不同试模对灌浆料早期抗压强度影响试验研究
陈大川 李亮如 彭勃 林悦慈
摘 要：采用统一的原材料、配合比、养护条件制作了3种不同试模、6个不同龄期的216个水泥基灌浆料试块，在相同的加载条件下进行了抗压强度测定，研究了在6个不同龄期下，不同试模对水泥基灌浆料试块早期抗压强度的影响及不同试模下抗压强度换算系数. 得出了第Ⅲ类水泥基灌浆料在标准养护条件下尺寸为40 mm×40 mm×160 mm棱柱体标准试块与尺寸为150 mm×150 mm×150 mm立方体非标准试块的早期抗压强度换算系数和第Ⅳ类水泥基灌浆料在标准养护条件下尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体标准试块与尺寸为150 mm×150 mm×150 mm立方体非标准试块的早期抗压强度换算系数. 分析各个早期强度换算系数变化规律，得出可供实际工程参考的换算系数.
关键词：灌浆料;早期抗压强度;不同试模;换算系数
中图分类号：TU526 文献标志码：A
Abstract：In this test， 216 cement-based grouting test blocks with 3 different test models and 6 different ages were made using uniform raw materials， mixing ratios， and curing conditions. The compressive strength was measured under the same loading conditions. The effects of different test models on the early compressive strength of cement-based grout test blocks and the conversion coefficients of compressive strength under different test models were studied at six different ages. The conversion coefficients of early compressive strength of the standard test block with the size of 40 mm×40 mm×160 mm prism and the non-standard test block with the size of 150mm×150mm×150mm under standard curing conditions are obtained， and the conversion coefficients of early compressive strength of the standard test block with the size of 100 mm×100 mm×100 mm cube and the non-standard test block with the size of 150 mm×150 mm×150 mm under the standard curing conditions of the Class IV cement-based grout are obtained. The change rule of each early strength conversion coefficient was analyzed， and the conversion coefficient was obtained which can be used as a reference for practical engineering application.
Key words：grouting material;early compressive strength;different test models;conversion coefficient
国外学者对灌浆料的研究较早，世界上最早的灌浆料起源于1802年的法国，为法国工程师Charles Berling为加固砌筑墙体所创造，距今已有200余年. 随后该技术不断传入其他国家[1]. 水泥基灌浆料由高强胶结材料、多种功能外加剂和精选骨料等组成，具有超强黏结、早强、高强、微膨胀、大流动性等优点[2]，多用于混凝土结构加固、补强、修复. 灌浆料的强度除与胶结材料、外加劑等各项因素有关外，与其几何尺寸、几何形状等变化也密切相关. 同时，随着灌浆料在加固工程中的应用日益广泛，为了确保施工进度及安全，工程对灌浆料早期抗压强度的要求也越来越高.
《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB/T 50448—2015）[3]中将灌浆料分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类，用于结构加固的主要为Ⅲ类和Ⅳ类. 当水泥基灌浆材料的最大骨粒粒径大于4.75 mm且不大于25 mm时，称之为第Ⅳ类灌浆料，抗压强度标准试件应采用尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块. 当水泥基灌浆材料的最大骨粒粒径小于4.75 mm时，称之为第Ⅲ类灌浆料，抗压强度标准试件应采用尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试块.
随着水泥基灌浆料的应用与发展，为了保证施工进度以及结构的安全性，需要对其进行早期抗压强度的现场检测，回弹法作为一种无损检测方法，因为操作简单灵活、适用范围广等优点[4]，已成为我国工程建设中质量检测的重要方法. 在制作灌浆料早期抗压强度回弹测强曲线时[5]，由于标准试块尺寸过小，为方便在试块压力机上进行回弹，无法使用标准尺寸试块，参考《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23—2011）[6]，往往选择150 mm立方体试块作为试验对象，而第Ⅲ、Ⅳ类灌浆料的标准试件应分别采用尺寸40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体和100 mm×100 mm×100 mm的立方体，因此有必要对这两类加固灌浆料进行不同试模尺寸下试件的抗压强度分析，为回弹试验提供参考依据.
长期以来对于加固灌浆料的研究集中在配合比和材料基本性能方面，对其力学性能研究报道很少，仅吴元等人[7]研究了豆石型灌浆料的立方体抗压强度尺寸效应并得出150 mm立方体试块与100 mm立方体试块的抗压强度换算系数为0.82，张磊等人[8]采用3种不同加固灌浆料，研究了150 mm立方体试块与100 mm立方体试块的抗压强度换算系数范围为0.81～0.87，平均值为0.84，随抗压强度提高，换算系数规律性降低. 熊杨等人[9]通过研究尺寸为20～50 mm的正方体、圆柱体和棱柱体试件的破坏形态和抗压强度发现，灌浆料试件的形状对其抗压强度的影响比较明显，而尺寸的影响不显著. 杨伟军等人[10]对砂浆试块进行单轴抗压试验，得出砂浆立方体试件抗压强度尺寸效应现象较明显，并得出了边长100 mm、150 mm及200 mm立方体试件抗压强度与标准试件抗压强度值之间的换算系数.
本文考虑到目前没有明确可供工程实践参考的水泥基灌浆料在使用不同试模时试块抗压强度换算系数，针对回弹试验和某些实际工程中对灌浆料早期强度的需求，得出了灌浆料在使用不同试模时试块早期抗压强度换算系数，供工程实践参考.
1 试验概况
1.1 试验用加固灌浆料
试验用灌浆料选用由本地某特种加固材料制造商生产的HPG-A灌浆料，其主要性能参数见表1.
1.2 试件成型尺寸及组数
本试验分别对第Ⅲ、Ⅳ类灌浆料进行了不同试模对其抗压强度的影响研究，试验中第Ⅳ类灌浆料采用几何相似试件[11]，以尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试件为标准试件，以尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件为非标准试件. 第Ⅲ类灌浆料采用非几何相似试件，以尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试件为标准试件，以尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件为非标准试件. 以标准试件和非标准试件抗压强度进行对比来分析不同试模对抗压强度产生的影响. 为了得到此种灌浆料的各个龄期强度等级，采用同等原材料、配合比以及养护条件来控制. 第Ⅲ类灌浆料按1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d 共6个龄期，每个龄期分别成型尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体标准试件和尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的立方体非标准试件3组，每组3个试块. 第Ⅳ类灌浆料按1 d、3 d、7 d、14 d、21 d、28 d共6个龄期，每个龄期分别成型尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体标准试件和尺寸为150 mm×150 mm×150 mm立方体非标准试件3组，每组3个试块. 试件成型尺寸及组数见表2.
1.3 试件成型及养护
按照灌浆料的推荐用水量（每50 kg灌浆料加水6.5 L）加水，本试验第Ⅲ类灌浆料不掺骨料，第Ⅳ类灌浆料按所添加灌浆料质量的40%添加骨料，骨料采用5～16 mm连续级配的卵石. 在300 L立式强制式搅拌机拌合均匀后，随机灌入相应试模，磨平，置于养护温度为（20±2） ℃、相对湿度为95%的标准养护条件下养护.
1.4 试验注意事项及要求
1）试块加压加载速率：对试件而言，加载速率越大得到的强度就越高，对各试块统一采取5 kN/s的加载速率，控制因不同加载速率引起的强度误差.
2）试块的制作及养护：与普通混凝土相比，水泥基灌浆料的强度上升更快，用水量则小得多，因此养护条件对水泥基灌浆料的影响比对普通混凝土要大，要严格控制在温度为（20±2） ℃、相对湿度为95%的标准养护条件下养护.
3）试验设备和精度：试验时，要求试件中心和压力机中心要对准，压力机所有的平板必须平整，一是保证压板表面的平整度，二是壓板必须具有一定的刚度以及表面硬度，否则对试验结论都会产生不同程度的影响. 试验前应对压力机进行维修检验.
4）人为因素：搅拌不均、振捣不匀等都会对其强度产生不同程度的影响. 试块制作过程中，应严格保证每批试块的质量，对灌浆料、水、骨料的用量严格控制，并在搅拌时，边加灌浆料边加水，在保证搅拌均匀的同时保证搅拌时间不少于300 s，搅拌完成后装模，对试块进行轻微人工振捣.
5）严格保证每个龄期强度等级的灌浆料试块出自于同一车搅拌机，严格保证各个不同龄期强度的灌浆料试块配合比一致.
1.5 试验装置及破型
对尺寸为150 mm×150 mm×150 mm和100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，抗压试验时采用WHY-2000型压力试验机. 抗压试验过程严格按照标准试验方法进行操作，各试件均采用相同的5 kN/s加载速率，以避免不同的加载速率对试件的抗压强度产生影响. 对尺寸为40 mm×40 mm×160 mm的棱柱体试块抗压试验采用TYA-300B型微机控制恒加载抗折抗压试验机，抗压试验装置如图1所示.
2 试验结果
2.1 抗压强度一元方差分析
为了验证不同试模对水泥基灌浆料抗压强度有无显著性影响，现对其不同试模成型试块抗压强度进行一元方差分析[12]. 假定本次试验数据均来自正太母体，以第Ⅳ类水泥基灌浆料28 d龄期时强度为例进行分析，试块尺寸有2种水平，D1：100 mm×100 mm×100 mm，D2：150 mm×150 mm×150 mm. 试件抗压强度见表3.
利用数理统计知识，假定2个母体的方差相等，假设H0：μ1 = μ2，其中μ1、 μ2为2个母体的平均值，用9个子样来检验上述假设是否成立. 给定显著性水平α = 5%，方差分析见表4.
对本龄期中的灌浆料试件，r = 2，n1 = n2 = 9，n = 18，Xij表示每个子样的值，X1 = 75.7，X2 = 72.1，X =73.9，经计算可得以下方差分析表，见表5.
查数理统计中 F 分布上侧分位数表，F0.05（1，16）= 4.49，因为 F > F0.05（1，16），故拒绝 H0，即认为第Ⅳ类料28 d龄期时试块试模不同对灌浆料试块的抗压强度有显著性影响. 同理，对其他龄期下的第Ⅲ类、第Ⅳ类灌浆料试块抗压强度进行一元方差分析，结果见表6.
综合以上对同一加载速率下灌浆料试块进行的一元方差分析可看出，1 d、3 d龄期时F>F0.05（1，16），因为试块强度处于不稳定上升期，虽说各尺寸试块强度均值有差异，但组内数据比较分散，组内离差平方和比较大，因此不同试模对试块强度影响相对来说比较小，即影响效果不显著. 7 d、14 d、21 d、28 d龄期时F>F0.05（1，16），因为试块强度趋于稳定，所以不同试模对灌浆料试块的抗压强度有显著性影响.
2.2 不同试模对抗压强度影响分析
水泥基灌浆料抗压强度各龄期实测均值如表7、表8及图2所示，表中试件编号采用x-y的形式表示，其中x表示试件的龄期，y表示试件尺寸. 例如，1-150表示为试件龄期为1 d，试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm.
由表7、表8可知，各试件抗压强度的变异系数均小于15%，表明试验结果的离散性在正常范围之内，可通过求均值的方法得出各龄期强度. 从图2可得出：1）不同试模对灌浆料试块抗压强度有明显影响，第Ⅲ类料40 mm×40 mm×160 mm棱柱体试件试块强度明显高于150 mm×150 mm×150 mm立方体试件试块强度，第Ⅳ类料100 mm×100 mm×100 mm立方体试件试块强度明显高于150 mm×150 mm×150 mm立方体试件试块强度. 2）第Ⅲ、Ⅳ类料在前7 d强度增长较快，7 d可达到28 d强度的80%以上，7 d后强度逐渐趋于稳定，并且第Ⅳ类料各龄期强度明显小于第Ⅲ类料. 3）在1 d、3 d龄期时，组内数据较分散，不同试模对试块抗压强度影响较小，在7 d龄期后，试块强度开始趋于稳定，不同试模对试块抗压强度影响较显著，并且第Ⅳ类料比第Ⅲ类料对于这种影响表现更明显.
2.3 抗压强度换算系数计算
为了表述不同试模对试件抗压强度的影响程度，引入抗压强度换算系数，定义灌浆料不同试模间试件抗压强度换算系数，第Ⅲ类料换算系数见式（1），第Ⅳ类料换算系数见式（2）.
γcc，40 = fcc，40 / fcc，150 ， （1）
γcc，100 = fcc，100 / fcc，150 . （2）
式中：fcc，40、 fcc，100、 fcc，150分别对应尺寸40 mm×40 mm×160 mm棱柱体、100 mm×100 mm×100 mm 立方体和150 mm×150 mm×150 mm立方体试件的抗压强度，则两类加固灌浆料的各龄期抗压强度标准试块与非标准试块间换算系数见表9、表10.
从表9中可得出第Ⅲ类灌浆料标准尺寸试块与非标准尺寸试块间抗压强度换算系数在各个龄期时变化较小，出于安全储备，可选取1.03作为第Ⅲ类灌浆料处于早期强度时，40 mm×40 mm×160 mm标准试块与150 mm×150 mm×150 mm 非标准试块的抗压强度换算系数，即标准试块抗压强度约为非标准试块抗压强度的103%.
从表10中可得出第Ⅳ类灌浆料100 mm×100 mm×100 mm标准试块与150 mm×150 mm×150 mm非标准试块的抗压强度换算系数在7 d龄期时最大，并随着强度的增加，换算系数逐渐减小.
2.4 试验结果影响因素分析
对于第Ⅳ类灌浆料，本试验选用的100 mm×100 mm×100 mm标准试块和150mm×150 mm×150 mm非标准试块为几何相似试块. 在统一原材料，相同配合比和养护条件下，考虑不同试模引起的抗压强度差值主要是由试块尺寸大小，即尺寸效应引起的，由于添加粗骨料的原因，第Ⅳ类料内部孔隙和初始裂缝较多，尺寸效应对抗压强度影响较明显，即随着试件尺寸的增大，抗压强度值减小.
对于第Ⅲ类灌浆料，本试验选用的40 mm×40 mm×160 mm标准试块和150 mm×150 mm×150 mm非标准试块为非几何相似试块. 在统一原材料，相同的配合比和养护条件下，考虑不同试模引起的抗压强度差值除了与尺寸大小相关，还与试块形状、边界约束效应、不同试验机误差等因素相关，因此后期可对尺寸大小、形状等自变量进行单独对比验证分析，得出各个自变量对抗压强度的影响.
3 结 论
本试验对《水泥基灌浆材料应用技术规范》（GB/T 50448—2015）中所规定的第Ⅲ类、第Ⅳ类灌浆料进行抗压强度尺寸效应试验研究，通过分析72组抗压强度数值得出如下结论：
1）第Ⅲ、Ⅳ类灌浆料在前7 d强度增长较快，7 d可达到28 d强度的80%以上，7 d后强度逐渐趋于稳定，并且添加骨料的第Ⅳ类料各龄期强度明显小于未添加粗骨料的第Ⅲ类料.
2）对试验数据进行一元方差分析得出，第Ⅲ、Ⅳ类灌浆料在1 d、3 d龄期时，抗压强度处于迅速上升期，强度不稳定，强度数据比较离散、方差相对较大，使用不同试模对试块抗压强度影响相对较小.
3）试验表明，7 d龄期开始，第Ⅲ、Ⅳ类灌浆料抗压强度开始趋于稳定，使用不同试模对试块抗压强度有明显影响. 出于安全储备，可选取1.03作为第Ⅲ類灌浆料处于早期强度时，40 mm×40 mm×160 mm标准试块与150 mm×150 mm×150 mm 非标准试块的抗压强度换算系数，即标准尺寸试件抗压强度为非标准试件抗压强度的103%. 第Ⅳ类灌浆料100 mm×100 mm×100 mm标准试块与150 mm×150 mm×150 mm非标准试块的抗压强度换算系数在7 d龄期时最大，并随试块强度增加，换算系数逐渐减小. 在7 d龄期时，标准尺寸试件抗压强度为非标准试件抗压强度的111%，在14 d龄期时，标准尺寸试件抗压强度为非标准试件抗压强度的109%，在28 d龄期时标准尺寸试件抗压强度为非标准试件抗压强度的105%.
4）本试验数据可为制作第Ⅲ、Ⅳ类水泥基灌浆料早期抗压强度回弹测强曲线时提供理论参考.
5）本试验数据供第Ⅲ、Ⅳ类水泥基灌浆料加固实际工程，特别是对早期强度有要求的实际工程借鉴参考.
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