缓凝砂浆流动性和力学性能试验研究

于本田，王起才，孙纬宇，王明文

(1.兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，兰州　730070；2.兰州交通大学土木工程学院，兰州　730070)



缓凝砂浆流动性和力学性能试验研究

于本田1,2，王起才1,2，孙纬宇2，王明文2

(1.兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，兰州730070；2.兰州交通大学土木工程学院，兰州730070)

为研究水胶比、砂胶比和硅微粉掺量对缓凝砂浆流动性和力学性能的影响，分别测试了水胶比为0.30、0.40、0.45、0.50，砂胶比为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和硅微粉掺量为0.0%、5.0%、10.0%共22组缓凝砂浆的稠度、立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和静弹性模量。研究结果表明：随着水胶比的增大，缓凝砂浆流动性增大；随着砂胶比增大，缓凝砂浆流动性较小；硅微粉掺量增加会降低缓凝砂浆流动性。采用灰色关联理论分析水胶比、砂胶比和硅微粉掺量对硬化后缓凝砂浆的力学性能影响规律，得到水胶比为影响硬化后缓凝砂浆力学性能的关键因子，而砂胶比次之，硅微粉掺量影响相对最小。

缓凝砂浆； 水胶比； 力学性能； 灰色关联分析

1　引　言

缓粘结预应力混凝土技术是近二十年出现的一种新型预应力混凝土体系，是一种具有无粘结预应力工艺特点的有粘结预应力技术[1,2]。缓粘结预应力混凝土结构若能真正达到无粘结预应力筋的工艺特点、有粘结预应力筋的效果的预应力体系，主要取决于两点：一是预应力筋外侧包裹的缓凝材料在缓凝期间不会发生硬化(或固化)，不产生较大摩阻力，允许钢筋在张拉时自由移动，满足无粘结预应力筋的工艺要求；二是缓凝材料凝结硬化(或固化)后与混凝土和预应力筋之间应具有足够的粘结强度即粘结应力，使钢筋与混凝土这两种材料能够共同工作、共同承受荷载，从而能够承受由于变形差沿钢筋与混凝土接触面上产生的剪应力，使钢筋应力沿长度方向发生应力增量，在长期重复荷载作用下也不发生较大的粘结强度和刚度退化，达到有粘结预应力筋的受力效果[3]。目前国内研究较为成熟且得到一定工程实际应用的缓凝材料有缓凝砂浆和缓凝胶粘剂两种，大量研究表明[4,5]，两者在缓凝时间内均不会发生硬化(或固化)，张拉摩阻力较小；但缓粘结预应力筋与混凝土间粘结性能试验研究相对较少，熊小林[6]对无横肋光圆的缓粘结预应力钢绞线粘结锚固性能进行了试验，测得的粘结强度很小；尚仁杰[7]通过拉拔试验研究了有横肋、无横肋和横肋较小时缓粘结预应力钢绞线与混凝土之间的粘结锚固性能，分析认为横肋高度对缓粘结预应力钢绞线与混凝土之间粘结锚固影响较大。由于缓粘结预应力钢绞线与混凝土之间的粘结性能影响因素较多，缓凝材料的填充饱满度、硬化后的力学性能等均影响钢绞线-缓凝材料-波纹管-混凝土之间的粘结性能。缓凝材料的流动性决定了波纹管内缓凝材料填充的饱满度。而缓凝材料流动性、硬化后的力学性能与缓凝材料的配合比和组分密切相关。本文以缓凝砂浆为研究对象，进行了不同水胶比、砂胶比和硅微粉掺量缓凝砂浆的流动性和凝结硬化后的力学性能的试验研究，分析缓凝砂浆的配合比变化对其流动性和凝结硬化后的力学性能的影响程度和规律，并采用灰色分析理论进行了缓凝砂浆配合比对其流动性和力学性能影响程度的优势分析。

2　试　验

2.1原材料

2.1.1水泥

试验水泥采用永登祁连山水泥有限公司生产的42.5级普通硅酸盐水泥，主要物理、化学性能见表1。

表1　试验用水泥性能

2.1.2砂

试验用砂为兰州安宁水洗砂，细度模数为1.8，属于3区细砂，颗粒级配合格。实测表观密度为2650 kg/m3，松散堆积密度为1570 kg/m3，空隙率为41%，砂的含泥量为2%。

2.1.3硅微粉

试验用硅微粉为西北铁合金有限公司生产的“西铁牌”硅微粉，物理、化学性能见表2、3。

表2　硅微粉物理性能

表3　硅微粉化学成分

2.1.4缓凝成分

试验采用王起才[1,2,8]研制的复合缓凝剂A作为缓凝成分，是一种无毒无味且易获得的合成化工原料。

2.2试验配合比

缓凝砂浆的配制在室温条件下进行。复合缓凝剂采用滞水法，即在砂浆掺水拌合1～2 min后，再掺入缓凝剂，缓凝剂的掺量以使配制的缓凝砂浆能达到缓凝1个月来控制。缓凝砂浆拌制时先将水泥、砂、硅微粉在砂浆搅拌机内搅拌均匀，然后倒入拌合水搅拌1～2 min后，加入缓凝剂至搅拌均匀。共制作了22组不同配合比的缓凝砂浆，缓凝砂浆配合比见表4。

2.3试验方法

2.3.1缓凝砂浆流动性测试方法

缓凝砂浆的流动性用稠度表示。试验采用《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70-2009)中规定的砂浆稠度仪法测试新拌缓凝砂浆的流动性。

2.3.2缓凝砂浆力学性能测试方法

立方体抗压强度试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；轴心抗压强度和静弹性模量试件为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体；劈裂抗拉强度试件为100 mm×100 mm×100 mm的立方体。试件浇筑成型后均连同试模用塑料布包裹，防止缓凝砂浆内部水分蒸发散失以及外界水分的侵入，以达到模拟缓凝砂浆在缓粘结预应力混凝土中的工作条件。考虑到缓凝砂浆在1个月后才能硬化，因此将包裹好的缓凝砂浆试件在标准养护室内养护56 d后拆模，按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70-2009)中规定的试验方法进行试验，并进行测试值的换算。

3　结果与讨论

3.1缓凝砂浆流动性测试结果与分析

图1a为砂胶比为1.0，硅微粉掺量为0.0%、图1b为砂胶比为2.0，硅微粉掺量为10.0%时不同水胶比对缓凝砂浆流动性的影响曲线，由图1可以看出，在砂胶比和硅微粉掺量不变的情况下，随着水胶比的增大，缓凝砂浆的沉入量基本呈线性增大，说明水胶比增大会使缓凝砂浆的流动性增大。

表4　缓凝砂浆配合比和试验结果

图1　水胶比对缓凝砂浆流动性的影响(a)S/B =1.0，硅微粉掺量为0.0%;(b)S/B=2.0，硅微粉掺量为10.0%Fig.1　Effect on the retard mortar fluidity of water-cement ratio

图2a为水胶比0.30，硅微粉掺量为0.0%时不同砂胶比对缓凝砂浆流动性的影响曲线；图2b为水胶比为0.40，硅微粉掺量为0.0%时不同砂胶比对缓凝砂浆流动性影响曲线；图2c为水胶比为0.45，硅微粉掺量为10.0%时不同砂胶比对缓凝砂浆流动性的影响曲线；图2d为水胶比为0.50，硅微粉掺量为0.0%时不同砂胶比对缓凝砂浆流动性的影响曲线。由图2可以分析出，水胶比和硅微粉掺量不变的情况下，随着砂胶比的增大，缓凝砂浆的流动性呈现出降低的趋势。

图3a为水胶比0.40，砂胶比为2.0时不同硅微粉掺量对缓凝砂浆流动性的影响曲线；图3b为水胶比为0.50，砂胶比为2.0时不同硅微粉掺量对缓凝砂浆流动性影响曲线。由图3可以看出缓凝砂浆的流动性随着硅微粉掺量的提高而降低，这是因为硅微粉颗粒相对水泥颗粒更细，因此在相同用水量的条件下，需要包裹的水较多，使得水泥和硅微粉颗粒表面的包裹水层变薄，流动性降低。

图2　砂胶比对缓凝砂浆流动性的影响(a)W/B=0.30，硅微粉掺量为0.0%；(b)W/B=0.40，硅微粉掺量为0.0%；(c)W/B=0.45，硅微粉掺量为10.0% ；(d)W/B=0.50，硅微粉掺量为0.0%Fig.2　Effect on the retard mortar fluidity of cement-sand ratio

由于缓凝砂浆需包裹在钢绞线周围形成缓粘结预应力筋，因此缓凝砂浆的流动性太大会导致缓凝砂浆产生流淌，影响缓粘结预应力筋的包裹效果；太小会导致缓凝砂浆无法密实包裹缓粘结预应力筋，形成空洞，影响缓粘结预应力筋与混凝土之间的粘结性能。缓凝砂浆沉入量为25～55 mm时，缓凝砂浆制作缓粘结预应力筋效果最佳。

图3　硅微粉掺量对缓凝砂浆流动性的影响(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缓凝砂浆力学性能灰色关联分析

由表4可以看出，水胶比、砂胶比和硅微粉掺量都会对凝结硬化后的缓凝砂浆的力学性能产生影响。为了定量分析各参数的影响规律和影响程度，引入灰色理论进行分析，这种分析方法的特点是不需要大量的试验数据、对试验数据分布没有要求、计算工作量小。

3.2.1灰色关联分析原理

灰色关联分析的原理是考察各因素之间的几何接近[6]，以分析和确定各因素之间的影响程度或若干个子因素(子序列)对主因素(母序列)的贡献程度而进行的一种分析方法。考察个时间序列：

…

(1)

其中：N1,N1,…,Nk均属自然数集；k个序列代表k种因素，再给定时间序列：

(2)

…

(3)

(4)

3.2.2缓凝砂浆力学性能影响因素的灰色关联计算

以缓凝砂浆立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和静弹性模量为母序列，水胶比(W/B)、砂胶比(S/B)和硅微粉掺量为子序列，先将原始数据换算成标么值时间序列，分别记为Y01、Y02、Y03、Y04、Y1、Y2、Y3，见表5，由此可以计算出关联系数和关联度。表6为缓凝砂浆凝结硬化后力学性能与水胶比、砂胶比和硅微粉掺量的灰色关联度。

表6　灰色关联度

从表6数据可明显看出，水胶比与缓凝砂浆力学性能的关联度最大，也就是说水胶比是影响缓凝砂浆力学性能的关键因子，对缓凝砂浆的力学性能的贡献最大，砂胶比对缓凝砂浆力学性能的影响次之，硅微粉掺量影响程度最小。因此要提高缓凝砂浆的力学性能必须严格控制缓凝砂浆的水胶比，水胶比越小凝结硬化后力学性能越好。

4　结　论

通过对22组不同水胶比、砂胶比和硅微粉掺量的缓凝砂浆进行了流动性和凝结硬化后力学性能的试验研究，得到以下结论：

(1)凝结硬化前，缓凝砂浆的流动性随水胶比增大而增大，随砂胶比增大而减小，硅微粉掺量增大会降低缓凝砂浆的流动性。从缓凝砂浆包裹填充性角度考虑，新拌缓凝砂浆的沉入量为25～55 mm时，其包裹填充性最佳；

(2)采用灰色关联分析方法，计算分析了水胶比、砂胶比和硅微粉掺量对凝结硬化后的缓凝砂浆的立方体抗压强度、轴心抗压强度、劈裂抗拉强度和静弹性模量的影响规律和影响程度。结果表明水胶比为影响缓凝砂浆的关键因子，砂胶比影响次之，而硅微粉掺量影响最小。

[1] 王起才，王永奎.预应力混凝土体系中的缓凝砂浆研究[J].混凝土，1994，(4)：44-47.

[2] 王起才.超缓凝砂浆研究和在预应力混凝土中的应用[J].工业建筑，1996，26(3)：38-41.

[3] 于本田.基于缓凝砂浆包裹的缓粘结预应力筋粘结性能试验研究[D].兰州：兰州交通大学学位论文，2014：18-19.

[4] 赵建昌.缓粘结预应力混凝土结构张拉摩阻试验研究[J].水力发电学报，2009，28(01)：148-151,170.

[5] 吴转琴，曾昭波，尚仁杰，等.缓粘结预应力钢绞线摩擦系数试验研究[J].工业建筑，2008，38(11)：20-23.

[6] 熊小林.缓粘结预应力体系施工工艺研究[D].南京：东南大学学位论文，2006.

[7] 尚仁杰，洪光，夏京亮，等.缓粘结预应力钢绞线粘结锚固性能试验研究[C].第十一届后张预应力学术交流会，2011：56-61.

[8] 王起才.超缓凝砂浆的研究和应用[J].兰州铁道学院学报，1995，14(4)：17-20.

[9] 邓聚龙.灰色控制系统[M].武汉:华中工学院出版社，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

长江学者和创新团队发展计划(IRT_15R29)；兰州交通大学青年科学基金(2011034)

于本田(1979-)，男，博士，副教授.主要从事混凝土材料与结构耐久性的研究.

TU528

A

1001-1625(2016)03-0963-07