磷酸鎂水泥砂漿與混凝土的錨固粘結性能研究

崔棚 戴夢希 丁鑄 侯東帥 董必欽

（1深圳大學土木與交通工程學院，廣東 深圳 518060；2深圳市大鵬新區大鵬辦事處，廣東 深圳 518116；3青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033）

隨著新技術的發展和產業轉型升級，以及可持續發展和生態環保理念的不斷進步，建筑領域存在一些需要在原有建筑結構上進行加固改造以便能夠繼續使用的工程，這樣既能滿足建筑結構安全性和使用性要求，同時低碳排放，是既有建筑物充分利用的最佳方案之一[1-3]。在加固原有建筑物結構過程中，部分建筑物需要在原有混凝土中進行植筋錨固；而錨固劑決定了植入鋼筋與舊有混凝土之間能否很好地協同工作，因此對于錨固劑的研究十分重要[4-6]。國外對植筋技術研究較早且已經有較多相關標準規范，我國目前對該技術研究還比較少[7-8]。最新的標準《混凝土結構工程用錨固膠》（GB/T 37127—2018）僅涉及目前工程和研究中使用的有機錨固劑，而沒有針對無機錨固劑。事實上，無機錨固劑已經顯示了良好的技術經濟效果，例如無機后錨固材料與混凝土的粘結強度可達8.5MPa[9]；在硫磺砂漿錨固劑中的砂子用石屑和石粉代替，不僅可以節約砂子用量，還可以將錨固劑的抗壓和抗折強度分別提高27.9%和10.1%[10]。相對于有機錨固劑，無機錨固劑不僅具有耐高溫性能好，例如無機化學錨栓在200℃時，極限拉拔承載力為常溫下的89%～109%，但是大部分有機錨固劑在500℃的火災高溫環境中，抗拔承載力下降到5kN以下，而無機化學錨栓的仍可以保持在10～20kN；更重要的是，無機錨固劑提供的弱堿性環境，可以對鋼筋進行防護，可以顯著延長加固結構的安全性和使用壽命[11-15]。但目前可供選擇的無機錨固劑種類及相關研究較少。

磷酸鎂水泥（Magnesium Phosphate Cement，MPC）是由重燒鎂砂和磷酸鹽組成，是一種酸堿水泥，其水化反應速率比較快，通常需要添加硼酸或硼砂作為緩凝劑[16-18]。磷酸鎂水泥具有快凝早強、對鋼筋有阻銹防護功能、與舊有混凝土粘結力強等諸多優點，因此十分適合作為建筑加固工程中植筋錨固技術的錨固劑[19]。研究表明，在弱堿性環境下，磷酸鎂水泥與鐵反應生成FeH（H2PO4）2、FePO4和FeOOH，并和MgKPO4·6H2O一起形成一層致密的鈍化膜，對鋼筋的銹蝕起到很強的防護作用[16，20]。在低碳鋼表面涂覆500μm的磷酸鎂水泥，經1440h中性煙霧腐蝕試驗后，低碳鋼表面未見銹蝕；而磷酸鎂水泥可以使優質結構鋼的耐銹蝕能力更強[21-22]。由于摻合料的分散效應可以使磷酸鹽反應更充分，能明顯改善磷酸鎂水泥的抗鋼筋銹蝕性能[23]。磷酸鎂水泥對鋼筋的防護性能，十分有利于作為植筋錨固技術中的錨固劑。但是，目前對于磷酸鎂水泥作為錨固劑的研究很少，特別是磷酸鎂水泥與鋼筋混凝土的拉拔和反復加載卸載的力學性能研究較少。

本研究通過對摻加粉煤灰的磷酸鎂水泥砂漿和硅酸鹽水泥（Portland Cement，PC）砂漿、市售無機錨固劑及有機錨固劑錨固鋼筋進行單軸拉拔試驗和反復加載卸載試驗，分析磷酸鎂水泥砂漿與普通混凝土之間的粘結界面微觀形貌，為磷酸鎂水泥作為植筋錨固技術中的錨固劑奠定基礎。

1 實驗

1.1 原材料

重燒鎂砂（海城華宇集團）和粉煤灰（東莞市火力發電廠）的主要成分見表1。其他原材料包括：磷酸二氫鉀，成都科龍化工試劑廠產，分析純；硼砂（Na2B4O7·10H2O），上海凌峰化學試劑有限公司產，分析純；水泥，廣州市珠江水泥有限公司粵秀牌硅酸鹽水泥，強度等級P·Ⅱ42.5R；考慮到帶肋鋼筋對有機和無機錨固劑拉拔強度會有不同程度的影響，為減少試驗變量，故采用光圓鋼筋，又由于鋼筋直徑越大，臨界錨固深度越深，考慮到單軸錨固拉拔試驗所用的混凝土塊尺寸，故采用鋼筋直徑8mm，最終選用Φ8的HPB 300鋼筋[19]；砂漿所用砂為標準砂；所用水為去離子水；試驗所用有機錨固劑為上海皇氏工匠牌環氧樹脂類雙組份注射式有機植筋膠；試驗所用無機錨固劑為佳合天成加固材料廠的HB-600型無機植筋錨固劑。

MPC砂漿中磷酸二氫鉀與重燒鎂砂的質量比為1：1，硼砂與重燒鎂砂的質量比為1：3，水灰比為0.17，膠砂比為1，粉煤灰與MPC的質量比為1.08：1。

錨固試驗所用的基材混凝土強度等級為C50，w/c=0.4，水泥：砂子：石子=1：1.58：1.52，石子為粒徑為4.75～31.5mm連續級配的天然碎石，砂子為河砂（中砂）。試驗所用硅酸鹽水泥（PC）砂漿的水膠比w/c=0.4，膠砂比為1。

1.2 試驗方法

1.2.1 單軸錨固拉拔試驗

為對比MPC砂漿的錨固性能，設置了4組對照組（除預埋鋼筋組外，其他3組均為后錨固組，所使用的混凝土基材試件材料、外形尺寸、孔洞尺寸均完全一致），即預埋鋼筋組、硅酸鹽水泥砂漿組（PC砂漿組）、有機錨固劑組和無機錨固劑組。

根據混凝土的配比制作一批邊長為100mm的立方體混凝土試塊，澆筑時在模具中央插入長130mm、直徑Φ25的PVC管，在管身90mm處做標記，混凝土澆筑后在室溫環境養護24小時后脫模并拔出PVC管，即得長90mm、直徑25mm的預留孔洞。而預埋鋼筋組直接在澆筑混凝土試塊時插入鋼筋即可。

混凝土試塊在溫度為20℃、相對濕度大于90%的混凝土養護室內養護28天后取出，自然晾干，即混凝土表面及孔道內壁達到面干狀態；將配置好的MPC砂漿、PC砂漿、有機錨固劑和無機錨固劑依次灌注進入混凝土試塊的預留孔洞中，隨后插入表面用角磨機除銹并用無水乙醇清洗后的、長度為200mm的Φ8 HPB 300鋼筋；拉拔試件制作好后放置在室內養護，測試養護1d、3d、7d、28d的拉拔強度，所用測試儀器為深圳市瑞格爾儀器有限公司的微機控制電子萬能試驗機（RGM-4100，規格100kN），加載速度5mm/min。每組配比的每個齡期各做4個拉拔試件，取平均值為拉拔強度值。單軸拉拔試驗如圖1所示。

圖1 單軸拉拔試驗

1.2.2 反復加載卸載試驗

為了研究在齡期較長時，反復荷載作用下各種錨固劑植筋的錨固性能，對植筋試件進行反復加載-卸載試驗。所用植筋試件的植筋深度為預試驗中確定的最佳錨固深度，即錨固深度為錨固鋼筋直徑的1.75倍[19]。試件在大氣環境中養護100天，各組試件的反復加載-卸載試驗中循環荷載的上下限值和循環次數均相同，即荷載上限為15kN，下限為1kN，循環次數設置為10次。試件尺寸為直徑150mm、高300mm的圓柱體，中心植筋，每種錨固劑為一組，每組3個試件。所用測試儀器為深圳市瑞格爾儀器有限公司微機控制電子萬能試驗機（RGM-4100，規格100kN），加載速度5mm/min。

1.2.3 微觀結構分析

為了研究MPC砂漿與混凝土之間的界面粘結性能，取拉拔試驗后的樣品試塊，采用掃描電鏡（SEM，FEI公司Quanta TM 250）進行測試分析。

2 試驗結果與分析

2.1 MPC砂漿的單軸拉拔性能研究

將磷酸鎂水泥與其他錨固劑1d、3d、7d和28d的試件進行單軸拉拔測試，結果如圖2所示。

從圖2可以看出，在本研究中，MPC砂漿錨固鋼筋的1d拉拔強度雖然低于有機錨固劑組和無機錨固劑組，僅為1.68MPa，但明顯高于PC砂漿組和預埋鋼筋組。MPC砂漿3d和7d的拉拔強度發展迅速，比無機錨固劑組3d和7d的拉拔強度僅小24%和9%，但已經明顯高于有機錨固劑組3d拉拔強度，是后者的2.2倍，并稍高于有機錨固劑組7d的拉拔強度。在28d時，MPC砂漿的拉拔強度最大，達到7.73MPa，比無機錨固劑組、有機錨固劑組、PC砂漿組和預埋鋼筋組分別高5%、13%、83%和129%。有研究表明，磷酸鎂水泥與低碳鋼的粘結強度可達4.6±0.7MPa[21]。而所用MPC砂漿的3d和7d的拉拔強度是1d拉拔強度的2.8倍和3.4倍，而28d拉拔強度則是7d拉拔強度的1.3倍，說明MPC砂漿的拉拔強度一直在不斷增加。

圖2 不同錨固劑的拉拔強度和破壞形態

從圖2可見，市售無機錨固劑組的早期拉拔強度最高，但28d的拉拔強度低于MPC砂漿的拉拔強度，且28d拉拔破壞時僅有部分混凝土試塊被拔出，而MPC砂漿組28d拉拔破壞時，MPC砂漿粘結的混凝土均被拔出，說明MPC砂漿與混凝土和鋼筋之間的粘結十分牢固。MPC砂漿同無機錨固劑組一樣，均能與鋼筋和混凝土界面有較高的粘結力。磷酸鎂水泥中存在大量未水化的反應物，這些反應物隨著齡期增長而繼續反應，從而使得MPC砂漿的28d拉拔強度高于無機錨固劑組的28d拉拔強度。而除了有機錨固劑組1d拉拔強度高于MPC砂漿外，PC砂漿組、預埋鋼筋組和有機錨固劑其他齡期的拉拔強度均低于MPC砂漿組的拉拔強度，且28d拉拔破壞時，有機錨固劑組的鋼筋從有機錨固劑內被拔出，說明有機錨固劑與鋼筋之間的粘結力小于與混凝土之間的粘結力；PC砂漿組的砂漿隨著鋼筋被拔出而拔出，說明PC砂漿與鋼筋之間的粘結力大于其與混凝土之間的粘結力；預埋鋼筋組的鋼筋拔出后僅有少量的表層混凝土被拔出，說明鋼筋與混凝土之間的粘結力較低。

由于MPC砂漿屬于脆性材料，拉拔試驗中的荷載位移曲線能在一定程度上反映材料破壞時的脆性程度，故對MPC砂漿單軸拉拔試驗的荷載位移曲線進行分析，如圖3所示。

從圖3可以看出，MPC砂漿早期的拉拔破壞均屬于比較明顯的脆性破壞，達到抗拉極限荷載后荷載急速下降，但荷載下降的速率明顯低于達到拉拔極限荷載前的上升速率，且荷載下降段均有20mm左右的緩慢破壞階段，說明MPC砂漿在錨固鋼筋后表現出一定的塑性變形（有吸收能量的能力），特別是在28d的荷載位移曲線中，可以明顯看到達到拉拔極限荷載前存在一段類似低碳鋼拉伸試驗中的屈服階段。此外，從28d的荷載位移曲線還可以看到，在MPC砂漿錨固鋼筋拉拔試驗后期有明顯的類似滯回曲線產生，說明MPC砂漿錨固的鋼筋在抗拉承載力退化階段有一定的耗能能力，這對于建筑結構抗震能力十分有利。

圖3 MPC砂漿組拉拔試驗的荷載位移曲線

2.2 MPC砂漿承受反復加載卸載性能研究

通過MPC砂漿錨固鋼筋單軸拉拔試驗發現，MPC砂漿錨固的鋼筋在抗拉承載力退化階段具有一定的抗震能力。為了進一步研究MPC砂漿錨固鋼筋的長期（100d）力學性能，對MPC砂漿和其他錨固劑承受反復加載卸載性能進行試驗研究，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同錨固劑反復加載卸載的荷載位移曲線

從圖4（a）可見，與其他錨固劑組相比，MPC砂漿達到極限荷載的位移更大，并且在達到荷載極限前的荷載上升速率最小；同時，與預埋鋼筋組相比，MPC砂漿錨固鋼筋在達到極限荷載后的抗拉承載力退化過程更緩慢；這將有效延長結構破壞的時間，從而增加災害發生時的逃生時間，減少災害損失。從圖4（b）可見，不同錨固劑均在位移達到4mm之前達到極限荷載，其中無機錨固劑組和有機錨固劑組在達到極限荷載后有類似滯回曲線產生，而MPC砂漿組則沒有類似滯回曲線產生，這可能主要是因為磷酸鎂水泥中未反應的反應物經過長時間的反應，生成更多的鉀型鳥糞石，使得MPC砂漿錨固劑的結構更加致密，因而在受拉時沒有類似滯回曲線產生。

2.3 MPC砂漿與混凝土的界面粘結

為進一步揭示MPC砂漿錨固鋼筋的錨固機理，對拉拔試樣的界面進行微觀形貌測試分析。

由于拉拔試塊預留孔洞表面主要為裸露的粗細骨料和硅酸鹽水泥硬化后的物質，故MPC砂漿與預留孔洞的界面主要有MPC砂漿與混凝土中骨料的粘結界面，以及MPC砂漿與硬化后的硅酸鹽水泥的粘結界面。

2.3.1 MPC與混凝土中骨料的粘結

在7d拉拔試驗后第3天，選取MPC砂漿粘結有混凝土骨料的試塊，采用SEM觀察其微觀形貌，如圖5所示。

在進行SEM測試時發現，大部分MPC砂漿與混凝土中細骨料的粘結界面如圖5（a）所示，很少一部分MPC砂漿與混凝土中細骨料的粘結界面如圖5（b）所示。由于僅MPC砂漿中含有圓球狀的粉煤灰，而混凝土中沒有使用粉煤灰，故圖5（a）的右半部分為MPC砂漿，左半部分為混凝土中的細砂顆粒，而圖5（b）的左半部分為MPC砂漿，右半部分為混凝土中的骨料。從圖5（a）可以看出，大部分MPC砂漿與混凝土中的細骨料粘結得十分牢固，只有很少一部分界面粘結出現細微縫隙（如圖5（b）所示）。由于新拌MPC砂漿中存在水分，在水化硬化后與混凝土的界面處留下縫隙，進而形成如圖5（b）所示的界面形貌。

圖5 MPC砂漿與混凝土中骨料粘結界面形貌

MPC砂漿與混凝土中的骨料粘結比較牢固，在鋼筋拉拔過程中，MPC砂漿有效地將受拉荷載傳遞到混凝土中，從而使得拉拔試驗達到極限荷載前荷載可以持續增加（如圖2所示）。

2.3.2 MPC砂漿與混凝土中硅酸鹽水泥的粘結

對2.3.1樣品中MPC砂漿與混凝土中硅酸鹽水泥粘結界面進行SEM觀察，結果如圖6所示。

圖6 MPC砂漿與普通混凝土中硅酸鹽水泥粘結界面形貌

由于SEM中觀察到的粉煤灰為圓球狀，樣品中僅磷酸鎂水泥中含有粉煤灰，故圖6（a）左半部分為MPC砂漿，右半部分為硅酸鹽水泥，從圖中可以看出MPC砂漿與硅酸鹽水泥粘結較緊密；為進一步觀察二者之間的界面形貌，對圖6（a）中的b處進行放大觀察，如圖6（b）所示。從圖6（b）可見，MPC砂漿與硅酸鹽水泥相互粘結在一起，結合比較緊密。

此外，對1d和3d拉拔試驗后的試件錘開進行觀察發現，MPC砂漿很容易從預留孔道壁上脫落；而28d拉拔試驗后的試件，在錘開后可以看到MPC砂漿與混凝土粘結緊密，與預留孔道壁上粘結為一體。這說明在MPC砂漿水化早期（1d和3d），MPC砂漿與普通混凝土之間并未發生比較明顯的化學結合，二者之間主要是物理結合，而在水化后期（28d），MPC砂漿與普通混凝土，特別是與普通混凝土中的硅酸鹽水泥發生化學粘結，從而使得28d拉拔強度顯著提高。為進一步驗證MPC砂漿與硅酸鹽水泥界面的化學粘結，對圖6（a）進行了面掃，結果如圖7所示。根據元素的分布，可以判斷存在一定的化學結合。面掃研究表明，水化磷酸鹽凝膠與硅酸鹽水泥界面區域存在化學結合[25]。

由于MPC砂漿和硅酸鹽水泥砂漿中均含有O和Si元素，故在面掃中二者區分不明顯，而絕大部分的Mg元素和Ca元素分別存在于MPC砂漿和硅酸鹽水泥中，故二者的區分十分明顯。同時從圖7中可以看出，MPC砂漿和硅酸鹽水泥交界的界面有一些交叉，說明二者存在一些化學結合。

3 結論

MPC砂漿作為一種新型無機錨固劑，對其進行了錨固鋼筋的單軸拉拔性能和反復加載卸載性能測試，并與其他錨固劑進行了對比研究，還對MPC砂漿與混凝土之間的界面粘結進行了分析，得出如下結論：

1）MPC砂漿錨固鋼筋的早期拉拔強度較低，1d為1.68MPa，但3d和7d拉拔強度分別是1d拉拔強度的2.8倍和3.4倍，而28d拉拔強度是7d拉拔強度的1.3倍；相比PC砂漿組、無機錨固劑組、有機錨固劑組和預埋鋼筋組，MPC砂漿錨固鋼筋的28d拉拔強度最大，達到7.73MPa。

圖7 SEM面掃結果

2）相比PC砂漿組、無機錨固劑組、有機錨固劑組和預埋鋼筋組，MPC砂漿組拉拔試驗中達到最大荷載前的位移最大，這對于災害發生后進行快速逃生十分有利，可有效降低各種原因導致的由建筑結構承載力退化造成的災害損失。

3）MPC砂漿與普通混凝土之間的粘結十分緊密，不僅有物理結合，還存在化學結合，這對于增強MPC砂漿與普通混凝土和鋼筋之間粘結強度十分有利。