陳大川,李亮如,彭勃,林悅慈
(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410082;2.建筑安全與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(湖南大學(xué)),湖南 長(zhǎng)沙 410082;3.湖南固特邦土木技術(shù)發(fā)展有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410205)
國(guó)外學(xué)者對(duì)灌漿料的研究較早,世界上最早的灌漿料起源于1802 年的法國(guó),為法國(guó)工程師Charles Berling 為加固砌筑墻體所創(chuàng)造,距今已有200 余年.隨后該技術(shù)不斷傳入其他國(guó)家[1].水泥基灌漿料由高強(qiáng)膠結(jié)材料、多種功能外加劑和精選骨料等組成,具有超強(qiáng)黏結(jié)、早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹、大流動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn)[2],多用于混凝土結(jié)構(gòu)加固、補(bǔ)強(qiáng)、修復(fù).灌漿料的強(qiáng)度除與膠結(jié)材料、外加劑等各項(xiàng)因素有關(guān)外,與其幾何尺寸、幾何形狀等變化也密切相關(guān).同時(shí),隨著灌漿料在加固工程中的應(yīng)用日益廣泛,為了確保施工進(jìn)度及安全,工程對(duì)灌漿料早期抗壓強(qiáng)度的要求也越來(lái)越高.
《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50448—2015)[3]中將灌漿料分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類,用于結(jié)構(gòu)加固的主要為Ⅲ類和Ⅳ類.當(dāng)水泥基灌漿材料的最大骨粒粒徑大于4.75 mm 且不大于25 mm時(shí),稱之為第Ⅳ類灌漿料,抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件應(yīng)采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊.當(dāng)水泥基灌漿材料的最大骨粒粒徑小于4.75 mm 時(shí),稱之為第Ⅲ類灌漿料,抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試件應(yīng)采用尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體試塊.
隨著水泥基灌漿料的應(yīng)用與發(fā)展,為了保證施工進(jìn)度以及結(jié)構(gòu)的安全性,需要對(duì)其進(jìn)行早期抗壓強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),回彈法作為一種無(wú)損檢測(cè)方法,因?yàn)椴僮骱?jiǎn)單靈活、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[4],已成為我國(guó)工程建設(shè)中質(zhì)量檢測(cè)的重要方法.在制作灌漿料早期抗壓強(qiáng)度回彈測(cè)強(qiáng)曲線時(shí)[5],由于標(biāo)準(zhǔn)試塊尺寸過(guò)小,為方便在試塊壓力機(jī)上進(jìn)行回彈,無(wú)法使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸試塊,參考《回彈法檢測(cè)混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T 23—2011)[6],往往選擇150 mm 立方體試塊作為試驗(yàn)對(duì)象,而第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料的標(biāo)準(zhǔn)試件應(yīng)分別采用尺寸40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體和100 mm×100 mm×100 mm 的立方體,因此有必要對(duì)這兩類加固灌漿料進(jìn)行不同試模尺寸下試件的抗壓強(qiáng)度分析,為回彈試驗(yàn)提供參考依據(jù).
長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)于加固灌漿料的研究集中在配合比和材料基本性能方面,對(duì)其力學(xué)性能研究報(bào)道很少,僅吳元等人[7]研究了豆石型灌漿料的立方體抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)并得出150 mm 立方體試塊與100 mm立方體試塊的抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)為0.82,張磊等人[8]采用3 種不同加固灌漿料,研究了150 mm 立方體試塊與100 mm 立方體試塊的抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)范圍為0.81~0.87,平均值為0.84,隨抗壓強(qiáng)度提高,換算系數(shù)規(guī)律性降低.熊楊等人[9]通過(guò)研究尺寸為20~50 mm 的正方體、圓柱體和棱柱體試件的破壞形態(tài)和抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),灌漿料試件的形狀對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響比較明顯,而尺寸的影響不顯著.楊偉軍等人[10]對(duì)砂漿試塊進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn),得出砂漿立方體試件抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)現(xiàn)象較明顯,并得出了邊長(zhǎng)100 mm、150 mm 及200 mm 立方體試件抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度值之間的換算系數(shù).
本文考慮到目前沒有明確可供工程實(shí)踐參考的水泥基灌漿料在使用不同試模時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度換算系數(shù),針對(duì)回彈試驗(yàn)和某些實(shí)際工程中對(duì)灌漿料早期強(qiáng)度的需求,得出了灌漿料在使用不同試模時(shí)試塊早期抗壓強(qiáng)度換算系數(shù),供工程實(shí)踐參考.
試驗(yàn)用灌漿料選用由本地某特種加固材料制造商生產(chǎn)的HPG-A 灌漿料,其主要性能參數(shù)見表1.
表1 試驗(yàn)用灌漿料HPG-A 主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of test grout HPG-A
本試驗(yàn)分別對(duì)第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料進(jìn)行了不同試模對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響研究,試驗(yàn)中第Ⅳ類灌漿料采用幾何相似試件[11],以尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件為標(biāo)準(zhǔn)試件,以尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件為非標(biāo)準(zhǔn)試件.第Ⅲ類灌漿料采用非幾何相似試件,以尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體試件為標(biāo)準(zhǔn)試件,以尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件為非標(biāo)準(zhǔn)試件.以標(biāo)準(zhǔn)試件和非標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比來(lái)分析不同試模對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的影響.為了得到此種灌漿料的各個(gè)齡期強(qiáng)度等級(jí),采用同等原材料、配合比以及養(yǎng)護(hù)條件來(lái)控制.第Ⅲ類灌漿料按1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d 共6 個(gè)齡期,每個(gè)齡期分別成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體標(biāo)準(zhǔn)試件和尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體非標(biāo)準(zhǔn)試件3 組,每組3 個(gè)試塊.第Ⅳ類灌漿料按1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d 共6 個(gè)齡期,每個(gè)齡期分別成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 立方體標(biāo)準(zhǔn)試件和尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 立方體非標(biāo)準(zhǔn)試件3 組,每組3 個(gè)試塊.試件成型尺寸及組數(shù)見表2.
表2 試件成型尺寸及組數(shù)Tab.2 Size and number of test blocks
按照灌漿料的推薦用水量(每50 kg 灌漿料加水6.5 L)加水,本試驗(yàn)第Ⅲ類灌漿料不摻骨料,第Ⅳ類灌漿料按所添加灌漿料質(zhì)量的40%添加骨料,骨料采用5~16 mm 連續(xù)級(jí)配的卵石.在300 L 立式強(qiáng)制式攪拌機(jī)拌合均勻后,隨機(jī)灌入相應(yīng)試模,磨平,置于養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù).
1)試塊加壓加載速率:對(duì)試件而言,加載速率越大得到的強(qiáng)度就越高,對(duì)各試塊統(tǒng)一采取5 kN/s 的加載速率,控制因不同加載速率引起的強(qiáng)度誤差.
2)試塊的制作及養(yǎng)護(hù):與普通混凝土相比,水泥基灌漿料的強(qiáng)度上升更快,用水量則小得多,因此養(yǎng)護(hù)條件對(duì)水泥基灌漿料的影響比對(duì)普通混凝土要大,要嚴(yán)格控制在溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù).
3)試驗(yàn)設(shè)備和精度:試驗(yàn)時(shí),要求試件中心和壓力機(jī)中心要對(duì)準(zhǔn),壓力機(jī)所有的平板必須平整,一是保證壓板表面的平整度,二是壓板必須具有一定的剛度以及表面硬度,否則對(duì)試驗(yàn)結(jié)論都會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響.試驗(yàn)前應(yīng)對(duì)壓力機(jī)進(jìn)行維修檢驗(yàn).
4)人為因素:攪拌不均、振搗不勻等都會(huì)對(duì)其強(qiáng)度產(chǎn)生不同程度的影響.試塊制作過(guò)程中,應(yīng)嚴(yán)格保證每批試塊的質(zhì)量,對(duì)灌漿料、水、骨料的用量嚴(yán)格控制,并在攪拌時(shí),邊加灌漿料邊加水,在保證攪拌均勻的同時(shí)保證攪拌時(shí)間不少于300 s,攪拌完成后裝模,對(duì)試塊進(jìn)行輕微人工振搗.
5)嚴(yán)格保證每個(gè)齡期強(qiáng)度等級(jí)的灌漿料試塊出自于同一車攪拌機(jī),嚴(yán)格保證各個(gè)不同齡期強(qiáng)度的灌漿料試塊配合比一致.
對(duì)尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 和100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊,抗壓試驗(yàn)時(shí)采用WHY-2000 型壓力試驗(yàn)機(jī).抗壓試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法進(jìn)行操作,各試件均采用相同的5 kN/s 加載速率,以避免不同的加載速率對(duì)試件的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響.對(duì)尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體試塊抗壓試驗(yàn)采用TYA-300B 型微機(jī)控制恒加載抗折抗壓試驗(yàn)機(jī),抗壓試驗(yàn)裝置如圖1 所示.
圖1 抗壓試驗(yàn)裝置Fig.1 Compression test device
為了驗(yàn)證不同試模對(duì)水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度有無(wú)顯著性影響,現(xiàn)對(duì)其不同試模成型試塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)行一元方差分析[12].假定本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)均來(lái)自正太母體,以第Ⅳ類水泥基灌漿料28 d 齡期時(shí)強(qiáng)度為例進(jìn)行分析,試塊尺寸有2 種水平,D1:100 mm×100 mm×100 mm,D2:150 mm×150 mm×150 mm.試件抗壓強(qiáng)度見表3.
表3 第Ⅳ類料28 d 齡期時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度Tab.3 Compressive strength of block Ⅳat 28 d age
利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí),假定2 個(gè)母體的方差相等,假設(shè)H0:μ1=μ2,其中μ1、μ2為2 個(gè)母體的平均值,用9 個(gè)子樣來(lái)檢驗(yàn)上述假設(shè)是否成立.給定顯著性水平α=5%,方差分析見表4.
表4 方差分析表Tab.4 Variance analysis table
對(duì)本齡期中的灌漿料試件,r=2,n1=n2=9,n=18,Xij表示每個(gè)子樣的值,X1=75.7,X2=72.1,X=73.9,經(jīng)計(jì)算可得以下方差分析表,見表5.
表5 第Ⅳ類料28 d 齡期時(shí)試塊抗壓強(qiáng)度方差分析表Tab.5 Variance analysis table of compressive strength of group Ⅳat 28 days
查數(shù)理統(tǒng)計(jì)中F 分布上側(cè)分位數(shù)表,F(xiàn)0.05(1,16)=4.49,因?yàn)镕 >F0.05(1,16),故拒絕H0,即認(rèn)為第Ⅳ類料28 d 齡期時(shí)試塊試模不同對(duì)灌漿料試塊的抗壓強(qiáng)度有顯著性影響.同理,對(duì)其他齡期下的第Ⅲ類、第Ⅳ類灌漿料試塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)行一元方差分析,結(jié)果見表6.
表6 第Ⅲ、Ⅳ類料各齡期抗壓強(qiáng)度方差分析表Tab.6 Variance analysis table of compressive strength of groups Ⅲand Ⅳat different ages
綜合以上對(duì)同一加載速率下灌漿料試塊進(jìn)行的一元方差分析可看出,1 d、3 d 齡期時(shí)F>F0.05(1,16),因?yàn)樵噳K強(qiáng)度處于不穩(wěn)定上升期,雖說(shuō)各尺寸試塊強(qiáng)度均值有差異,但組內(nèi)數(shù)據(jù)比較分散,組內(nèi)離差平方和比較大,因此不同試模對(duì)試塊強(qiáng)度影響相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小,即影響效果不顯著.7 d、14 d、21 d、28 d 齡期時(shí)F>F0.05(1,16),因?yàn)樵噳K強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,所以不同試模對(duì)灌漿料試塊的抗壓強(qiáng)度有顯著性影響.
水泥基灌漿料抗壓強(qiáng)度各齡期實(shí)測(cè)均值如表7、表8 及圖2 所示,表中試件編號(hào)采用x-y 的形式表示,其中x 表示試件的齡期,y 表示試件尺寸.例如,1-150 表示為試件齡期為1 d,試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm.
表7 第Ⅲ類(不含骨料)灌漿料抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)均值Tab.7 Type Ⅲ(without aggregate)grout compressive strength measured average
由表7、表8 可知,各試件抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)均小于15%,表明試驗(yàn)結(jié)果的離散性在正常范圍之內(nèi),可通過(guò)求均值的方法得出各齡期強(qiáng)度.從圖2 可得出:1)不同試模對(duì)灌漿料試塊抗壓強(qiáng)度有明顯影響,第Ⅲ類料40 mm×40 mm×160 mm 棱柱體試件試塊強(qiáng)度明顯高于150 mm×150 mm×150 mm 立方體試件試塊強(qiáng)度,第Ⅳ類料100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件試塊強(qiáng)度明顯高于150 mm×150 mm×150 mm 立方體試件試塊強(qiáng)度.2)第Ⅲ、Ⅳ類料在前7 d強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,7 d 可達(dá)到28 d 強(qiáng)度的80%以上,7 d后強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定,并且第Ⅳ類料各齡期強(qiáng)度明顯小于第Ⅲ類料.3)在1 d、3 d 齡期時(shí),組內(nèi)數(shù)據(jù)較分散,不同試模對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響較小,在7 d 齡期后,試塊強(qiáng)度開始趨于穩(wěn)定,不同試模對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響較顯著,并且第Ⅳ類料比第Ⅲ類料對(duì)于這種影響表現(xiàn)更明顯.
表8 第Ⅳ類(含骨料)灌漿料抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)均值Tab.8 Type Ⅳ(with aggregate)grout compressive strength measured average
圖2 灌漿料抗壓強(qiáng)度Fig.2 Grout compressive strength
為了表述不同試模對(duì)試件抗壓強(qiáng)度的影響程度,引入抗壓強(qiáng)度換算系數(shù),定義灌漿料不同試模間試件抗壓強(qiáng)度換算系數(shù),第Ⅲ類料換算系數(shù)見式(1),第Ⅳ類料換算系數(shù)見式(2).
式中:fcc,40、fcc,100、fcc,150分別對(duì)應(yīng)尺寸40 mm×40 mm×160 mm 棱柱體、100 mm×100 mm×100 mm 立方體和150 mm×150 mm×150 mm 立方體試件的抗壓強(qiáng)度,則兩類加固灌漿料的各齡期抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)試塊與非標(biāo)準(zhǔn)試塊間換算系數(shù)見表9、表10.
表9 第Ⅲ類灌漿料各齡期抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)Tab.9 Conversion coefficient of type Ⅲgrout compressive strength at different ages
從表9 中可得出第Ⅲ類灌漿料標(biāo)準(zhǔn)尺寸試塊與非標(biāo)準(zhǔn)尺寸試塊間抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)在各個(gè)齡期時(shí)變化較小,出于安全儲(chǔ)備,可選取1.03 作為第Ⅲ類灌漿料處于早期強(qiáng)度時(shí),40 mm×40 mm×160 mm 標(biāo)準(zhǔn)試塊與150 mm×150 mm×150 mm 非標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度換算系數(shù),即標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度約為非標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度的103%.
從表10 中可得出第Ⅳ類灌漿料100 mm×100 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)試塊與150 mm×150 mm×150 mm非標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)在7 d 齡期時(shí)最大,并隨著強(qiáng)度的增加,換算系數(shù)逐漸減小.
表10 第Ⅳ類灌漿料各齡期抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)Tab.10 Conversion coefficient of type Ⅳgrout compressive strength at different ages
對(duì)于第Ⅳ類灌漿料,本試驗(yàn)選用的100 mm×100 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)試塊和150mm×150 mm×150 mm非標(biāo)準(zhǔn)試塊為幾何相似試塊.在統(tǒng)一原材料,相同配合比和養(yǎng)護(hù)條件下,考慮不同試模引起的抗壓強(qiáng)度差值主要是由試塊尺寸大小,即尺寸效應(yīng)引起的,由于添加粗骨料的原因,第Ⅳ類料內(nèi)部孔隙和初始裂縫較多,尺寸效應(yīng)對(duì)抗壓強(qiáng)度影響較明顯,即隨著試件尺寸的增大,抗壓強(qiáng)度值減小.
對(duì)于第Ⅲ類灌漿料,本試驗(yàn)選用的40 mm×40 mm×160 mm 標(biāo)準(zhǔn)試塊和150 mm×150 mm×150 mm非標(biāo)準(zhǔn)試塊為非幾何相似試塊.在統(tǒng)一原材料,相同的配合比和養(yǎng)護(hù)條件下,考慮不同試模引起的抗壓強(qiáng)度差值除了與尺寸大小相關(guān),還與試塊形狀、邊界約束效應(yīng)、不同試驗(yàn)機(jī)誤差等因素相關(guān),因此后期可對(duì)尺寸大小、形狀等自變量進(jìn)行單獨(dú)對(duì)比驗(yàn)證分析,得出各個(gè)自變量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響.
本試驗(yàn)對(duì)《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50448—2015)中所規(guī)定的第Ⅲ類、第Ⅳ類灌漿料進(jìn)行抗壓強(qiáng)度尺寸效應(yīng)試驗(yàn)研究,通過(guò)分析72 組抗壓強(qiáng)度數(shù)值得出如下結(jié)論:
1)第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料在前7 d 強(qiáng)度增長(zhǎng)較快,7 d可達(dá)到28 d 強(qiáng)度的80%以上,7 d 后強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定,并且添加骨料的第Ⅳ類料各齡期強(qiáng)度明顯小于未添加粗骨料的第Ⅲ類料.
2)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元方差分析得出,第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料在1 d、3 d 齡期時(shí),抗壓強(qiáng)度處于迅速上升期,強(qiáng)度不穩(wěn)定,強(qiáng)度數(shù)據(jù)比較離散、方差相對(duì)較大,使用不同試模對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響相對(duì)較小.
3)試驗(yàn)表明,7 d 齡期開始,第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料抗壓強(qiáng)度開始趨于穩(wěn)定,使用不同試模對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度有明顯影響.出于安全儲(chǔ)備,可選取1.03 作為第Ⅲ類灌漿料處于早期強(qiáng)度時(shí),40 mm×40 mm×160 mm標(biāo)準(zhǔn)試塊與150 mm×150 mm×150 mm 非標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度換算系數(shù),即標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件抗壓強(qiáng)度為非標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度的103%.第Ⅳ類灌漿料100 mm×100 mm×100 mm 標(biāo)準(zhǔn)試塊與150 mm×150 mm×150 mm 非標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度換算系數(shù)在7 d 齡期時(shí)最大,并隨試塊強(qiáng)度增加,換算系數(shù)逐漸減小.在7 d齡期時(shí),標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件抗壓強(qiáng)度為非標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度的111%,在14 d 齡期時(shí),標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件抗壓強(qiáng)度為非標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度的109%,在28 d 齡期時(shí)標(biāo)準(zhǔn)尺寸試件抗壓強(qiáng)度為非標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度的105%.
4)本試驗(yàn)數(shù)據(jù)可為制作第Ⅲ、Ⅳ類水泥基灌漿料早期抗壓強(qiáng)度回彈測(cè)強(qiáng)曲線時(shí)提供理論參考.
5)本試驗(yàn)數(shù)據(jù)供第Ⅲ、Ⅳ類水泥基灌漿料加固實(shí)際工程,特別是對(duì)早期強(qiáng)度有要求的實(shí)際工程借鑒參考.