥基灌浆材料的骨料粒径为4.75 mm方孔筛筛余≤2.0%，28 d抗压强度≥70.0 MPa。JC/T 986—2018《水泥基灌浆材料》为JC/T 986—2005的替代版本，修订后的JC/T 986—2018则按流动度将水泥基灌浆材料分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类灌浆料，流动度Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类的水泥基灌浆材料骨料粒径为4.75 mm筛筛余量为0，流动度Ⅳ类的水泥基灌浆材料最大骨料粒径大于4.75 mm，且不超过25 mm；按28 d抗压强度将水泥基灌浆材料分为A50、A60、A70和A85四个等级；材料适用于设备基础二次灌浆、柱脚底板、地脚螺栓锚固、混凝土结构加固、修补、钢筋连接套筒等使用。JC/T 986—2018有2个显著特点：一是28 d抗压强度指标有所降低，从≥70.0 MPa，下降到≥50.0 MPa；二是最大骨料粒径增大，新增4.75 mm<最大骨料粒径≤25 mm的Ⅳ类灌浆料。

GB 50550—2010《建筑结构加固工程施工质量验收规范》（以下简称验收规范）是建筑结构加固改造领域施工质量验收的国家标准，验收规范单列“4.10结构加固用水泥基灌浆料”一节和“21灌浆工程”一章，编制时灌浆材料引用的标准是JC/T 986—2005版，在验收规范中表4.10.1规定最大骨料粒径为≤4 mm。为了避免水泥基灌浆材料固化后产生收缩裂缝；验收规范第21.2.2条规定：当用于普通混凝土和砌体的增大截面工程时，尚应遵守下列规定：不得采用纯灌浆料，而应采用由70%灌浆料+30%细石混凝土混合而成的浆料（以下简称混合料），且细石混凝土粗骨料的最大粒径不应大于12.5 mm。验收规范第21.4.4条规定：灌浆料启封配成浆液后，应直接与细石混凝土拌合使用。其条文说明解释为：在混凝土增大截面工程中之所以不允许使用纯灌浆料，而应使用它与细石混凝土混合而成的浆料，是因为纯灌浆料在它所含有的膨胀剂作用消失后，便很容易出现温度裂缝和收缩裂缝，而混合料在很大程度上可以避免或减少这类裂缝的出现。

YB/T 9261—1998《水泥基灌浆材料施工技术规程》第7章单列“混凝土结构加固和改造”，其第7.0.5条规定：根据设计的要求，也可按比例掺入洗净的豆石（粒径5～10 mm），但最大掺量不得超过水泥基灌浆材料质量的1/3。在水泥基灌浆材料中掺入一定量的豆石其目的也是为了防止灌浆料固化过程中产生裂缝。

GB/T 50448—2015《水泥基灌浆材料应用技术规范》（以下简称技术规范）单列“5.3混凝土结构改造和加固”、“7.5混凝土结构改造和加固灌浆”，该技术规范把灌浆料按流动度分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类，Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类灌浆料最大骨料粒径≤4.75 mm，Ⅳ类灌浆料最大骨料粒径>4.75 mm且≤25 mm。为了防止灌浆料固化过程产生裂缝，技术规范第5.3.2、5.3.4、5.3.5、5.3.6、5.3.7条分别对混凝土柱采用加大截面加固法加固、混凝土柱采用干式外包钢加固法加固、混凝土梁采用加大截面法加固、楼板采用叠合层法增加板厚加固、混凝土结构施工中出现的蜂窝和孔洞以及柱子的烂根修补，当灌浆层厚度大于技术规范规定限值时，必须采用Ⅳ类水泥基灌浆材料。如第5.3.2条规定：当混凝土柱采用加大截面加固法加固时，原混凝土柱与模板的间距b不宜小于60 mm，且应采用Ⅳ类水泥基灌浆材料。技术规范第7.5.5条规定：灌浆层厚度大于150 mm时，应防止产生温度裂缝。

综上，水泥基灌浆材料的高流动性、早强、高强的特性是在结构加固改造中要充分利用的，但其在固化中产生的温度裂缝和收缩裂缝在结构加固改造中是不可接受的。不同的标准采用不同的方法“规避”这种裂缝的开展，如采用加大骨料粒径、灌浆料+细石混凝土、灌浆料+豆石等方法。

2 灌浆料用于结构加固改造存在的问题

按当前产品标准生产的水泥基灌浆材料，最大骨料粒径≤4.75 mm的灌浆料属砂浆范畴；最大骨料粒径>4.75 mm且≤25 mm应属细石混凝土范畴，在其所含的膨胀剂作用消失后，便很容易出现温度裂缝和收缩裂缝。

由于结构加固改造中的“增大截面加固法加固”、“置换混凝土加固法加固”中的灌浆层厚度远大于地脚螺栓锚固的灌浆层厚度，故灌浆料存在自身开裂的风险更大，为降低水泥基灌浆材料固化过程自身开裂的风险，GB 50550—2010中有“混合料”一说，即将70%灌浆料与30%细石混凝土混合而成；而YB/T 9261—1998则采取掺豆石的抗裂措施，第7.0.5条规定：根据设计的要求，也可按比例加入洗净的豆石（粒径5～10 mm），但最大掺量不得超过水泥基灌浆材料质量的1/3。施工单位依据上述规定，只买粉料回来自己加工，工程中就出现“粉料+混凝土”或者“粉料+豆石+水”现象，给加固工程埋下结构安全隐患：

（1）水泥基灌浆材料是以水泥为基础材料，掺加外加剂和其他辅助材料，加水拌合后具有较大流动性、早强、高强、微膨胀等性能的干混材料。如果采用“粉料+混凝土”，即把水泥基灌浆材料掺入细石混凝土中，形成所谓的“混合料”，由于不同品牌不同品种的水泥具有不同的化学物理特性，混用后有可能会改变水泥的凝结时间和强度，产生工程质量事故；具有不同水化热的水泥混合使用，“混合料”固化过程中则可能造成内部局部温度高、局部温度低的现象，这种温差将产生不均匀收缩变形，使“混合料”内部产生温度裂缝，引起工程质量事故。对此，GB/T 14902—2012《预拌混凝土》、GB 50204—2015《混凝土结构工程施工质量验收规范》、GB 50203—2019《砌体结构工程施工质量验收规范》等标准都有明确规定，“不同品种的水泥，不得混合使用”、“水泥应按品种、强度等级和生产厂家分别标识和贮存”、“按同一厂家、同一品种、同一代号、同一强度等级、同一批号且连续进场的水泥”划分检验批等。

（2）如果采用“粉料+豆石+水”，一是失去了水泥基灌浆材料作为干混材料的优势；二是增加了施工现场配合比控制的难度，容易出现质量问题。

3 结语与讨论

由于水泥基灌浆材料具有高流动性、早强、高强、微膨胀、无毒等特性，用于结构加固改造，可以很好地解决构件钢筋密集部位的浇捣施工难题，且节约工期，已被广泛应用于工程结构加固改造领域，用于“增大截面加固法加固”、“置换混凝土加固法加固”中代替细石混凝土提高构件截面抗压强度，但由于对这一材料的特性缺乏正确的认识，有被滥用的趋势，必须引起高度重视。

（1）设备基础与工程结构的重要性、耐久性不同，灌浆料用于工程结构加固应特别注意工程类别的差异。工程结构的安全重要性要大大高于设备基础、设计使用寿命要长于设备基础，将原本用于设备基础安装的灌浆料用于工程结构加固改造，灌浆料自身的裂缝除对构件本身的抗剪、抗压等力学性能产生影响外，还将对工程结构的耐久性产生不利影响，故对缺少粗骨料或粗骨料粒径明显小于被加固结构混凝土的水泥基灌浆材料用于工程结构加固时，应特别注意工程类别的差异，慎重选用灌浆料。工程结构加固改造中“增大截面加固法加固”“置换混凝土加固法加固”中的灌浆层厚度往往远大于地脚螺栓锚固，存在自身开裂风险更大，必须引起高度关注。

（2）水泥基灌浆材料应坚持按“干混材料”用于工程结构加固施工。即施工人员在工地现场只要按材料厂家要求的加水比例、拌合时间和拌和方法搅拌均匀即可使用，这样既高效、安全，又便于质量控制，且责任明确。

（3）水泥基灌浆材料用于工程结构加固应以“协同工作”为原则，不应一味追求高强。GB 50367—2013《混凝土结构加固设计规范》第4.1.1条规定：结构加固用的混凝土，其强度等级应比原结构、构件提高一级，且不得低于C20级；其性能和质量应符合GB 50010—2020（2015版）《混凝土结构设计规范》的规定。用于结构加固用的水泥基灌浆材料28 d抗压强度≥60 MPa，远高于一般被加固结构、构件的混凝土强度，如果用于局部置换，由于与原结构、构件混凝土强度相差太大，在局部置换部位就会产生“销栓效应”，不利于新旧混凝土协同工作。

（4）灌浆料用于工程结构加固应作更多研究。JC/T 986—2005、JC/T 986—2018都明确适用于“混凝土结构加固”，GB 50550—2010、YB/T 9261—1998、GB/T 50448—2015也有专门针对混凝土结构加固应用和验收规定的章节，由于工程结构加固改造的重要性，灌浆料用于结构加固应做更多的研究、验证性试验，只考虑抗压强度指标和可施工性是远远不够的，比如，直接关系到构件应力应变关系的材料弹性模量与被加固构件的弹性模量是否匹配的问题、加固后的耐久性变化、长期荷载作用下的徐变情况等，对于最大骨料粒径≤4.75 mm水泥基灌浆材料（Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类），本属于砂浆范畴，作为结构材料大量应用更应谨慎。鉴于当前水泥基灌浆材料在工程结构加固中的应用研究尚不充分，对于全截面置换的高应力构件，建议选用混凝土，谨慎使用灌浆料。

（5）相应配套标准应及时修订更新。