PS-F系列灌漿材料的強(qiáng)度特性

內(nèi)容摘要：先用超聲波無損檢測、再用抗折試驗(yàn)和單軸無側(cè)限抗壓試驗(yàn)相結(jié)合的有損檢測法，分別表征不同齡期的PS-F系列灌漿材料在逐步失水條件下的強(qiáng)度特征。隨著充填于PS-F系列灌漿材料孔隙中液態(tài)水不斷散失，固態(tài)骨粒間的PS無機(jī)膠粘劑的強(qiáng)度逐漸增長，因此，漿液結(jié)石體的超聲波速值出現(xiàn)有規(guī)律的起伏，給出不同齡期的PS-F系列灌漿材料在初期強(qiáng)度小范圍波動(dòng)的條件下超聲波速與失水率之間的關(guān)系，在失水率基本相同的條件下超聲波速與強(qiáng)度之間的關(guān)系。另一方面，通過回歸擬合的數(shù)學(xué)方法，試圖建立不同齡期PS-F系列灌漿材料的抗折強(qiáng)度和單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系。

關(guān)鍵詞：PS-F；灌漿材料；超聲波；強(qiáng)度；失水率

中圖分類號(hào)：K854.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-4106(2009)06-0026-04

一 引言

以最佳模數(shù)和濃度的PS(Potassium Silicate硅酸鉀)為主劑、以粉煤灰(F)為填充劑、以氟硅酸鈉為固化劑而研制成的PS-F灌漿材料在砂礫巖石窟巖體裂隙灌漿加固中已有廣泛的應(yīng)用。在西藏空鼓病害壁畫的灌漿加固研究中，為了增加灌漿材料與被加固主體在物質(zhì)成分上的相似性，根據(jù)壁畫地仗層制作工藝的不同，在PS-F灌漿材料的基礎(chǔ)上再分別摻入占粉煤灰質(zhì)量一定比例的阿嘎土(A)、巴嘎土(B)和白土(W)，由此配制成PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS-(F+W)一系列衍生灌漿材料。本文中所指的PS-F系列灌漿材料是包括PS-F、PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS-(F+W)在內(nèi)的四種基于PS和F的灌漿材料。

研究PS-F系列灌漿材料的性能，從粉煤灰的化學(xué) 成分、礦物成分和基本物理性質(zhì)入手，在測定PS-F漿液結(jié)石體的主要物理性質(zhì)后，聯(lián)合使用超聲波速、抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度等三重指標(biāo)來研究齡期、固化溫度、PS濃度、PS模數(shù)、水灰比、固化劑摻量和粉煤灰除碳等因素對(duì)PS-F漿液結(jié)石體強(qiáng)度的影響，并研究了PS-F漿液結(jié)石體的安定性、水軟化特點(diǎn)、耐堿性、耐凍融性以及收縮變形性等特性。當(dāng)制備PS-F灌漿材料所用粉煤灰的品質(zhì)有了顯著提高之后，PS-F灌漿材料的物理力學(xué)性能得到了改善。在研究PS-F系列灌漿材料性能的過程中，積累了大量的關(guān)于漿液結(jié)石體失水率、超聲波速、抗折強(qiáng)度和單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等方面的寶貴數(shù)據(jù)。因此，如果能夠在這些直接測定量之間建立可信的數(shù)學(xué)關(guān)系，PS-F系列灌漿材料的物理力學(xué)性能就可以用更少的參量來表示。這意味著今后再進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)研究時(shí)，就可以減少需要直接測試的物理量，節(jié)省工作量。

二 PS-F系列灌漿材料的制備

PS主劑的模數(shù)和濃度直接影響PS材料加固干旱區(qū)土建筑遺址的效果，PS-F系列灌漿材料的性能也明顯受制于PS主劑的模數(shù)和濃度，按照一系列的篩選標(biāo)準(zhǔn)，適用于西藏空鼓病害壁畫灌漿加固材料的PS主劑的最佳模數(shù)為3.80，最佳質(zhì)量百分比濃度為10％①。實(shí)驗(yàn)中所用的PS主劑由甘肅省文物保護(hù)修復(fù)中心提供，根據(jù)溶質(zhì)守恒定律，用高模低濃的PS(模數(shù)M=4.15、濃度C=21.82％)、低模高濃的PS(模數(shù)M=3.59、濃度C=34.83％)以及蒸餾水配得中等模數(shù)(3.59≤M≤4.15，取M=3.80)和任意濃度的PS主劑。

粉煤灰由唐山陡河電廠供應(yīng)，阿嘎土和巴嘎土由北京凱萊斯(CANNEX)建筑技術(shù)有限責(zé)任公司提供，白土產(chǎn)自西藏日喀則地區(qū)薩迦縣附近。對(duì)粉煤灰、阿嘎土、巴嘎土和白土的物理化學(xué)性質(zhì)已做過較為系統(tǒng)的研究，四種填充材料的質(zhì)量較為穩(wěn)定。PS-F灌漿材料中的填充劑全部是粉煤灰，PS-(F+A)灌漿材料中粉煤灰和阿嘎土的質(zhì)量之比為4:1，PS-(F+B)灌漿材料中粉煤灰和巴嘎土的質(zhì)量之比也是4:1，PS-(F+W)灌漿材料中的填充劑按粉煤灰和白土的質(zhì)量比為3:2組成。

固化劑的質(zhì)量占PS-F系列漿液中PS水溶液質(zhì)量的1.5％。

由于實(shí)驗(yàn)中4種填充材料的液限值不同，在水灰比相同的條件下，四種PS-F系列漿液的和易性與流動(dòng)度也會(huì)各異。在保證可灌性的前提下，PS-F系列漿液的水灰比取最小值時(shí)，漿液結(jié)石體的性能最佳。因此，確定實(shí)驗(yàn)中PS-F、PS-(F+A)和PSV(F+B)等三種漿液的最佳水灰比為0.55，PS-(F+W)漿液的水灰比取值為0.60。現(xiàn)場施工過程中，可以根據(jù)具體的實(shí)際情況，水灰比可以在設(shè)計(jì)值上下略有浮動(dòng)。

三 PS-F系列灌漿材料的強(qiáng)度

1.試驗(yàn)方法

PS-F系列漿液在尺寸為40mm×40mm×160mm的鐵模內(nèi)澆筑成型后，將漿液連同試模一并轉(zhuǎn)入相對(duì)密閉的恒濕箱，24小時(shí)后對(duì)漿液結(jié)石體脫模，然后再將成型后的PS-F系列漿液結(jié)石體置于恒濕箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。

根據(jù)PS-F系列漿液結(jié)石體在脫模后和測試前質(zhì)量來計(jì)算失水率，稱量精確至0.1g。

采用超聲脈沖法對(duì)PS-F系列灌漿材料進(jìn)行無損檢測，RSM-SY5聲波儀由中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所智能儀器研究室制造，儀器發(fā)射探頭的頻率為50kHz，接收探頭的頻率也為50kHz，采樣間隔為1μs②。

微機(jī)萬能材料試驗(yàn)機(jī)由深圳瑞格爾(REGER)儀器有限公司制造，負(fù)荷傳感器的量程為10kN，精度為0.01N，絕對(duì)位移傳感器的量程為750mm，精度0.001mm。采用應(yīng)變控制式并參考《水泥膠砂強(qiáng)度ISO檢驗(yàn)方法》(GB/T 17671—1999)進(jìn)行PS-F系列漿液結(jié)石體的抗折和單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，抗折試驗(yàn)時(shí)的位移速率為3.6 mm/s，抗壓試驗(yàn)時(shí)的位移速率為7.2 mm/s。

2.超聲波速與失水率的關(guān)系

超聲波在20℃淡水中的傳播速度約為1519.4 m/s，PS-F系列灌漿材料中的超聲波速同時(shí)受漿液結(jié)石體失水率和強(qiáng)度的影響。為了減小PS-F系列漿液結(jié)石體強(qiáng)度的增長對(duì)超聲波速的貢獻(xiàn)，實(shí)驗(yàn)選取3天、5天和7天齡期PS-F系列漿液結(jié)石體的失水率(Pw)和超聲波速(Vp)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析(圖1)。因?yàn)楫?dāng)水灰比約0.55時(shí)，在相對(duì)封閉的養(yǎng)護(hù)條件下，PS-F系列漿液結(jié)石體在7天之內(nèi)的含水率仍高達(dá)45％左右，而失水率卻小于5％，漿液結(jié)石體的固化程度較低，因此灌漿材料的強(qiáng)度較低①。

從圖1可知，當(dāng)PS-F系列漿液結(jié)石體的失水率較小時(shí)，灌漿材料的超聲波速的分布較為集中，最小值為0.941 km/s，最大值為1.463 km/s。經(jīng)分組統(tǒng)計(jì)分析，PS-F、PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS(F-w)四種灌漿材料的平均超聲波速值分別為1.317、1.210、1.307和1.200 km/s，相互比較接近。

3.超聲波速與強(qiáng)度的關(guān)系

分析超聲波速與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系，先要排除PS-F系列灌漿材料孔隙中非飽和水分對(duì)超聲波速的干擾，因此，選擇28天齡期PS-F系列灌漿材料的波速值和單軸無側(cè)限強(qiáng)度(RC)值進(jìn)行分析(圖2)。因?yàn)楫?dāng)PS-F系列漿液結(jié)石體的失水率大于30％的時(shí)候，結(jié)石體已接近最大失水率，基本處于自然干燥狀態(tài)，漿液結(jié)石體徹底固化，其強(qiáng)度達(dá)到峰值(圖3)。

圖2中，雖然PS-F系列灌漿材料的單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從1.053MPa增至2.090MPa，但PS-F系列漿液結(jié)石體的超聲波速值仍較為集中，最小值為1.129km/s，極大值為1.472km/s，統(tǒng)計(jì)平均值為1.253km/s，與PS-F系列漿液結(jié)石體在低失水率時(shí)的超聲波值較接近。這充分說明，PS-F系列灌漿材料的超聲波指標(biāo)與單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的一對(duì)一映射關(guān)系較差，測得某一灌漿材料的超聲波速后，不能精準(zhǔn)地求解出對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度。

4.抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

PS-F系列灌漿材料的單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是在抗折強(qiáng)度的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，假如能夠憑借經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)抗折強(qiáng)度計(jì)算出抗壓強(qiáng)度，那么就可以不用進(jìn)行破壞性單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。選取28天齡期PS-F系列灌漿材料的抗折強(qiáng)度(R_f)和單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析(圖4)。

如圖3所示，摒除個(gè)別極值后，回歸擬合四種PS-F系列灌漿材料單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的關(guān)系，可得經(jīng)驗(yàn)公式：

R_c-2.546×(1-e^-1.67535Rf) (1)

式中，R_c為PS-F系列灌漿材料的單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MP；R_f為PS-F系列灌漿材料的抗折強(qiáng)度，MPa。

四 結(jié)論

PS-F系列漿液結(jié)石體在固化初期基本上處于飽水(Pw≤5)狀態(tài)，超聲波速約為1.26km/s。隨著漿液結(jié)石體不斷失水，在非飽和(5≤Pw≤30)狀態(tài)下，PS-F系列灌漿材料的超聲波速值有降低的趨勢，但與此同時(shí)，漿液結(jié)石體的強(qiáng)度逐步增長，超聲波速值又趨于上升，兩者綜合的結(jié)果是PS-F系列灌漿材料的超聲波速值降低，通常小于1km/s。當(dāng)漿液結(jié)石體基本干燥(30≤Pw)后，PS-F系列灌漿材料的強(qiáng)度迅速提高，超聲波速達(dá)到1.25 km/s。

PS-F系列灌漿材料的超聲波速值可以清晰辨別漿液結(jié)石體是否處于近飽水狀態(tài)或臨于干燥狀態(tài)，但無法根據(jù)超聲波速指標(biāo)確切估計(jì)PS-F系列漿液結(jié)石體的強(qiáng)度。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可以由PS-F系列灌漿材料的抗折強(qiáng)度推算出單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果具有較高的可信度。