水泥基灌浆料施工期力学性能试验研究*

王应生, 潘保学, 仲 帅, 胡晓鹏

(1 西安建筑科技大学土木工程学院，西安 710055；2 西安建筑科大工程技术有限公司，西安 710055)

0 引言

水泥基灌浆料(cementitious grout material, CGM)是由水泥,集料(或不含集料),外加剂(调凝剂、塑化剂、膨胀剂等)和矿物掺合料等原材料按照合理级配混合而成。与普通混凝土相比,水泥基灌浆材料具有强度较高、早期强度发展快、流动性好、微膨胀、易于施工等优点[1-2],常用于地脚螺栓锚固、预制装配式构件连接、结构构件加固、预应力孔道灌浆等情况[3-6]。

目前水泥基灌浆料材料性能方面的研究大多集中在新材料开发、优化方面[7-8]。灌浆料力学性能指标与加水量有关[9-10],灌浆料尺寸效应与骨料、水胶比有关[11]。水胶比和胶砂比是影响灌浆料结构性质的主要因素[12-13],不同配合比的水泥基灌浆料在H2S环境下产生的影响不同[14]。水泥基灌浆料研究大多局限在抗压强度,其他力学性能指标的研究较少;目前的研究大多未考虑龄期的影响,水泥基灌浆料施工期力学性能发展规律尚不清楚,理论研究的部分缺失阻碍了水泥基灌浆料在实际工程中的科学使用。

本文通过试验研究了水泥基灌浆料施工期力学性能指标的发展规律,并对比了灌浆料、同强度混凝土性能发展差异。

1 试验概况

1.1 试件尺寸

参照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)和《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999),确定了Ⅰ(CGM-380)、Ⅱ(CGM-340)、Ⅲ(CGM-300)、Ⅳ(CGM-270)四类灌浆料和C60混凝土力学性能的试件尺寸,见表1。立方体抗压强度、抗折强度、泊松比、应力-应变关系的测试是3个试件为1组,静弹性模量的测试是6个试件为1组,泊松比测试仅制作养护龄期为28d的试件。

表1 试件尺寸/mm

1.2 试验材料

(1)水泥基灌浆料

本次试验采用了北京某公司生产的四种水泥基灌浆料。

Ⅰ类灌浆料由800目以上超细水泥、膨胀剂、减水剂等组成;Ⅱ类灌浆料由400目以上超细水泥、膨胀剂、减水剂等组成;Ⅲ类灌浆料由425水泥、级配石英砂、膨胀剂、减水剂等组成;Ⅳ类灌浆料由325水泥、石粒骨料、膨胀剂、减水剂等组成。灌浆料加水量按照产品合格证推荐用量添加,Ⅰ～Ⅳ类灌浆料加水量分别为32%、16%、12.5%、9.5%。

按照《水泥基灌浆材料》(JC/T 986—2018)及《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448—2015)分别进行流动度、细度及竖向膨胀率等基本性能试验,试验结果见表2,本次使用的四类灌浆料各项指标均符合规范要求。

表2 灌浆料材料主要性能指标

(2)C60混凝土

水泥为陕西某公司生产的普通硅酸盐水泥(P·O42.5),粗骨料为花岗岩碎石,细骨料为沣河河砂,高效减水剂采用TC-PCA聚羧酸系高性能减水剂。混凝土配合比见表3。

表3 混凝土配合比/(kg/m3)

1.3 试件制作与试验方法

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类水泥基灌浆料利用JJ-5型行星式水泥胶砂搅拌机进行搅拌,Ⅳ类水泥基灌浆料、C60混凝土采用SJD30型强制式单卧轴混凝土搅拌机进行搅拌。浇筑入模的试件放入标准养护箱中养护24h后拆模。拆模后继续标准养护至试验龄期。

按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行立方体抗压强度的测试。按照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)进行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类水泥基灌浆料抗折强度的测试;按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行Ⅳ类灌浆料及C60混凝土抗折强度的测试。按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)进行Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类水泥基灌浆料静弹性模量和泊松比的测试。按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019)进行Ⅳ类水泥基灌浆料及C60混凝土静弹性模量和泊松比的测试。

根据《水泥基灌浆材料应用技术规范》(GB/T 50448—2015)和《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2019),采用3 000kN万能液压试验机进行轴压试验。采用位移控制加载,加载速率为0.2mm/min。试验过程中使用TDS-602数据采集仪采集试件的轴向荷载、轴向变形。

2 试验结果与分析

2.1 立方体抗压强度

试验过程中发现,Ⅰ类灌浆料呈现明显脆性破坏特征,试件破坏过程较快,破坏时崩裂声较大并且有碎块弹出,破坏形态为正倒相连的四角锥;Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类灌浆料立方体抗压试件的整个破坏过程与C60混凝土试件的破坏过程差别不大,试件破坏时均能听到崩裂的响声,破坏后试件整体性较好,棱边形成纵向裂缝,表面外鼓剥落;随着龄期的增长,灌浆料试件脆性破坏特征更为突出。养护28d后测得的四类灌浆料与C60混凝土立方体抗压强度试件的典型破坏形态见图1。

图1 立方体抗压试件典型破坏形态

图2给出了立方体抗压强度随养护龄期的变化规律。可以看出:1)随着养护龄期的增长,四类灌浆料及C60混凝土立方体抗压强度增长趋势基本相似,均表现为早期增长快、后期增长慢并逐渐趋于稳定的特征。2)与C60混凝土相比,灌浆料立方体抗压强度整体表现出较好的早强性能;1d内立方体抗压强度增长速度由快至慢依次为Ⅳ类、Ⅲ类、Ⅰ类、C60混凝土、Ⅱ类,且1d立方体抗压强度分别达到了28d抗压强度的42.84%、38.14%、36.31%、34.62%、32.08%;7d灌浆料强度增长速率明显快于C60混凝土,四类灌浆料的7d立方体抗压强度均已超过28d强度的80%,Ⅳ类灌浆料增长速率最快,达到了28d强度的89.68%,而C60混凝土则为28d强度的78.86%。

图2 立方体抗压强度随龄期的变化曲线

2.2 抗折强度

试验过程中发现,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类水泥基灌浆材料与C60混凝土在抗折加载过程中均表现为“一裂即坏”,具有明显的脆性破坏特征。Ⅰ类灌浆料断裂面光滑、平整;Ⅱ、Ⅲ类灌浆料因含有少量纤维,破坏面并非完全断裂,断裂后截面含有颗粒较小的粗骨料;Ⅳ类灌浆料及C60混凝土断裂面含有大粒径粗骨料;随着龄期的增长,脆性破坏特征更为突出。养护28d后测得的四类灌浆料与C60混凝土棱柱体试件的典型抗折破坏形态见图3。

图3 抗折试件典型破坏形态

图4分别给出了四类水泥基灌浆材料及C60混凝土抗折强度随养护龄期的变化曲线。可以看出:1)随着养护龄期的增长,四类灌浆料及C60混凝土抗折强度增长趋势均表现出先快后慢的特征。Ⅳ类灌浆料和C60混凝土的抗折强度发展较快,龄期1d时,抗折强度分别达到了28d抗折强度的67.78%和69.16%;Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类灌浆料的1d抗折强度分别为28d的41.03%、41.67%、48.74%。Ⅳ类灌浆料和C60混凝土在3d时抗折强度分别达到28d的81.26%和77.33%;7d后各类灌浆料和C60混凝土的抗折强度增速减缓。2)Ⅰ～Ⅳ类灌浆料抗折强度均高于C60混凝土,相比于C60混凝土抗折强度分别提高了2.90%、44.22%、57.80%、8.42%,表现出了优越的抗折性能。

图4 抗折强度随龄期的变化曲线

2.3 静弹性模量

与C60混凝土相比,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类灌浆料的轴心抗压过程表现出明显的差异。四类灌浆料试件达到峰值荷载后发生崩裂,立即丧失承载力,表现出明显的脆性破坏特征,破坏时均伴有很大的崩裂声,并有碎块弹出;试件破坏形态表现为劈裂破坏、剪切破坏和介于二者之间的以劈裂破坏为主的破坏。C60混凝土试件破坏时,在斜向贯通裂缝所在的平面处有较多混凝土碎块脱落,沿着最大剪应力面发生斜截面剪切破坏,破坏时伴有较大的崩裂声。随龄期的增长,脆性破坏特征更为突出。养护28d后测得的四类灌浆料与C60混凝土棱柱体试件的轴心抗压试验典型破坏形态见图5。

图5 静弹性模量试件典型破坏形态

图6给出了静弹性模量随养护龄期的变化曲线。可以看出:1)四类灌浆料及C60混凝土随龄期变化趋势基本相似,7d内静弹性模量增长速率较快,随后增长速度变缓。Ⅳ类灌浆料及C60混凝土1d时静弹性模量分别为28d的36.90%、29.81%,而Ⅰ～Ⅲ类灌浆料则达到28d的12%～19%;Ⅰ～Ⅳ类灌浆料和C60混凝土7d静弹性模量分别为28d的74.87%、71.99%、69.08%、73.81%、75.44%。2)由于灌浆料骨料粒径的影响,四类灌浆料28d的弹性模量均明显低于C60混凝土,C60混凝土28d静弹性模量分别是Ⅰ～Ⅳ类灌浆料的3.29、2.44、1.38和1.09倍。

图6 静弹性模量随龄期的变化曲线

2.4 泊松比

龄期28d的灌浆料及C60混凝土泊松比试验结果见表4。可以看出:随着灌浆料流动度的减小、材料颗粒的增大,Ⅰ类灌浆料到Ⅳ类灌浆料泊松比逐渐增大;整体上看,四类灌浆料泊松比与C60混凝土相差不大。

表4 28d龄期的灌浆料及C60混凝土泊松比

2.5 单轴受压应力-应变关系

养护28d后测得的四类灌浆料与C60混凝土单轴受压试验典型破坏形态见图7。龄期1d、2d、3d的灌浆料试件裂纹首先出现在试件棱角处;随着载荷增加,裂纹宽度逐渐增大并上下延伸;试件在边角裂纹穿透后破坏,破坏过程呈现一定的塑性破坏特征。龄期3d及以上的灌浆料试件中间先出现垂直裂纹,然后裂纹继续延伸发展,裂纹宽度增加;随着载荷的增加,主要裂纹逐渐穿透,破坏时有碎片爆裂,爆裂声很大,破坏过程呈现明显的脆性破坏特征。对比水泥基灌浆料试件与C60混凝土试件的破坏特征发现,灌浆料试件(尤其是Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类)的裂纹发展阶段较短,试件更容易开裂,其承载能力在达到峰值应力后迅速丧失,破坏后试件整体性较差;破坏时,穿过破坏面的骨料发生分裂,骨料与灌浆料之间无内聚破坏,破坏面光滑。

单轴受压下试件应力-应变曲线见图8。可以看出:1)由于Ⅰ类灌浆料无粗、细骨料,脆性破坏特征表现明显,单轴应力-应变曲线无明显的下降段,单轴应力-应变曲线均由完整的上升段和下降段组成。加载开始时,应力-应变曲线接近直线;随着加载的继续,应变加速,应力逐渐增加到峰值点。在曲线的下降段中,曲线先向下弯曲,逐渐向凹方向变化,产生拐点;一旦通过拐点,应力-应变曲线逐渐向应变轴突出,并逐渐呈现收敛趋势。2)在龄期相同的条件下,不同类型的水泥基灌浆料与C60混凝土的峰值应力大多表现为:Ⅳ类>Ⅲ类>Ⅱ类>Ⅰ类≈C60混凝土。3)随着龄期增长,且试件在单轴受压情况下,灌浆料与C60混凝土的应力-应变曲线上升段斜率出现不同程度增大,线弹性变形阶段、非线性弹性变形阶段均延长。上升段后期,随着试件龄期的增加,曲线逐渐变陡,表明试件逐渐表现出显著的脆性特征;水泥基灌浆料试件的峰值应变和极限应变大于混凝土试件。

图9给出了峰值应变、极限应变、极限应变与峰值应变的比值(图中红点)的变化曲线。可以看出:随着龄期增长,试件的极限应变与峰值应变的比值总体呈减小趋势。

3 结论

本文对四类水泥基灌浆料与C60混凝土进行了基本力学性能试验,分析了各种灌浆料与混凝土立方体抗压强度、抗折强度、静弹性模量、泊松比、应力-应变关系的差异,主要结论如下:

(1)由于材料组分的差异,四种灌浆料、C60混凝土试件破坏状态呈现一定的差异,灌浆料的脆性破坏特征明显,尤其是Ⅰ类灌浆料应力-应变曲线未表现出明显的下降段。

(2)四类灌浆料及C60混凝土的立方体抗压强度、抗折强度、静弹性模量均表现出早期增长快、后期增长慢并逐渐趋于稳定的特征;与C60混凝土相比,灌浆料均表现出较好的抗压强度早强性能、优越的抗折性能、较小的弹性模量。

(3)Ⅰ类灌浆料到Ⅳ类灌浆料泊松比逐渐增大,四类灌浆料泊松比与C60混凝土相差不大。

(4)相同龄期峰值应力大多表现为:Ⅳ类>Ⅲ类>Ⅱ类>Ⅰ类≈C60混凝土;水泥基灌浆料试件的峰值应变和极限应变大于混凝土试件。

(5)随着龄期增长,灌浆料与C60混凝土的应力-应变曲线上升段斜率不同程度增大,曲线的线弹性变形阶段、非线性弹性变形阶段均延长。上升段后期曲线逐渐变陡,试件的极限应变与峰值应变比值总体呈减小趋势。