新型加固材料在建筑混凝土楼板粘接加固工程中的应用

张馨予 李超 林锦眉 吴宇静

摘要：为探讨将磷酸镁水泥直接用于楼板加固的技术可行性，研究了不同骨料的磷酸镁混凝土的物理力学性能，并评价了其加固混凝土板的效果。结果表明，从试件单轴受压破坏形态来看，磷酸镁混凝土（LC1～LC3）的破坏形态更松散，呈现为中部锥形破坏特征，破坏面特征与骨料类型有关，碎石骨料表现为水泥与碎石之间的粘接破坏，陶粒骨料表现为陶粒的剪切破坏。从试件单轴受压应力-应变曲线来看，磷酸镁混凝土弹性模量与强度略有弱化，脆性破坏特征更明显，且磷酸镁混凝土的强度随着陶粒与陶砂掺量的增加而增强。磷酸镁混凝土加固楼板的正常使用荷载提升了1.66～1.71倍，刚度较C40加固板略有不足；但变形性能更优异、自重更轻。关键词：楼板加固；磷酸镁混凝土；改性；轻骨料

中图分类号：TU472.4；TQ437+.1      文献标志码：A          文章编号：1001-5922（2023）03-0065-04

Application of new reinforcing materials in concrete floor reinforcement project of existing buildings

ZHANG Xinyu，LI Chao，LIN Jinmei，WU Yujing

（Guangzhou Huali University，Guangzhou 511325，China）

Abstract：In order to explore the technical feasibility of using magnesium phosphate cement directly for slab rein- forcement，the physical and mechanical properties of magnesium phosphate concrete with different aggregates were studied，and the effect of reinforced concrete slabs was evaluated. The test results showed thatfrom the uniaxial com- pression failure mode of the specimen，the failure mode of magnesium phosphate concrete（LC1～LC3）wasmore loose，showing the middle cone failure characteristics，and the failure surface characteristics were related to the ag- gregate type. The crushed stone aggregate showed the bond failure between cement and crushed stone，and the ce- ramsite aggregate showed the shear failure of ceramsite.From the uniaxial compressive stress-strain curve of the specimens，the elastic modulus and strength of magnesium phosphate concrete were slightly weakened，and the brit- tle failure characteristics were more obvious，and the strength of magnesium phosphate concrete increased with the increase of ceramic particles and ceramic sand.The normal service load of magnesium phosphate concrete rein-forced floor slab was increased by 1.66～1.71 times，and the stiffness was slightly less than that of C40 reinforced slab，but the deformation performance was better and the self-weight was lighter.

Keywords：floor reinforcement；magnesium phosphate concrete；modification；lightweight aggregate

當下国内城市化进程不断发展，既有建筑面积高达400亿 m2[1]。其中有大量的建筑因建设年限、使用功能、建设质量等问题，导致楼板承载力无法满足使用荷载要求，需进行楼板加固改造处理，国内的建筑服务业也由建设为主的阶段逐渐转变为建设与加固改造共存的阶段[2-3]。因此许多学者针对建筑加固技术及加固材料开展了大量研究。

从加固位置来看，目前常见的混凝土楼板加固技术可以分为板底加固、板顶加固2大类[4]。其中板底加固技术的施工方法较多，包括粘钢法、粘碳纤维布法、增大截面法等[5-6]，但这一技术的工作面在非加固层，且要求工作面清除所有机电设备，对非加固层的影响较大，在住宅等建筑中难以推广使用[8]。板顶加固技术的施工方法主要有增大截面法，通过在楼板顶部浇筑硅酸盐水泥混凝土增大楼板截面面积进而提升楼板承载力，但这一方法存在周期长、养护难、粘接差、自重大等不足[8-9]。

磷酸镁水泥具有快硬早强、与混凝土结构粘接好等特性，广泛应用于混凝土结构快速修复与加固领域。采用磷酸镁水泥作为玄武岩纤维加固混凝土梁柱的粘结剂，通过一系列强度测试获得磷酸镁水泥粘结剂的最优配比，研究发现加固梁柱的强度大幅提升[10]。采用磷酸镁水泥粘接砌体砖、断裂混凝土等，研究指出磷酸镁水泥表现出优异的粘接性能，粘接试样的抗弯能力、抗剪强度、刚度等均有显著提高[11-12]。研究了一种织物网硫酸镁水泥混凝土板，用以加固混凝土梁，研究发现加固梁的承载能力与刚度均明显提升[13]。研究了高温下硫酸镁水泥粘接剂的粘接性能，结果表明高温下硫酸镁水泥粘接强度较EP粘结剂更为稳定[14]。

因磷酸镁水泥还具有凝结迅速、强度不足等特点，现有磷酸镁水泥加固楼板的研究方向是将其作为粘结剂。为探讨将其直接用于结构加固的技术可行性，基于现有磷酸镁水泥改性研究成果，研究了不同骨料的改良磷酸镁混凝土的物理力学性能，并评价了改良磷酸镁混凝土加固混凝土板的效果。

1 试验方案设计

1.1 原材料

本次研究所用磷酸镁水泥由重烧氧化镁与磷酸二氢钾组成，其中重烧氧化镁纯度90%以上，细度200目；磷酸二氢钾纯度95%以上，粉磨后过200目筛。根据现有磷酸镁水泥改性研究成果：针对磷酸镁水泥凝结过快的不足，采用偏高岭土取代30%氧化镁[51，52]，试验所用偏高岭土主要成分包括49%SiO2 与44%Al2O3，粒径按1μm控制，采用硼砂（NB）、芒硝（NS）、钙硝石（CN）按 NB∶NS∶CN=1.5∶7∶1.5的配比配制复合缓凝剂。同时为减轻磷酸镁水泥混凝土自重并增强其流动性，在磷酸镁水泥中掺加了粉煤灰，试验所用粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰。粗骨料采用陶粒与细石，粒径按小于10 mm控制；细骨料采用陶砂与河砂，粒径按小于2 mm控制。

1.2  磷酸镁混凝土强度试验

本次研究基于现有磷酸镁水泥改性研究成果，采用偏高岭土、缓凝剂、粉煤灰等对磷酸镁水泥进行改性，具体如表1所示；为减轻混凝土自重，在此基础上进一步研究轻骨料磷酸镁混凝土的物理力学性能，其配比具体如表2所示。浇筑成150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件，测试其7、28 d龄期的单轴抗压强度，记录加载过程中试件的应力应变曲线与形貌变化，分析其强度指标。同时测试了4种混凝土试件的质量。

1.3  磷酸镁混凝土加固楼板受弯承载力试验

为评价磷酸镁混凝土的楼板加固效果，采用表2中的4种混凝土加固预制楼板，楼板加固方案如表3所示，开展加固楼板受弯承载力试验。预制楼板尺寸为长2.5 m，宽0.5 m，厚0.11 m，配筋率0.8%，加固混凝土厚度为60 mm。试验装置示意图如图1所示。

2 强度试验成果分析

2.1 混凝土试件表观密度

各混凝土试件的表观密度如图2所示。

从图2可以看出，C40、LC1、LC2、LC3混凝土的密度分别为2440、2010、1740、1630 kg/m3，LC1、 LC2、LC3的密度分别为C40的82%、71%、67%，磷酸镁混凝土的密度显著低于碳酸盐混凝土，说明磷酸镁水泥与轻骨料均有助于减轻混凝土自重。

2.2 应力应变曲线

各混凝土试件的应力-应变曲线如图3所示。

从图3可以看出，4种混凝土的应力应变曲线上升段的应变随着荷载的增加而缓慢稳定增长，当荷载接近峰值荷载时，应力-应变曲线进入下降段，荷载迅速掉落，下降段较短，分析原因为试验所用粗骨料采用的细石偏软，导致混凝土弹性模量偏小，试件变形主要为弹性变形，变形超过峰值后因刚度不足使得下降段无法测出。磷酸镁混凝土（LC1～LC3）的上升段斜率较C40平缓，下降段较C40更陡峭，说明磷酸镁混凝土弹性模量更低，脆性破坏特征更明显。

各试件的峰值应变与峰值应力如图4所示。峰值应变由大到小排序依次为C40、LC1、LC2、LC3、LC1、 LC2、LC3的峰值应变分别为C40的1.4、1.8、1.9倍，这与磷酸镁混凝土弹性模量與强度较低有关，磷酸镁混凝土中，由于陶粒与陶砂的弹性模量低、易变形，掺加陶粒与陶砂使其峰值应变增大；C40、LC1、LC2、LC3混凝土的峰值应力分别为36.31、27.76、29.97、35.32 MPa，说明磷酸镁混凝土的强度低于 C40，且掺加陶粒与陶砂后，磷酸镁混凝土的强度逐渐提升，分析原因为磷酸镁水泥的强度较低，与陶粒、陶砂的协同变形能力更强，这与上节所述磷酸镁混凝土破坏面特征相对应。

3 加固楼板试验成果分析

3.1 楼板破坏特征

5种楼板的最终破坏形态如图5所示。楼板受弯承载力试验中，5种楼板破坏规律相似：试验初期荷载均匀增长，楼板产生裂缝后进入试验中期，裂缝持续开展到破坏后进入试验末期，荷载迅速掉落楼板破坏；加固楼板破坏时，加固层均未出现分层现象，且为适筋延性破坏。与C40加固楼板相比，磷酸镁混凝土加固楼板的裂缝数量多但裂缝发展慢且均匀，表现出了优于C40加固板的变形性能。

3.2 特征荷载

本次试验以楼板出现初裂缝时的上一级荷载为开裂荷载，以裂缝宽度超过0.2 mm或挠度超过1/200跨度时的上一级荷载为正常使用荷载，以受拉钢筋拉坏、受压混凝土压碎或挠度超过1/50跨度时的上一级荷载为极限荷载，根据试验结果绘制加固楼板荷载图如图6所示。

从图6可以看出，B1、B2、B3、B4的正常使用荷载提高比例分别为2.17、1.67、1.71、1.66，说明 C40混凝土与磷酸镁混凝土均可以有效提高楼板的承载力。正常使用荷载提高比例由大到小排序依次为 B1、 B3、B2、B4，说明 C40加固楼板的刚度较磷酸镁混凝土更佳，分析原因为磷酸镁混凝土弹性模量远小于 C40，使得截面挠度更大，导致板底混凝土的开裂荷载更小。

4 结语

基于现有磷酸镁水泥改性研究成果，将磷酸镁混凝土直接用于楼板加固，对磷酸镁混凝土开展单轴抗压强度试验与磷酸镁混凝土加固楼板受弯承载力试验，评价磷酸镁混凝土加固混凝土板的效果。试验结果表明。

（1）从试件单轴受压破坏形态来看，磷酸镁混凝土（LC1～3）的破坏形态更松散，呈现为中部锥形破坏特征，破坏面特征与骨料类型有关：碎石骨料表现为水泥与碎石之间的粘接破坏，陶粒骨料表现为陶粒的剪切破坏；

（2）从试件单轴受压应力应变曲线来看，磷酸镁混凝土（LC1～LC3）的上升段斜率较C40平缓，下降段较 C40更陡峭，说明磷酸镁混凝土弹性模量略有弱化，脆性破坏特征更明显；将磷酸镁混凝土中的骨料替换为陶粒与陶砂后，其强度逐渐提升，分析原因为磷酸镁水泥的强度较低，与陶粒、陶砂的协同变形能力更强，水泥与碎石之间的粘接破坏的应力小于陶粒剪切破坏的应力；

（3）不同混凝土加固板均可以有效提高楼板的承载力且受弯破坏规律相似，磷酸镁混凝土加固板的正常使用荷载提升了1.66～1.71倍，与C40加固板相比，虽刚度略有不足但变形性能更为优异，加载过程中的裂缝数量多但裂缝发展慢且均匀，且磷酸镁混凝土的自重大幅降低，有助于减轻加固结构的承载力负担；

（4）磷酸镁混凝土可用于加固楼板，骨料采用陶砂、陶粒时自重更轻、性能更佳。

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