加固用绿色水泥基灌浆料力学性能试验研究_张会芳.pdf

第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20220573河北省自然科学基金资助项目(E2018404047),河北省高等学校科学研究项目(ZC2023136),张家口市重点研发计划“科技冬奥专项”资助项目(20110015D),河北建筑工程学院创新基金资助项目(XY202209)。第第一一作作者者:张会芳,硕士,副教授,主要从事材料科学、绿色建材与节能建筑新体系、工农业废弃物综合利用技术研究,Email:42228449 。加固用绿色水泥基灌浆料力学性能试验研究张会芳1,2,陈汇鋆1,2,颜政伟1,2,王联庆3,张占超4,刘海静4,魏文博4,王国斌5(1 河北建筑工程学院土木工程学院,张家口 075051;2 河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室,张家口 075051;3 中房集团张家口房地产开发公司,张家口 075000;4 张家口市住房和城乡建设局,张家口 075000;5 张家口市城达房地产开发有限公司,张家口 075000)摘要:为研究建筑、工业废弃物在加固用水泥基灌浆料中的应用,主体胶凝材料是普通硅酸盐水泥 PO42.5,通过设计正交试验,探讨了水胶比、再生细骨料、胶砂比、铁尾矿粉、粉煤灰五个因素对灌浆料基本性能的影响,试验测定了 0min 和 30min 的试块流动度,并分别对养护 1、3、28d 后的试块进行抗折、抗压试验并进行了微观分析。结果表明:在以养护 28d 为最终强度标准条件下,通过正交极差分析发现水胶比对试块力学性能影响最大,胶砂比影响最小;建筑、工业废弃物能充分应用于加固灌浆料中,能促进水化反应,填充空隙,提高强度。较合理因素水平组合为水胶比 0.36,胶砂比 1:0.8,再生细骨料掺量 40%,铁尾矿粉掺量 8%,粉煤灰掺量 8%。关键词:加固;水泥基灌浆料;流动度;抗折强度;抗压强度 中图分类号:TU528 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0068-08引用本文 张会芳,陈汇鋆,颜政伟,等.加固用绿色水泥基灌浆料力学性能试验研究J.建筑结构,2023,53(5):68-75.ZHANG Huifang,CHEN Huijun,YAN Zhengwei,et al.Experimental study on mechanical performance of green cement-based grouting material for reinforcementJ.Building Structure,2023,53(5):68-75.Experimental study on mechanical performance of green cement-based grouting material for reinforcement ZHANG Huifang1,2,CHEN Huijun1,2,YAN Zhengwei1,2,WANG Lianqing3,ZHANG Zhanchao4,LIU Haijing4,WEI Wenbo4,WANG Guobin5(1 School of Civil Engineering,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou 075051,China;2 Hebei Key Laboratory for Diagnosis,Reconstruction and Anti-disaster of Civil Engineering,Zhangjiakou 075051,China;3 Zhongfang Group Zhangjiakou Real Estate Development Company,Zhangjiakou 075000,China;4 Zhangjiakou City Housing and Urban-Rural Development Bureau,Zhangjiakou 075000,China;5 Zhangjiakou Chengda Real Estate Development Co.,Ltd.,Zhangjiakou 075000,China)Abstract:In order to study the application of construction and industrial waste in cement-based grouting material for reinforcement,the main cementing material is ordinary portland cement PO42.5.The effects of five factors including water-binder ratio,recycled fine aggregate,cemilar-sand ratio,iron-tail powder and fly ash on the basic properties of grout were investigated by orthogonal experiment.The fluidity at 0min and 30min,the flexural strength and compressive strength after curing for 1,3 and 28d were microscopic analyzed.The results show that under the condition of 28d as the final strength standard,through the orthogonal range analysis,it is found that the influence of water-binder ratio is the greatest,and that of cement-sand ratio is the least.Construction,industrial waste can be fully used in the reinforcement grout material,can promote hydration reaction,fill gaps,improve strength.The more reasonable level combination of factors is water-binder ratio 0.36,cemilar-sand ratio 1:0.8,content of reclaimed fine aggregate 40%,content of iron tailings powder 8%,and the content of fly ash 8%.Keywords:reinforcement;cement-based grouting material;fluidity;flexural strength;compressive strength 0引言 水泥基灌浆料是以水泥为主,额外添加一些细骨料、矿物掺合料以及外加剂1,是早强、不泌水、高强度和高流动度的的凝胶材料。该种材料主要第 53 卷 第 5 期张会芳,等.加固用绿色水泥基灌浆料力学性能试验研究应用于基础设施的二次灌浆、柱脚地板、地脚螺栓锚固、混凝土结构加固、修补、装配式建筑的连接和预应力管道2,还可以作为特殊环境下的防腐材料应用于建筑结构表面。水泥基灌浆料的力学性能包括竖向膨胀率、泌水率3、流动性4、抗折及抗压强度5等。随着水泥基灌浆材料在工程上的广泛应用,许多学者对水泥基灌浆料的性能进行了研究,并对其力学性能的改善做出了一系列的建议,还研究了水泥基灌浆料在高温6、冻融循环7条件下的耐久性及不同条件下的养护方式。Perez-Garcia Francisca 等8采用高炉矿渣取代水泥,发现高炉矿渣替代水泥的百分比为70%时,试件具有良好的力学性能。豆莹莹9和 He Zhenglong 等10采用醋酸乙烯酯-乙烯共聚(VAE)乳液和硅烷等聚合物对水泥基灌浆料进行改性试验,发现水泥基灌浆料的基本性能得到一定程度的提高。黄政宇等11应用数字信号处理(DSP)原理在水泥基灌浆料中加入纳米级材料,研制出扩展度大、无泌水、无沉降离析、微膨胀的高性能水泥基灌浆料。Mohan Manu K 等12研究了粉煤灰高性能胶凝浆液在后张法混凝土结构中的应用,研究了混合物掺量及流动性和抗渗性能,并对混合物的掺量进行优化。郭浩13研究了超早强型聚羧酸减水剂对水泥基灌浆料在灌浆套筒中应用的影响,确定了最合适的掺量比例。马正先等14研究了矿物掺合料对钢纤维灌浆料性能影响,结果表明硅灰对其性能影响最大,微珠影响最小。虽然众多学者研究了各种外加剂对灌浆料的影响,但细骨料的种类对灌浆料的影响却未作过多研究,且加入多种新型的外加剂导致水泥基灌浆料的成本居高不下。本文通过正交试验研究了水胶比、胶砂比、再生细骨料、铁尾矿粉、粉煤灰等五个因素以及各因素 14 个水平对水泥基灌浆料抗折、抗压强度的影响,选出较合理的水泥基灌浆料的配合比。本文研究意义在于采用低成本的建筑、工业废弃物制备水泥基灌浆料,减少建筑、工业废弃物的堆积,降低环境的污染,为建筑、工业废弃物的高附加值资源化处理探索新的途径,使其实现更高的价值,同时降低水泥基灌浆料的制备成本。1试验方案1.1 试验材料 水泥为普通硅酸盐水泥 PO42.5,粉煤灰为级粉煤灰。细骨料分为两类:1)铁尾矿砂,剔除4.75mm 及以上的颗粒,细度模数为 1.46,表观密度为 3 025.3kg/m3,属特细沙;2)再生细骨料(建筑废弃物),采用某建筑工地废弃混凝土,破碎、筛分完成后经 3%硫酸钙溶液浸泡活化处理。铁尾矿粉的颗粒粒径在 0.15mm 以下,经球磨机粉磨并用 2%盐酸溶液活化处理。膨胀剂为 UEA 膨胀剂,减水剂为聚羧酸高效减水剂,消泡剂为聚乙二醇 6000CP 级。1.2 试验方法 依据水泥胶砂强度检测方法(ISO)法(GB/T 176712021)15,采用 40mm40mm160mm 棱柱体试块,检测水泥基灌浆料抗折、抗压强度。依据现行的水泥胶砂流动度测定方法(GB/T 24192005)16分别测定水泥基灌浆料 0min 和 30min 流动度。试块制作方法:将水泥、粉煤灰、铁尾矿粉先混合搅拌,使其分布均匀,之后按比例加入细骨料,再将水和外加剂均匀拌合物加入其中,自加水起搅拌 240s。搅拌完成后先进行 0min 流动度和膨胀性测定,然后完成装模,剩余部分灌浆料进行 30min 流动度测定;灌浆料装模过程不应振动、插捣,应自然成型。静置 24h 后拆模并放置在(201)的水中养护至龄期,之后进行抗折、抗压强度测试。部分试验装置示意图见图 1。图 1 部分试验装置示意图1.3 试件设计 采用正交试验的方法,研究水泥基灌浆料的力学性能,并选出最佳因素水平组合,选取水胶比(简称 A)、胶砂比(简称 B)、再生细骨料(简称 C)、铁尾矿粉(简称 D)、粉煤灰(简称 E)五个因素,每个因素均取四个水平(14),正交试验因素水平组合见表 1。选用 16 种排列方式进行正交试验,正交试验配合比见表 2。表 1 正交试验因素水平组合水平因素ABCDE10.361:0.610%6%6%20.401:0.720%8%8%30.441:0.830%10%10%40.481:0.940%12%12%2试验结果及分析 不同配合比试件测定 0min 和 30min 流动度,并96建 筑 结 构2023 年分别养护 1、3、28d 后,分别测定其强度,试验的结果见表 3,各组试件强度对比见图 2。表 2 正交试验配合比设计编号 水/g再生细骨料/g铁尾矿粉/g粉煤灰/g水泥/