不同試模對灌漿料早期抗壓強度影響試驗研究

陳大川，李亮如，彭勃，林悅慈

（1.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082；2.建筑安全與節能教育部重點實驗室（湖南大學），湖南 長沙 410082；3.湖南固特邦土木技術發展有限公司，湖南 長沙 410205）

國外學者對灌漿料的研究較早，世界上最早的灌漿料起源于1802 年的法國，為法國工程師Charles Berling 為加固砌筑墻體所創造，距今已有200 余年.隨后該技術不斷傳入其他國家[1].水泥基灌漿料由高強膠結材料、多種功能外加劑和精選骨料等組成，具有超強黏結、早強、高強、微膨脹、大流動性等優點[2]，多用于混凝土結構加固、補強、修復.灌漿料的強度除與膠結材料、外加劑等各項因素有關外，與其幾何尺寸、幾何形狀等變化也密切相關.同時，隨著灌漿料在加固工程中的應用日益廣泛，為了確保施工進度及安全，工程對灌漿料早期抗壓強度的要求也越來越高.

《水泥基灌漿材料應用技術規范》（GB/T 50448—2015）[3]中將灌漿料分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類，用于結構加固的主要為Ⅲ類和Ⅳ類.當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，稱之為第Ⅳ類灌漿料，抗壓強度標準試件應采用尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊.當水泥基灌漿材料的最大骨粒粒徑小于4.75 mm 時，稱之為第Ⅲ類灌漿料，抗壓強度標準試件應采用尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體試塊.

隨著水泥基灌漿料的應用與發展，為了保證施工進度以及結構的安全性，需要對其進行早期抗壓強度的現場檢測，回彈法作為一種無損檢測方法，因為操作簡單靈活、適用范圍廣等優點[4]，已成為我國工程建設中質量檢測的重要方法.在制作灌漿料早期抗壓強度回彈測強曲線時[5]，由于標準試塊尺寸過小，為方便在試塊壓力機上進行回彈，無法使用標準尺寸試塊，參考《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》（JGJ/T 23—2011）[6]，往往選擇150 mm 立方體試塊作為試驗對象，而第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料的標準試件應分別采用尺寸40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體和100 mm×100 mm×100 mm 的立方體，因此有必要對這兩類加固灌漿料進行不同試模尺寸下試件的抗壓強度分析，為回彈試驗提供參考依據.

長期以來對于加固灌漿料的研究集中在配合比和材料基本性能方面，對其力學性能研究報道很少，僅吳元等人[7]研究了豆石型灌漿料的立方體抗壓強度尺寸效應并得出150 mm 立方體試塊與100 mm立方體試塊的抗壓強度換算系數為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度換算系數范圍為0.81～0.87，平均值為0.84，隨抗壓強度提高，換算系數規律性降低.熊楊等人[9]通過研究尺寸為20～50 mm 的正方體、圓柱體和棱柱體試件的破壞形態和抗壓強度發現，灌漿料試件的形狀對其抗壓強度的影響比較明顯，而尺寸的影響不顯著.楊偉軍等人[10]對砂漿試塊進行單軸抗壓試驗，得出砂漿立方體試件抗壓強度尺寸效應現象較明顯，并得出了邊長100 mm、150 mm 及200 mm 立方體試件抗壓強度與標準試件抗壓強度值之間的換算系數.

本文考慮到目前沒有明確可供工程實踐參考的水泥基灌漿料在使用不同試模時試塊抗壓強度換算系數，針對回彈試驗和某些實際工程中對灌漿料早期強度的需求，得出了灌漿料在使用不同試模時試塊早期抗壓強度換算系數，供工程實踐參考.

1 試驗概況

1.1 試驗用加固灌漿料

試驗用灌漿料選用由本地某特種加固材料制造商生產的HPG-A 灌漿料，其主要性能參數見表1.

表1 試驗用灌漿料HPG-A 主要性能參數Tab.1 Main performance parameters of test grout HPG-A

1.2 試件成型尺寸及組數

本試驗分別對第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料進行了不同試模對其抗壓強度的影響研究，試驗中第Ⅳ類灌漿料采用幾何相似試件[11]，以尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試件為標準試件，以尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件為非標準試件.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 的棱柱體試件為標準試件，以尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試件為非標準試件.以標準試件和非標準試件抗壓強度進行對比來分析不同試模對抗壓強度產生的影響.為了得到此種灌漿料的各個齡期強度等級，采用同等原材料、配合比以及養護條件來控制.第Ⅲ類灌漿料按1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d 共6 個齡期，每個齡期分別成型尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體標準試件和尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 的立方體非標準試件3 組，每組3 個試塊.第Ⅳ類灌漿料按1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d 共6 個齡期，每個齡期分別成型尺寸為100 mm×100 mm×100 mm 立方體標準試件和尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 立方體非標準試件3 組，每組3 個試塊.試件成型尺寸及組數見表2.

表2 試件成型尺寸及組數Tab.2 Size and number of test blocks

1.3 試件成型及養護

按照灌漿料的推薦用水量（每50 kg 灌漿料加水6.5 L）加水，本試驗第Ⅲ類灌漿料不摻骨料，第Ⅳ類灌漿料按所添加灌漿料質量的40%添加骨料，骨料采用5～16 mm 連續級配的卵石.在300 L 立式強制式攪拌機拌合均勻后，隨機灌入相應試模，磨平，置于養護溫度為（20±2）℃、相對濕度為95%的標準養護條件下養護.

1.4 試驗注意事項及要求

1）試塊加壓加載速率：對試件而言，加載速率越大得到的強度就越高，對各試塊統一采取5 kN/s 的加載速率，控制因不同加載速率引起的強度誤差.

2）試塊的制作及養護：與普通混凝土相比，水泥基灌漿料的強度上升更快，用水量則小得多，因此養護條件對水泥基灌漿料的影響比對普通混凝土要大，要嚴格控制在溫度為（20±2）℃、相對濕度為95%的標準養護條件下養護.

3）試驗設備和精度：試驗時，要求試件中心和壓力機中心要對準，壓力機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，否則對試驗結論都會產生不同程度的影響.試驗前應對壓力機進行維修檢驗.

4）人為因素：攪拌不均、振搗不勻等都會對其強度產生不同程度的影響.試塊制作過程中，應嚴格保證每批試塊的質量，對灌漿料、水、骨料的用量嚴格控制，并在攪拌時，邊加灌漿料邊加水，在保證攪拌均勻的同時保證攪拌時間不少于300 s，攪拌完成后裝模，對試塊進行輕微人工振搗.

5）嚴格保證每個齡期強度等級的灌漿料試塊出自于同一車攪拌機，嚴格保證各個不同齡期強度的灌漿料試塊配合比一致.

1.5 試驗裝置及破型

對尺寸為150 mm×150 mm×150 mm 和100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊，抗壓試驗時采用WHY-2000 型壓力試驗機.抗壓試驗過程嚴格按照標準試驗方法進行操作，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試件的抗壓強度產生影響.對尺寸為40 mm×40 mm×160 mm 的棱柱體試塊抗壓試驗采用TYA-300B 型微機控制恒加載抗折抗壓試驗機，抗壓試驗裝置如圖1 所示.

圖1 抗壓試驗裝置Fig.1 Compression test device

2 試驗結果

2.1 抗壓強度一元方差分析

為了驗證不同試模對水泥基灌漿料抗壓強度有無顯著性影響，現對其不同試模成型試塊抗壓強度進行一元方差分析[12].假定本次試驗數據均來自正太母體，以第Ⅳ類水泥基灌漿料28 d 齡期時強度為例進行分析，試塊尺寸有2 種水平，D1：100 mm×100 mm×100 mm，D2：150 mm×150 mm×150 mm.試件抗壓強度見表3.

表3 第Ⅳ類料28 d 齡期時試塊抗壓強度Tab.3 Compressive strength of block Ⅳat 28 d age

利用數理統計知識，假定2 個母體的方差相等，假設H0：μ1=μ2，其中μ1、μ2為2 個母體的平均值，用9 個子樣來檢驗上述假設是否成立.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

對本齡期中的灌漿料試件，r=2，n1=n2=9，n=18，Xij表示每個子樣的值，X1=75.7，X2=72.1，X=73.9，經計算可得以下方差分析表，見表5.

表5 第Ⅳ類料28 d 齡期時試塊抗壓強度方差分析表Tab.5 Variance analysis table of compressive strength of group Ⅳat 28 days

查數理統計中F 分布上側分位數表，F0.05（1，16）=4.49，因為F ＞F0.05（1，16），故拒絕H0，即認為第Ⅳ類料28 d 齡期時試塊試模不同對灌漿料試塊的抗壓強度有顯著性影響.同理，對其他齡期下的第Ⅲ類、第Ⅳ類灌漿料試塊抗壓強度進行一元方差分析，結果見表6.

表6 第Ⅲ、Ⅳ類料各齡期抗壓強度方差分析表Tab.6 Variance analysis table of compressive strength of groups Ⅲand Ⅳat different ages

綜合以上對同一加載速率下灌漿料試塊進行的一元方差分析可看出，1 d、3 d 齡期時F＞F0.05（1，16），因為試塊強度處于不穩定上升期，雖說各尺寸試塊強度均值有差異，但組內數據比較分散，組內離差平方和比較大，因此不同試模對試塊強度影響相對來說比較小，即影響效果不顯著.7 d、14 d、21 d、28 d 齡期時F＞F0.05（1，16），因為試塊強度趨于穩定，所以不同試模對灌漿料試塊的抗壓強度有顯著性影響.

2.2 不同試模對抗壓強度影響分析

水泥基灌漿料抗壓強度各齡期實測均值如表7、表8 及圖2 所示，表中試件編號采用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）灌漿料抗壓強度實測均值Tab.7 Type Ⅲ（without aggregate）grout compressive strength measured average

由表7、表8 可知，各試件抗壓強度的變異系數均小于15%，表明試驗結果的離散性在正常范圍之內，可通過求均值的方法得出各齡期強度.從圖2 可得出：1）不同試模對灌漿料試塊抗壓強度有明顯影響，第Ⅲ類料40 mm×40 mm×160 mm 棱柱體試件試塊強度明顯高于150 mm×150 mm×150 mm 立方體試件試塊強度，第Ⅳ類料100 mm×100 mm×100 mm 立方體試件試塊強度明顯高于150 mm×150 mm×150 mm 立方體試件試塊強度.2）第Ⅲ、Ⅳ類料在前7 d強度增長較快，7 d 可達到28 d 強度的80%以上，7 d后強度逐漸趨于穩定，并且第Ⅳ類料各齡期強度明顯小于第Ⅲ類料.3）在1 d、3 d 齡期時，組內數據較分散，不同試模對試塊抗壓強度影響較小，在7 d 齡期后，試塊強度開始趨于穩定，不同試模對試塊抗壓強度影響較顯著，并且第Ⅳ類料比第Ⅲ類料對于這種影響表現更明顯.

表8 第Ⅳ類（含骨料）灌漿料抗壓強度實測均值Tab.8 Type Ⅳ（with aggregate）grout compressive strength measured average

圖2 灌漿料抗壓強度Fig.2 Grout compressive strength

2.3 抗壓強度換算系數計算

為了表述不同試模對試件抗壓強度的影響程度，引入抗壓強度換算系數，定義灌漿料不同試模間試件抗壓強度換算系數，第Ⅲ類料換算系數見式（1），第Ⅳ類料換算系數見式（2）.

式中：fcc，40、fcc，100、fcc，150分別對應尺寸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度，則兩類加固灌漿料的各齡期抗壓強度標準試塊與非標準試塊間換算系數見表9、表10.

表9 第Ⅲ類灌漿料各齡期抗壓強度換算系數Tab.9 Conversion coefficient of type Ⅲgrout compressive strength at different ages

從表9 中可得出第Ⅲ類灌漿料標準尺寸試塊與非標準尺寸試塊間抗壓強度換算系數在各個齡期時變化較小，出于安全儲備，可選取1.03 作為第Ⅲ類灌漿料處于早期強度時，40 mm×40 mm×160 mm 標準試塊與150 mm×150 mm×150 mm 非標準試塊的抗壓強度換算系數，即標準試塊抗壓強度約為非標準試塊抗壓強度的103%.

從表10 中可得出第Ⅳ類灌漿料100 mm×100 mm×100 mm 標準試塊與150 mm×150 mm×150 mm非標準試塊的抗壓強度換算系數在7 d 齡期時最大，并隨著強度的增加，換算系數逐漸減小.

表10 第Ⅳ類灌漿料各齡期抗壓強度換算系數Tab.10 Conversion coefficient of type Ⅳgrout compressive strength at different ages

2.4 試驗結果影響因素分析

對于第Ⅳ類灌漿料，本試驗選用的100 mm×100 mm×100 mm 標準試塊和150mm×150 mm×150 mm非標準試塊為幾何相似試塊.在統一原材料，相同配合比和養護條件下，考慮不同試模引起的抗壓強度差值主要是由試塊尺寸大小，即尺寸效應引起的，由于添加粗骨料的原因，第Ⅳ類料內部孔隙和初始裂縫較多，尺寸效應對抗壓強度影響較明顯，即隨著試件尺寸的增大，抗壓強度值減小.

對于第Ⅲ類灌漿料，本試驗選用的40 mm×40 mm×160 mm 標準試塊和150 mm×150 mm×150 mm非標準試塊為非幾何相似試塊.在統一原材料，相同的配合比和養護條件下，考慮不同試模引起的抗壓強度差值除了與尺寸大小相關，還與試塊形狀、邊界約束效應、不同試驗機誤差等因素相關，因此后期可對尺寸大小、形狀等自變量進行單獨對比驗證分析，得出各個自變量對抗壓強度的影響.

3 結論

本試驗對《水泥基灌漿材料應用技術規范》（GB/T 50448—2015）中所規定的第Ⅲ類、第Ⅳ類灌漿料進行抗壓強度尺寸效應試驗研究，通過分析72 組抗壓強度數值得出如下結論：

1）第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料在前7 d 強度增長較快，7 d可達到28 d 強度的80%以上，7 d 后強度逐漸趨于穩定，并且添加骨料的第Ⅳ類料各齡期強度明顯小于未添加粗骨料的第Ⅲ類料.

2）對試驗數據進行一元方差分析得出，第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料在1 d、3 d 齡期時，抗壓強度處于迅速上升期，強度不穩定，強度數據比較離散、方差相對較大，使用不同試模對試塊抗壓強度影響相對較小.

3）試驗表明，7 d 齡期開始，第Ⅲ、Ⅳ類灌漿料抗壓強度開始趨于穩定，使用不同試模對試塊抗壓強度有明顯影響.出于安全儲備，可選取1.03 作為第Ⅲ類灌漿料處于早期強度時，40 mm×40 mm×160 mm標準試塊與150 mm×150 mm×150 mm 非標準試塊的抗壓強度換算系數，即標準尺寸試件抗壓強度為非標準試件抗壓強度的103%.第Ⅳ類灌漿料100 mm×100 mm×100 mm 標準試塊與150 mm×150 mm×150 mm 非標準試塊的抗壓強度換算系數在7 d 齡期時最大，并隨試塊強度增加，換算系數逐漸減小.在7 d齡期時，標準尺寸試件抗壓強度為非標準試件抗壓強度的111%，在14 d 齡期時，標準尺寸試件抗壓強度為非標準試件抗壓強度的109%，在28 d 齡期時標準尺寸試件抗壓強度為非標準試件抗壓強度的105%.

4）本試驗數據可為制作第Ⅲ、Ⅳ類水泥基灌漿料早期抗壓強度回彈測強曲線時提供理論參考.

5）本試驗數據供第Ⅲ、Ⅳ類水泥基灌漿料加固實際工程，特別是對早期強度有要求的實際工程借鑒參考.