緩凝砂漿流動性和力學性能試驗研究

于本田，王起才，孫緯宇，王明文

(1.蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州　730070；2.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州　730070)

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緩凝砂漿流動性和力學性能試驗研究

于本田1,2，王起才1,2，孫緯宇2，王明文2

(1.蘭州交通大學甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，蘭州730070；2.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州730070)

為研究水膠比、砂膠比和硅微粉摻量對緩凝砂漿流動性和力學性能的影響，分別測試了水膠比為0.30、0.40、0.45、0.50，砂膠比為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和硅微粉摻量為0.0%、5.0%、10.0%共22組緩凝砂漿的稠度、立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜彈性模量。研究結果表明：隨著水膠比的增大，緩凝砂漿流動性增大；隨著砂膠比增大，緩凝砂漿流動性較小；硅微粉摻量增加會降低緩凝砂漿流動性。采用灰色關聯理論分析水膠比、砂膠比和硅微粉摻量對硬化后緩凝砂漿的力學性能影響規(guī)律，得到水膠比為影響硬化后緩凝砂漿力學性能的關鍵因子，而砂膠比次之，硅微粉摻量影響相對最小。

緩凝砂漿； 水膠比； 力學性能； 灰色關聯分析

1　引　言

緩粘結預應力混凝土技術是近二十年出現的一種新型預應力混凝土體系，是一種具有無粘結預應力工藝特點的有粘結預應力技術[1,2]。緩粘結預應力混凝土結構若能真正達到無粘結預應力筋的工藝特點、有粘結預應力筋的效果的預應力體系，主要取決于兩點：一是預應力筋外側包裹的緩凝材料在緩凝期間不會發(fā)生硬化(或固化)，不產生較大摩阻力，允許鋼筋在張拉時自由移動，滿足無粘結預應力筋的工藝要求；二是緩凝材料凝結硬化(或固化)后與混凝土和預應力筋之間應具有足夠的粘結強度即粘結應力，使鋼筋與混凝土這兩種材料能夠共同工作、共同承受荷載，從而能夠承受由于變形差沿鋼筋與混凝土接觸面上產生的剪應力，使鋼筋應力沿長度方向發(fā)生應力增量，在長期重復荷載作用下也不發(fā)生較大的粘結強度和剛度退化，達到有粘結預應力筋的受力效果[3]。目前國內研究較為成熟且得到一定工程實際應用的緩凝材料有緩凝砂漿和緩凝膠粘劑兩種，大量研究表明[4,5]，兩者在緩凝時間內均不會發(fā)生硬化(或固化)，張拉摩阻力較小；但緩粘結預應力筋與混凝土間粘結性能試驗研究相對較少，熊小林[6]對無橫肋光圓的緩粘結預應力鋼絞線粘結錨固性能進行了試驗，測得的粘結強度很小；尚仁杰[7]通過拉拔試驗研究了有橫肋、無橫肋和橫肋較小時緩粘結預應力鋼絞線與混凝土之間的粘結錨固性能，分析認為橫肋高度對緩粘結預應力鋼絞線與混凝土之間粘結錨固影響較大。由于緩粘結預應力鋼絞線與混凝土之間的粘結性能影響因素較多，緩凝材料的填充飽滿度、硬化后的力學性能等均影響鋼絞線-緩凝材料-波紋管-混凝土之間的粘結性能。緩凝材料的流動性決定了波紋管內緩凝材料填充的飽滿度。而緩凝材料流動性、硬化后的力學性能與緩凝材料的配合比和組分密切相關。本文以緩凝砂漿為研究對象，進行了不同水膠比、砂膠比和硅微粉摻量緩凝砂漿的流動性和凝結硬化后的力學性能的試驗研究，分析緩凝砂漿的配合比變化對其流動性和凝結硬化后的力學性能的影響程度和規(guī)律，并采用灰色分析理論進行了緩凝砂漿配合比對其流動性和力學性能影響程度的優(yōu)勢分析。

2　試　驗

2.1原材料

2.1.1水泥

試驗水泥采用永登祁連山水泥有限公司生產的42.5級普通硅酸鹽水泥，主要物理、化學性能見表1。

表1　試驗用水泥性能

2.1.2砂

試驗用砂為蘭州安寧水洗砂，細度模數為1.8，屬于3區(qū)細砂，顆粒級配合格。實測表觀密度為2650 kg/m3，松散堆積密度為1570 kg/m3，空隙率為41%，砂的含泥量為2%。

2.1.3硅微粉

試驗用硅微粉為西北鐵合金有限公司生產的“西鐵牌”硅微粉，物理、化學性能見表2、3。

表2　硅微粉物理性能

表3　硅微粉化學成分

2.1.4緩凝成分

試驗采用王起才[1,2,8]研制的復合緩凝劑A作為緩凝成分，是一種無毒無味且易獲得的合成化工原料。

2.2試驗配合比

緩凝砂漿的配制在室溫條件下進行。復合緩凝劑采用滯水法，即在砂漿摻水拌合1～2 min后，再摻入緩凝劑，緩凝劑的摻量以使配制的緩凝砂漿能達到緩凝1個月來控制。緩凝砂漿拌制時先將水泥、砂、硅微粉在砂漿攪拌機內攪拌均勻，然后倒入拌合水攪拌1～2 min后，加入緩凝劑至攪拌均勻。共制作了22組不同配合比的緩凝砂漿，緩凝砂漿配合比見表4。

2.3試驗方法

2.3.1緩凝砂漿流動性測試方法

緩凝砂漿的流動性用稠度表示。試驗采用《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70-2009)中規(guī)定的砂漿稠度儀法測試新拌緩凝砂漿的流動性。

2.3.2緩凝砂漿力學性能測試方法

立方體抗壓強度試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；軸心抗壓強度和靜彈性模量試件為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體；劈裂抗拉強度試件為100 mm×100 mm×100 mm的立方體。試件澆筑成型后均連同試模用塑料布包裹，防止緩凝砂漿內部水分蒸發(fā)散失以及外界水分的侵入，以達到模擬緩凝砂漿在緩粘結預應力混凝土中的工作條件。考慮到緩凝砂漿在1個月后才能硬化，因此將包裹好的緩凝砂漿試件在標準養(yǎng)護室內養(yǎng)護56 d后拆模，按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70-2009)中規(guī)定的試驗方法進行試驗，并進行測試值的換算。

3　結果與討論

3.1緩凝砂漿流動性測試結果與分析

圖1a為砂膠比為1.0，硅微粉摻量為0.0%、圖1b為砂膠比為2.0，硅微粉摻量為10.0%時不同水膠比對緩凝砂漿流動性的影響曲線，由圖1可以看出，在砂膠比和硅微粉摻量不變的情況下，隨著水膠比的增大，緩凝砂漿的沉入量基本呈線性增大，說明水膠比增大會使緩凝砂漿的流動性增大。

表4　緩凝砂漿配合比和試驗結果

圖1　水膠比對緩凝砂漿流動性的影響(a)S/B =1.0，硅微粉摻量為0.0%;(b)S/B=2.0，硅微粉摻量為10.0%Fig.1　Effect on the retard mortar fluidity of water-cement ratio

圖2a為水膠比0.30，硅微粉摻量為0.0%時不同砂膠比對緩凝砂漿流動性的影響曲線；圖2b為水膠比為0.40，硅微粉摻量為0.0%時不同砂膠比對緩凝砂漿流動性影響曲線；圖2c為水膠比為0.45，硅微粉摻量為10.0%時不同砂膠比對緩凝砂漿流動性的影響曲線；圖2d為水膠比為0.50，硅微粉摻量為0.0%時不同砂膠比對緩凝砂漿流動性的影響曲線。由圖2可以分析出，水膠比和硅微粉摻量不變的情況下，隨著砂膠比的增大，緩凝砂漿的流動性呈現出降低的趨勢。

圖3a為水膠比0.40，砂膠比為2.0時不同硅微粉摻量對緩凝砂漿流動性的影響曲線；圖3b為水膠比為0.50，砂膠比為2.0時不同硅微粉摻量對緩凝砂漿流動性影響曲線。由圖3可以看出緩凝砂漿的流動性隨著硅微粉摻量的提高而降低，這是因為硅微粉顆粒相對水泥顆粒更細，因此在相同用水量的條件下，需要包裹的水較多，使得水泥和硅微粉顆粒表面的包裹水層變薄，流動性降低。

圖2　砂膠比對緩凝砂漿流動性的影響(a)W/B=0.30，硅微粉摻量為0.0%；(b)W/B=0.40，硅微粉摻量為0.0%；(c)W/B=0.45，硅微粉摻量為10.0% ；(d)W/B=0.50，硅微粉摻量為0.0%Fig.2　Effect on the retard mortar fluidity of cement-sand ratio

由于緩凝砂漿需包裹在鋼絞線周圍形成緩粘結預應力筋，因此緩凝砂漿的流動性太大會導致緩凝砂漿產生流淌，影響緩粘結預應力筋的包裹效果；太小會導致緩凝砂漿無法密實包裹緩粘結預應力筋，形成空洞，影響緩粘結預應力筋與混凝土之間的粘結性能。緩凝砂漿沉入量為25～55 mm時，緩凝砂漿制作緩粘結預應力筋效果最佳。

圖3　硅微粉摻量對緩凝砂漿流動性的影響(a)W/B=0.40，S/B=2.0;(b)W/B=0.50，S/B=2.0 Fig.3　Effect on the retard mortar fluidity of the content of silica fume

3.2緩凝砂漿力學性能灰色關聯分析

由表4可以看出，水膠比、砂膠比和硅微粉摻量都會對凝結硬化后的緩凝砂漿的力學性能產生影響。為了定量分析各參數的影響規(guī)律和影響程度，引入灰色理論進行分析，這種分析方法的特點是不需要大量的試驗數據、對試驗數據分布沒有要求、計算工作量小。

3.2.1灰色關聯分析原理

灰色關聯分析的原理是考察各因素之間的幾何接近[6]，以分析和確定各因素之間的影響程度或若干個子因素(子序列)對主因素(母序列)的貢獻程度而進行的一種分析方法。考察個時間序列：

…

(1)

其中：N1,N1,…,Nk均屬自然數集；k個序列代表k種因素，再給定時間序列：

(2)

…

(3)

(4)

3.2.2緩凝砂漿力學性能影響因素的灰色關聯計算

以緩凝砂漿立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜彈性模量為母序列，水膠比(W/B)、砂膠比(S/B)和硅微粉摻量為子序列，先將原始數據換算成標么值時間序列，分別記為Y01、Y02、Y03、Y04、Y1、Y2、Y3，見表5，由此可以計算出關聯系數和關聯度。表6為緩凝砂漿凝結硬化后力學性能與水膠比、砂膠比和硅微粉摻量的灰色關聯度。

表6　灰色關聯度

從表6數據可明顯看出，水膠比與緩凝砂漿力學性能的關聯度最大，也就是說水膠比是影響緩凝砂漿力學性能的關鍵因子，對緩凝砂漿的力學性能的貢獻最大，砂膠比對緩凝砂漿力學性能的影響次之，硅微粉摻量影響程度最小。因此要提高緩凝砂漿的力學性能必須嚴格控制緩凝砂漿的水膠比，水膠比越小凝結硬化后力學性能越好。

4　結　論

通過對22組不同水膠比、砂膠比和硅微粉摻量的緩凝砂漿進行了流動性和凝結硬化后力學性能的試驗研究，得到以下結論：

(1)凝結硬化前，緩凝砂漿的流動性隨水膠比增大而增大，隨砂膠比增大而減小，硅微粉摻量增大會降低緩凝砂漿的流動性。從緩凝砂漿包裹填充性角度考慮，新拌緩凝砂漿的沉入量為25～55 mm時，其包裹填充性最佳；

(2)采用灰色關聯分析方法，計算分析了水膠比、砂膠比和硅微粉摻量對凝結硬化后的緩凝砂漿的立方體抗壓強度、軸心抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜彈性模量的影響規(guī)律和影響程度。結果表明水膠比為影響緩凝砂漿的關鍵因子，砂膠比影響次之，而硅微粉摻量影響最小。

[1] 王起才，王永奎.預應力混凝土體系中的緩凝砂漿研究[J].混凝土，1994，(4)：44-47.

[2] 王起才.超緩凝砂漿研究和在預應力混凝土中的應用[J].工業(yè)建筑，1996，26(3)：38-41.

[3] 于本田.基于緩凝砂漿包裹的緩粘結預應力筋粘結性能試驗研究[D].蘭州：蘭州交通大學學位論文，2014：18-19.

[4] 趙建昌.緩粘結預應力混凝土結構張拉摩阻試驗研究[J].水力發(fā)電學報，2009，28(01)：148-151,170.

[5] 吳轉琴，曾昭波，尚仁杰，等.緩粘結預應力鋼絞線摩擦系數試驗研究[J].工業(yè)建筑，2008，38(11)：20-23.

[6] 熊小林.緩粘結預應力體系施工工藝研究[D].南京：東南大學學位論文，2006.

[7] 尚仁杰，洪光，夏京亮，等.緩粘結預應力鋼絞線粘結錨固性能試驗研究[C].第十一屆后張預應力學術交流會，2011：56-61.

[8] 王起才.超緩凝砂漿的研究和應用[J].蘭州鐵道學院學報，1995，14(4)：17-20.

[9] 鄧聚龍.灰色控制系統(tǒng)[M].武漢:華中工學院出版社，1985:348-355.

Research on Fluidity and Mechanical Properties of Retard Mortar

YUBen-tian1,2,WANGQi-cai1,2,SUNWei-yu2,WANGMing-wen2

(1.Key Laboratory of Road & Bridge and Underground Engineering of Gansu Province,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China；2.School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University,Lanzhou 730070,China)

The mechanical properties and fluidity of retard mortar are studied by experiment with different water-cement ratio, sand-cement ratio and the content of silica. The research show that the fluidity will increase with water-cement ratio and reduce with sand-cement ratio. The fluidity will reduce along with the content of silica are reduced. The workability of retard mortar is the most best when the consistency of retard mortar is 25-55 mm. The results of grey incidence analysis show that the water-cement ratio influences mechanical properties most, the content of silica influences least and the sand-cement ratio between them.

retard mortar;water-cement ratio;mechanical property;grey incidence analysis

長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT_15R29)；蘭州交通大學青年科學基金(2011034)

于本田(1979-)，男，博士，副教授.主要從事混凝土材料與結構耐久性的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0963-07