磷酸镁水泥砂浆与混凝土的锚固粘结性能研究

2020-10-29崔棚戴梦希丁铸侯东帅董必钦

中国建材科技 2020年2期

崔棚戴梦希丁铸侯东帅董必钦

（1深圳大学土木与交通工程学院，广东深圳 518060；2深圳市大鹏新区大鹏办事处，广东深圳 518116；3青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033）

随着新技术的发展和产业转型升级，以及可持续发展和生态环保理念的不断进步，建筑领域存在一些需要在原有建筑结构上进行加固改造以便能够继续使用的工程，这样既能满足建筑结构安全性和使用性要求，同时低碳排放，是既有建筑物充分利用的最佳方案之一[1-3]。在加固原有建筑物结构过程中，部分建筑物需要在原有混凝土中进行植筋锚固；而锚固剂决定了植入钢筋与旧有混凝土之间能否很好地协同工作，因此对于锚固剂的研究十分重要[4-6]。国外对植筋技术研究较早且已经有较多相关标准规范，我国目前对该技术研究还比较少[7-8]。最新的标准《混凝土结构工程用锚固胶》（GB/T 37127—2018）仅涉及目前工程和研究中使用的有机锚固剂，而没有针对无机锚固剂。事实上，无机锚固剂已经显示了良好的技术经济效果，例如无机后锚固材料与混凝土的粘结强度可达8.5MPa[9]；在硫磺砂浆锚固剂中的砂子用石屑和石粉代替，不仅可以节约砂子用量，还可以将锚固剂的抗压和抗折强度分别提高27.9%和10.1%[10]。相对于有机锚固剂，无机锚固剂不仅具有耐高温性能好，例如无机化学锚栓在200℃时，极限拉拔承载力为常温下的89%～109%，但是大部分有机锚固剂在500℃的火灾高温环境中，抗拔承载力下降到5kN以下，而无机化学锚栓的仍可以保持在10～20kN；更重要的是，无机锚固剂提供的弱碱性环境，可以对钢筋进行防护，可以显著延长加固结构的安全性和使用寿命[11-15]。但目前可供选择的无机锚固剂种类及相关研究较少。

磷酸镁水泥（Magnesium Phosphate Cement，MPC）是由重烧镁砂和磷酸盐组成，是一种酸碱水泥，其水化反应速率比较快，通常需要添加硼酸或硼砂作为缓凝剂[16-18]。磷酸镁水泥具有快凝早强、对钢筋有阻锈防护功能、与旧有混凝土粘结力强等诸多优点，因此十分适合作为建筑加固工程中植筋锚固技术的锚固剂[19]。研究表明，在弱碱性环境下，磷酸镁水泥与铁反应生成FeH（H2PO4）2、FePO4和FeOOH，并和MgKPO4·6H2O一起形成一层致密的钝化膜，对钢筋的锈蚀起到很强的防护作用[16，20]。在低碳钢表面涂覆500μm的磷酸镁水泥，经1440h中性烟雾腐蚀试验后，低碳钢表面未见锈蚀；而磷酸镁水泥可以使优质结构钢的耐锈蚀能力更强[21-22]。由于掺合料的分散效应可以使磷酸盐反应更充分，能明显改善磷酸镁水泥的抗钢筋锈蚀性能[23]。磷酸镁水泥对钢筋的防护性能，十分有利于作为植筋锚固技术中的锚固剂。但是，目前对于磷酸镁水泥作为锚固剂的研究很少，特别是磷酸镁水泥与钢筋混凝土的拉拔和反复加载卸载的力学性能研究较少。

本研究通过对掺加粉煤灰的磷酸镁水泥砂浆和硅酸盐水泥（Portland Cement，PC）砂浆、市售无机锚固剂及有机锚固剂锚固钢筋进行单轴拉拔试验和反复加载卸载试验，分析磷酸镁水泥砂浆与普通混凝土之间的粘结界面微观形貌，为磷酸镁水泥作为植筋锚固技术中的锚固剂奠定基础。

1 实验

1.1 原材料

重烧镁砂（海城华宇集团）和粉煤灰（东莞市火力发电厂）的主要成分见表1。其他原材料包括：磷酸二氢钾，成都科龙化工试剂厂产，分析纯；硼砂（Na2B4O7·10H2O），上海凌峰化学试剂有限公司产，分析纯；水泥，广州市珠江水泥有限公司粤秀牌硅酸盐水泥，强度等级P·Ⅱ42.5R；考虑到带肋钢筋对有机和无机锚固剂拉拔强度会有不同程度的影响，为减少试验变量，故采用光圆钢筋，又由于钢筋直径越大，临界锚固深度越深，考虑到单轴锚固拉拔试验所用的混凝土块尺寸，故采用钢筋直径8mm，最终选用Φ8的HPB 300钢筋[19]；砂浆所用砂为标准砂；所用水为去离子水；试验所用有机锚固剂为上海皇氏工匠牌环氧树脂类双组份注射式有机植筋胶；试验所用无机锚固剂为佳合天成加固材料厂的HB-600型无机植筋锚固剂。

MPC砂浆中磷酸二氢钾与重烧镁砂的质量比为1：1，硼砂与重烧镁砂的质量比为1：3，水灰比为0.17，胶砂比为1，粉煤灰与MPC的质量比为1.08：1。

锚固试验所用的基材混凝土强度等级为C50，w/c=0.4，水泥：砂子：石子=1：1.58：1.52，石子为粒径为4.75～31.5mm连续级配的天然碎石，砂子为河砂（中砂）。试验所用硅酸盐水泥（PC）砂浆的水胶比w/c=0.4，胶砂比为1。

1.2 试验方法

1.2.1 单轴锚固拉拔试验

为对比MPC砂浆的锚固性能，设置了4组对照组（除预埋钢筋组外，其他3组均为后锚固组，所使用的混凝土基材试件材料、外形尺寸、孔洞尺寸均完全一致），即预埋钢筋组、硅酸盐水泥砂浆组（PC砂浆组）、有机锚固剂组和无机锚固剂组。

根据混凝土的配比制作一批边长为100mm的立方体混凝土试块，浇筑时在模具中央插入长130mm、直径Φ25的PVC管，在管身90mm处做标记，混凝土浇筑后在室温环境养护24小时后脱模并拔出PVC管，即得长90mm、直径25mm的预留孔洞。而预埋钢筋组直接在浇筑混凝土试块时插入钢筋即可。

混凝土试块在温度为20℃、相对湿度大于90%的混凝土养护室内养护28天后取出，自然晾干，即混凝土表面及孔道内壁达到面干状态；将配置好的MPC砂浆、PC砂浆、有机锚固剂和无机锚固剂依次灌注进入混凝土试块的预留孔洞中，随后插入表面用角磨机除锈并用无水乙醇清洗后的、长度为200mm的Φ8 HPB 300钢筋；拉拔试件制作好后放置在室内养护，测试养护1d、3d、7d、28d的拉拔强度，所用测试仪器为深圳市瑞格尔仪器有限公司的微机控制电子万能试验机（RGM-4100，规格100kN），加载速度5mm/min。每组配比的每个龄期各做4个拉拔试件，取平均值为拉拔强度值。单轴拉拔试验如图1所示。

图1 单轴拉拔试验

1.2.2 反复加载卸载试验

为了研究在龄期较长时，反复荷载作用下各种锚固剂植筋的锚固性能，对植筋试件进行反复加载-卸载试验。所用植筋试件的植筋深度为预试验中确定的最佳锚固深度，即锚固深度为锚固钢筋直径的1.75倍[19]。试件在大气环境中养护100天，各组试件的反复加载-卸载试验中循环荷载的上下限值和循环次数均相同，即荷载上限为15kN，下限为1kN，循环次数设置为10次。试件尺寸为直径150mm、高300mm的圆柱体，中心植筋，每种锚固剂为一组，每组3个试件。所用测试仪器为深圳市瑞格尔仪器有限公司微机控制电子万能试验机（RGM-4100，规格100kN），加载速度5mm/min。

1.2.3 微观结构分析

为了研究MPC砂浆与混凝土之间的界面粘结性能，取拉拔试验后的样品试块，采用扫描电镜（SEM，FEI公司Quanta TM 250）进行测试分析。

2 试验结果与分析

2.1 MPC砂浆的单轴拉拔性能研究

将磷酸镁水泥与其他锚固剂1d、3d、7d和28d的试件进行单轴拉拔测试，结果如图2所示。

从图2可以看出，在本研究中，MPC砂浆锚固钢筋的1d拉拔强度虽然低于有机锚固剂组和无机锚固剂组，仅为1.68MPa，但明显高于PC砂浆组和预埋钢筋组。MPC砂浆3d和7d的拉拔强度发展迅速，比无机锚固剂组3d和7d的拉拔强度仅小24%和9%，但已经明显高于有机锚固剂组3d拉拔强度，是后者的2.2倍，并稍高于有机锚固剂组7d的拉拔强度。在28d时，MPC砂浆的拉拔强度最大，达到7.73MPa，比无机锚固剂组、有机锚固剂组、PC砂浆组和预埋钢筋组分别高5%、13%、83%和129%。有研究表明，磷酸镁水泥与低碳钢的粘结强度可达4.6±0.7MPa[21]。而所用MPC砂浆的3d和7d的拉拔强度是1d拉拔强度的2.8倍和3.4倍，而28d拉拔强度则是7d拉拔强度的1.3倍，说明MPC砂浆的拉拔强度一直在不断增加。

图2 不同锚固剂的拉拔强度和破坏形态

从图2可见，市售无机锚固剂组的早期拉拔强度最高，但28d的拉拔强度低于MPC砂浆的拉拔强度，且28d拉拔破坏时仅有部分混凝土试块被拔出，而MPC砂浆组28d拉拔破坏时，MPC砂浆粘结的混凝土均被拔出，说明MPC砂浆与混凝土和钢筋之间的粘结十分牢固。MPC砂浆同无机锚固剂组一样，均能与钢筋和混凝土界面有较高的粘结力。磷酸镁水泥中存在大量未水化的反应物，这些反应物随着龄期增长而继续反应，从而使得MPC砂浆的28d拉拔强度高于无机锚固剂组的28d拉拔强度。而除了有机锚固剂组1d拉拔强度高于MPC砂浆外，PC砂浆组、预埋钢筋组和有机锚固剂其他龄期的拉拔强度均低于MPC砂浆组的拉拔强度，且28d拉拔破坏时，有机锚固剂组的钢筋从有机锚固剂内被拔出，说明有机锚固剂与钢筋之间的粘结力小于与混凝土之间的粘结力；PC砂浆组的砂浆随着钢筋被拔出而拔出，说明PC砂浆与钢筋之间的粘结力大于其与混凝土之间的粘结力；预埋钢筋组的钢筋拔出后仅有少量的表层混凝土被拔出，说明钢筋与混凝土之间的粘结力较低。

由于MPC砂浆属于脆性材料，拉拔试验中的荷载位移曲线能在一定程度上反映材料破坏时的脆性程度，故对MPC砂浆单轴拉拔试验的荷载位移曲线进行分析，如图3所示。

从图3可以看出，MPC砂浆早期的拉拔破坏均属于比较明显的脆性破坏，达到抗拉极限荷载后荷载急速下降，但荷载下降的速率明显低于达到拉拔极限荷载前的上升速率，且荷载下降段均有20mm左右的缓慢破坏阶段，说明MPC砂浆在锚固钢筋后表现出一定的塑性变形（有吸收能量的能力），特别是在28d的荷载位移曲线中，可以明显看到达到拉拔极限荷载前存在一段类似低碳钢拉伸试验中的屈服阶段。此外，从28d的荷载位移曲线还可以看到，在MPC砂浆锚固钢筋拉拔试验后期有明显的类似滞回曲线产生，说明MPC砂浆锚固的钢筋在抗拉承载力退化阶段有一定的耗能能力，这对于建筑结构抗震能力十分有利。

图3 MPC砂浆组拉拔试验的荷载位移曲线

2.2 MPC砂浆承受反复加载卸载性能研究

通过MPC砂浆锚固钢筋单轴拉拔试验发现，MPC砂浆锚固的钢筋在抗拉承载力退化阶段具有一定的抗震能力。为了进一步研究MPC砂浆锚固钢筋的长期（100d）力学性能，对MPC砂浆和其他锚固剂承受反复加载卸载性能进行试验研究，试验结果如图4所示。

图4 不同锚固剂反复加载卸载的荷载位移曲线

从图4（a）可见，与其他锚固剂组相比，MPC砂浆达到极限荷载的位移更大，并且在达到荷载极限前的荷载上升速率最小；同时，与预埋钢筋组相比，MPC砂浆锚固钢筋在达到极限荷载后的抗拉承载力退化过程更缓慢；这将有效延长结构破坏的时间，从而增加灾害发生时的逃生时间，减少灾害损失。从图4（b）可见，不同锚固剂均在位移达到4mm之前达到极限荷载，其中无机锚固剂组和有机锚固剂组在达到极限荷载后有类似滞回曲线产生，而MPC砂浆组则没有类似滞回曲线产生，这可能主要是因为磷酸镁水泥中未反应的反应物经过长时间的反应，生成更多的钾型鸟粪石，使得MPC砂浆锚固剂的结构更加致密，因而在受拉时没有类似滞回曲线产生。

2.3 MPC砂浆与混凝土的界面粘结

为进一步揭示MPC砂浆锚固钢筋的锚固机理，对拉拔试样的界面进行微观形貌测试分析。

由于拉拔试块预留孔洞表面主要为裸露的粗细骨料和硅酸盐水泥硬化后的物质，故MPC砂浆与预留孔洞的界面主要有MPC砂浆与混凝土中骨料的粘结界面，以及MPC砂浆与硬化后的硅酸盐水泥的粘结界面。

2.3.1 MPC与混凝土中骨料的粘结

在7d拉拔试验后第3天，选取MPC砂浆粘结有混凝土骨料的试块，采用SEM观察其微观形貌，如图5所示。

在进行SEM测试时发现，大部分MPC砂浆与混凝土中细骨料的粘结界面如图5（a）所示，很少一部分MPC砂浆与混凝土中细骨料的粘结界面如图5（b）所示。由于仅MPC砂浆中含有圆球状的粉煤灰，而混凝土中没有使用粉煤灰，故图5（a）的右半部分为MPC砂浆，左半部分为混凝土中的细砂颗粒，而图5（b）的左半部分为MPC砂浆，右半部分为混凝土中的骨料。从图5（a）可以看出，大部分MPC砂浆与混凝土中的细骨料粘结得十分牢固，只有很少一部分界面粘结出现细微缝隙（如图5（b）所示）。由于新拌MPC砂浆中存在水分，在水化硬化后与混凝土的界面处留下缝隙，进而形成如图5（b）所示的界面形貌。

图5 MPC砂浆与混凝土中骨料粘结界面形貌

MPC砂浆与混凝土中的骨料粘结比较牢固，在钢筋拉拔过程中，MPC砂浆有效地将受拉荷载传递到混凝土中，从而使得拉拔试验达到极限荷载前荷载可以持续增加（如图2所示）。

2.3.2 MPC砂浆与混凝土中硅酸盐水泥的粘结

对2.3.1样品中MPC砂浆与混凝土中硅酸盐水泥粘结界面进行SEM观察，结果如图6所示。

图6 MPC砂浆与普通混凝土中硅酸盐水泥粘结界面形貌

由于SEM中观察到的粉煤灰为圆球状，样品中仅磷酸镁水泥中含有粉煤灰，故图6（a）左半部分为MPC砂浆，右半部分为硅酸盐水泥，从图中可以看出MPC砂浆与硅酸盐水泥粘结较紧密；为进一步观察二者之间的界面形貌，对图6（a）中的b处进行放大观察，如图6（b）所示。从图6（b）可见，MPC砂浆与硅酸盐水泥相互粘结在一起，结合比较紧密。

此外，对1d和3d拉拔试验后的试件锤开进行观察发现，MPC砂浆很容易从预留孔道壁上脱落；而28d拉拔试验后的试件，在锤开后可以看到MPC砂浆与混凝土粘结紧密，与预留孔道壁上粘结为一体。这说明在MPC砂浆水化早期（1d和3d），MPC砂浆与普通混凝土之间并未发生比较明显的化学结合，二者之间主要是物理结合，而在水化后期（28d），MPC砂浆与普通混凝土，特别是与普通混凝土中的硅酸盐水泥发生化学粘结，从而使得28d拉拔强度显著提高。为进一步验证MPC砂浆与硅酸盐水泥界面的化学粘结，对图6（a）进行了面扫，结果如图7所示。根据元素的分布，可以判断存在一定的化学结合。面扫研究表明，水化磷酸盐凝胶与硅酸盐水泥界面区域存在化学结合[25]。

由于MPC砂浆和硅酸盐水泥砂浆中均含有O和Si元素，故在面扫中二者区分不明显，而绝大部分的Mg元素和Ca元素分别存在于MPC砂浆和硅酸盐水泥中，故二者的区分十分明显。同时从图7中可以看出，MPC砂浆和硅酸盐水泥交界的界面有一些交叉，说明二者存在一些化学结合。