磷酸盐水泥砂浆作为锚固胶的性能研究

丁 铸，孙 晨，戴梦希

1)深圳大学土木工程学院，广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东深圳 518060；2)深圳市大鹏新区大鹏办事处，广东深圳 518116

磷酸镁水泥(magnesium phosphate cement，MPC)是由镁砂、磷酸盐及调凝材料按照一定的配比配制而成的水泥材料.与硅酸盐水泥相比，磷酸盐水泥具有高早期强度、快凝快硬、干缩变形小、高黏接强度等优良性能，已经用于机场跑道、高速公路和城市主干道的快速修补、各类工程的抢修等方面，并在危险废弃物的固结与稳定方面具有很大潜力[1-4].植筋加固技术是简捷、有效的混凝土结构连接与锚固技术，现已广泛应用于建筑物的加固改造工程[5-8].植筋锚固技术分为有机植筋锚固技术和无机植筋锚固技术，有机植筋又称化学植筋，是当今普遍采用的植筋方法.但是，由于有机胶抵抗高温的能力较低且与混凝土基材的相容性较差[9-10]，因此，无机锚固材料被越来越多地使用.然而现有的无机锚固胶多为水泥基材料，该类无机锚固胶存在固化慢和早期强度不够等缺陷[11-12].磷酸盐水泥能很好地应对上述问题，是作为锚固胶的优良材料，因此，本论文对磷酸盐水泥砂浆的植筋锚固性能进行了研究.本实验将制备流动性、凝结时间和抗压强度等工作性能适宜植筋锚固要求的磷酸盐水泥砂浆，研究了锚固深度对于其植筋胶锚固性能的影响，根据植筋施工工艺和拉拔技术要求在现场对MPC砂浆进行了一次植筋实验以验证MPC砂浆的实际植筋效果.

1 实 验

1.1 实验材料

本研究使用的原材料包括：粤秀牌P·Ⅱ42.5R硅酸盐水泥(PC)，中国水泥标准砂，磷酸二氢钾(分析纯),镁砂(MgO的质量分数为83.18%).采用直径为8 mm的HPB300钢筋及直径分别为12、18和25 mm的HRB335钢筋.MPC使用的复合缓凝剂为自配.配制混凝土的细骨料为用河砂(中砂)、粗骨料为天然碎石(连续级配，粒径为4.75～31.5 mm).制备砂浆与混凝土的用水为自来水.

本研究采用的MPC砂浆材料组成为MPC粉体、标准砂和水，其质量比为1.00∶1.26∶0.17. MPC粉体中磷酸盐、镁砂、粉煤灰和缓凝剂的质量比为1.00∶1.00∶2.17∶0.30.所用的PC砂浆中PC水泥、标准砂和水的质量比为1.0∶1.4∶0.4.制作混凝土的材料中水泥、水、砂和石子的质量比为1.00∶0.48∶1.95∶3.20.

1.2 实验方法

MPC水泥的流动度按照GB T2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》测定.凝结时间的测定按照《水泥稠度及凝结时间测定仪器操作规程》进行试验.抗压性能实验试件大小为30 mm×30 mm×30 mm，加载速率为2.4 kN/s.

锚固性能实验：首先制作直径150 mm，高300 mm的圆柱体混凝土试件，测试得到28 d抗压强度为43 MPa，然后制作用于锚固操作的混凝土试件.浇筑混凝土试件时在其中部即预留直径为25 mm，长度适宜植筋的孔洞.实验共设置了8种锚固深度，分别为钢筋直径的5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5、20.0和22.5倍.养护28 d后取出，待混凝土表面及孔道内壁达到面干状态后，将MPC砂浆注入混凝土试件的孔洞中.然后立即在孔道内插入表面用角磨机除锈并用无水乙醇清洗后的Φ8 mm HPB300钢筋，锚固深度根据各组要求并保持钢筋位于孔道正中间.再养护28 d后将试件置于深圳市某公司制造的微机控制电子万能试验机(型号：RGM-4100，规格100 kN)上进行拉拔试验.将试件在反力架上固定好，试验机夹头夹住钢筋，加载速度为5 mm/min直到破坏.

现场试验地点位于深圳市南山区后海某工地.构件为一批废弃的混凝土节点，被锯成大块后搬运至此，外观近似正方体，边长1 m左右，每个构件上有大面积的平面，可在其上进行竖向钻孔.施工操作人员为深圳市某加固公司的两名技术人员.试验采用直径分别为12、18和25 mm的HRB335带肋钢筋，各2根，钢筋长度均为1 m.植筋胶为MPC砂浆，根据现场工况适当调整水灰比(质量比)为0.2，并采用经过孔径为0.5 mm的筛网筛过的标准砂，以保证MPC砂浆有充分的流动性，没有过大砂粒阻塞了锚固剂下流.进行拉拔的试验仪器为ZM-30型锚杆拉拔仪(显示仪分辨率为0.1 kN，误差<1%，测量范围为0～300 kN).在构件上表面的钻孔位置如图1所示，锚固深度如表1所示.

图1 构件上钻孔位置示意图Fig.1 Hole locations on the component

编号锚固深度/cm钢筋直径/mm①12 512②14．512③18．018④23．018⑤26．025⑥30．025

2 实验结果与讨论

2.1 拉拔力与锚固深度关系的分析和拟合

用搅拌机拌合MPC砂浆混合物，新拌MPC砂浆的扩展流动度为145 mm，初凝和终凝时间分别为23和37 min.28 d MPC砂浆的抗压强度为38.78 MPa.

为研究MPC砂浆锚固剂的临界锚固深度，本实验将8种锚固深度的试件于龄期的第28天进行拉拔试验，锚固深度与每个锚固深度的平均拉拔力间的关系如图2.由图2可以看出，锚固深度为钢筋直径的10倍时，平均拉拔力略低于7.5倍时的拉拔力；埋深从5.0倍至17.5倍，拉拔力总体随着锚固深度的增加而增长.17.5倍时拉拔力出现最大值20.476 kN；从17.5倍到20.0倍，拉拔力再次稍稍下降，降为19.740 kN；22.5倍时拉拔力略有上升，达到20.122 kN，但仍未超过17.5倍时的拉拔力.由此可以认为，拉拔力随着锚固深度的增加先增长，后趋于平稳，平均拉拔力最大值对应的锚固深度为钢筋直径的17.5倍，为临界锚固深度.该临界锚固深度已超过文献[13-14]计算出的11.7倍和文献[15]计算出的12.9倍，说明使用17.5倍钢筋直径作为临界锚固深度较文献提供的方法更保守.钢筋可以达到理想破坏状态，完全可以避免出现因锚固深度不够而锚固剂强度难以发挥，钢筋未达到或刚刚达到屈服，锚固剂和混凝土超过其极限拉应力而产生的混凝土浅锥体破坏，保证了构件的安全.

图2 拉拔力随锚固深度的变化趋势Fig.2 The relationship between the pulling force and the depth of anchorage

本研究采用绘图软件Origin8.5中的数据拟合和回归功能，进一步表征MPC砂浆锚固性能与锚固深度的关系.由于认为临界锚固深度为钢筋直径的17.5倍，故可将拉拔力与锚固深度的关系视为分段函数．当锚固深度大于钢筋直径的17.5倍时，可认为拉拔力为常数，取锚固深度为钢筋直径的17.5、20.0和22.5倍时拉拔力的平均值20.107 kN；锚固深度小于钢筋直径的17.5倍时，拉拔力与锚固深度间存在函数关系，用函数仅拟合锚固深度小于钢筋直径的17.5倍时的拉拔力值.为检验拟合精度，用作商法将各锚固长度的拟合值分别与图2相对应的实际平均拉拔力值对比，令商值为ω，ω值越接近1表示拟合精度愈高.

2.1.1 线性拟合

对图2中各点测试值进行线性拟合，结果如图3.

图3 线性拟合结果Fig.3 Linear fit results

线性拟合的曲线形状大体符合数据点的分布趋势，线性拟合得到的曲线表达式为

y=1.556+1.125x

(1)

根据式(1)计算出各锚固深度的拟合值和ω值(表2).拟合结果显示ω值在[0.860,1.248]内，说明各拟合值与各实测值比较接近，拟合效果较好.锚固深度为7.5倍和12.5倍钢筋直径时，ω<1， 其他情况下ω值均大于1，即大部分情况下拟合值大于实际值，说明若采用线性拟合将使结果稍偏大，应该将其结果乘以折减系数后使用.

表2 线性拟合结果对比

2.1.2 多项式回归

经拟合发现，级数≤5时拟合结果收敛，因此级数为2至4的拟合结果可予以采用，结果见图4.二次三项式的曲线表达式为

y=-3.639+2.198x+0.048x2

(2)

三次四项式的曲线表达式为

y=-6.566+3.157x-0.141x2+0.003x3

(3)

四次五项式的曲线表达式为

y= -20.014+9.015x-1.024x2+

0.058x3-0.0012x4

(4)

上述3种多项式回归的曲线形状均大体符合数据点的分布趋势，根据拟合表达式可分别计算出3种曲线的各锚固深度的拟合值和ω值(表3).3种多项式回归的6个ω值均接近1，与线性拟合相比，多项式回归的结果没有偏大，不需乘以折减系数.当锚固深度为钢筋直径的5.0、7.5和10.0倍时，四次五项式的ω值均比另两种多项式更接近1；锚固深度为钢筋直径的12.5倍时，二次三项式的ω值最接近1；锚固深度为钢筋直径的15.0和17.5倍时，三次四项式的ω值更接近1，由此可见四次五项式能更好地模拟拉拔力与锚固深度的关系，尤其是当锚固深度较小时.

图4 多项式拟合结果Fig.4 Polynomial fitting results

2.1.3 非线性曲线拟合

在Origin8.5中筛选出3种拟合最精确的函数进行比较(图5).由图5可知3种函数表达式分别为

(5)

y2=24.861ln(-0.771×lnx)

(6)

y3=-23.334+14.616×ln(x+2.5)

(7)

表3 多项式回归结果

图5 非线性曲线拟合结果Fig.5 Nonlinear curve fitting results

可见三者均与图中数据点拟合较理想，但仍需通过计算ω值以判断何者更优.在确定3种函数的参数后，可分别计算出其拟合拉拔力值以及ω值，结果如表4.

3条曲线的ω值均在1左右，表明拟合效果良好.比较ω值可以得出，当锚固深度为钢筋直径的5.0和17.5倍时，y3拟合效果最佳；锚固深度为钢筋直径的10.0倍时，y1拟合效果最佳；锚固深度为钢筋直径的7.5、12.5和15.0倍时，y2拟合效果最佳，故曲线y2比另外两条曲线更好地描述了拉拔力和锚固深度两个变量间的关系.曲线y2的6个ω值中有4个小于1，2个大于1，说明该曲线的拟合结果偏向于保守，拟合值小于实际值，可不需乘折减系数直接使用.

纵观线性拟合，多项式回归和非线性曲线回归.线性拟合表达式的拟合结果偏大，拟合相对不安全，需要乘折减系数.多项式回归曲线中四次五项式的效果最好，ω值在1两侧平均分布.非线性曲线回归效果最好的y2曲线有4个ω值小于1，表明其拟合结果更保守，相对更安全.比较ω值与1的接近程度，曲线y2在10.0、15.0和17.5倍的锚固深度上表现最好；四次五项式在5.0和7.5倍上表现最好；线性回归在12.5倍上表现最好.

综上所述，为安全起见，本研究建议采用非线性曲线拟合中的表达式y2来描述当锚固深度不大于钢筋直径的17.5倍时拉拔力与锚固深度的关系，因此可得到MPC砂浆锚固的钢筋拉拔力为

(8)

其中，x为锚固深度，即钢筋直径的倍数，y为钢筋的拉拔力(单位：kN).

式(8)可用于将MPC砂浆作为锚固剂的后锚固构件的设计和承载力校核，依据设计锚固深度求出对应的拉拔力，以此进行验算.

表4 非线性曲线拟合结果对比

2.2 施工现场试验

工地现场植筋后，经过12 d自然条件养护即可进行拉拔试验.这段时间内降雨量较大，对MPC砂浆强度有少许不利影响.拉拔试验结果如表5所示.在表5中，钢筋屈服时的计算拉力值由钢筋的屈服强度335 MPa计得，依据方程(9)计算

(9)

其中，r为钢筋半径(单位：mm).在表5中，除了5号钢筋外，各钢筋的埋深均小于临界锚固深度的17.5倍， 但都能使钢筋达到屈服.钢筋屈服后拉力仍可以上升，即实际最大拉力值均大于计算拉力值.其原因可能有很多，例如锚固剂自身的强度较高，钢筋与锚固剂的物理咬合作用和化学胶结作用较强、锚固剂与基材的黏结作用较强、试验器材和夹具形状尺寸等.

根据《混凝土结构加固设计规范》GB 50367—2013[16]所述，锚固抗力等于钢筋的屈服强度时，相应的锚固深度可作为最小锚固深度.由此看来，对于用MPC砂浆锚固的带肋钢筋，实验所得临界锚固深度大于实际需要的锚固长度，若施工要求为使拉拔力等于钢筋屈服强度，可以适当缩减锚固深度进行植筋以节约钢筋.采用17.5倍钢筋直径植筋，拉拔力将会大于最小锚固深度植筋的拉拔力值，钢筋屈服后仍可以维持锚固作用，这样更能提高植筋的安全性.本试验的带肋钢筋与本课题组以往研究的光圆钢筋实际拉应力与剪应力对比见表6.由表6可以看出，3种直径的带肋钢筋第12天的拉应力均明显比使用光圆钢筋第28天大，说明肋会增加钢筋与MPC砂浆间的机械咬合力，使用带肋钢筋效果优于光圆钢筋.3种带肋钢筋相比较， 直径为12 mm的钢筋拉拔力大于直径为8 mm的钢筋，但直径为25 mm的钢筋拉拔力远小于直径为12 mm的钢筋，说明钢筋直径较小时拉拔力随直径增大而增大，但受相对表面积影响.即直径过大则钢筋的表面积与体积之比变小，故对拉拔力影响较大.平均剪应力和平均拉应力规律相同，带肋钢筋的剪应力高于光圆钢筋，但同样受制于相对表面积，3种规格带肋钢筋中直径为18 mm的钢筋剪应力最大，直径为25 mm的钢筋最小，接近于直径为8 mm的光圆钢筋28 d剪应力.由于光圆钢筋与混凝土之间的机械咬合作用远小于带肋钢筋，受相对表面积的影响更大，因此采用MPC砂浆植筋时应尽量选择直径较小的钢筋，可增适当加植筋数量，而避免采取植入少量大直径钢筋的方式.选用带肋钢筋，直径宜在20 mm以下.

表6 钢筋拉应力与剪应力值

3 结 论

1)钢筋在MPC砂浆中的临界锚固深度为钢筋直径的17.5倍，在临界锚固深度范围内，拉拔力与锚固深度符合一种非线性关系，锚固深度大于钢筋直径的17.5倍时拉拔力不增长，该结论可以初步用于设计及承载力校核中.

2)现场试验表明，6组钢筋中除了1组外，其他钢筋均已达到屈服，体现了MPC砂浆优秀的植筋锚固性能.锚固深度钢筋直径的17.5倍时可以提供远大于钢筋屈服强度的锚固力，在实际操作中偏于安全.

3)钢筋直径较小时，拉拔力随直径增大而增大，但是直径过大则钢筋的表面积与体积之比变小，拉拔力下降明显.故采用MPC砂浆植筋时应尽量选择直径较小的钢筋.

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