聚合物水泥加固砂浆下垂性试验研究

2020-11-02蒋玉川王清高杨春

中国建材科技 2020年1期

蒋玉川王清高杨春

（中国建材检验认证集团股份有限公司，北京 100024）

0 前言

聚合物水泥加固砂浆是以水泥和细骨料为基本材料，按照一定比例掺加聚合物进行改性，添加适量辅助材料混合制成的用于结构加固使用的砂浆，聚合物水泥加固砂浆具有优良的柔韧性能、粘结性能，对提高结构的承载能力和耐久性能起到良好的作用。据报道[1]，国外早在20世纪20年代就开始对聚合物水泥复合材料进行研究，20世纪70年代开始大量应用于工程实践中。我国研究起步较晚，在20世纪80年代才开始进行研究，20世纪90年代逐渐开始应用，进入21世纪后应用量开始大幅上升。

目前，国内外学者对聚合物水泥加固砂浆进行了大量的研究，主要对聚合物种类[2-3]和掺量[4-5]对砂浆的影响、聚合物水泥加固砂浆拌合物性能[6-8]、力学性能[9-11]以及长期耐久性能[12-15]进行了深入研究。聚合物掺加到水砂浆中起到改性作用，其能够在水泥砂浆内部形成网状结构膜，增强水泥砂浆的絮凝结构[16]，能够提高水泥砂浆的弯曲韧性、抗裂性、抗冻能力以及耐腐蚀能力。聚合物水泥加固砂浆经常与预应力钢绞线网片配合使用，在工程应用中适用于混凝土结构的柱、梁、板等构件加固，也适用于砖砌体结构的加固，能够大大提高建筑物结构的承载能力和长期使用能力。现行国家标准对聚合物水泥加固砂浆的性能提出了要求，包括抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度、钢套筒粘结抗剪强度、与混凝土的粘结强度、耐水性能、抗冻性以及湿热老化性能，这些指标的规定对提高聚合物水泥加固砂浆的生产质量以及工程应用提供了良好的质量控制依据，但是在实际工程中，聚合物水泥加固砂浆主要应用于竖向结构和板结构的底面，其施工性能严重影响实际的使用效果，尤其是下垂性能，砂浆涂覆于结构表面后应具有抵抗下垂的能力，这对保证工程质量具有重要的作用。目前，对聚合物水泥加固砂浆的下垂性能研究较少，尚未发现有相关报道。

本文设计了下垂性能试验方法，通过测试不同类别的聚合物水泥加固砂浆的下垂度指标来表征砂浆的施工性能，为聚合物水泥加固砂浆的施工性能控制提供量化指标，并通过试验验证提出砂浆下垂度试验评价方法。

1 试验内容

1.1 试验材料

试验样品选取了北京、湖南、大连的四家企业生产的聚合物水泥加固砂浆，编号分别为1#、2#、3#和4#，各自代表了工程中常见的砂浆状态，并配置了普通水泥砂浆进行对比，对比砂浆配比为水泥∶ISO标准砂∶水=1∶3∶0.45，水泥为唐山冀东水泥厂生产的水泥P·O42.5，对比砂浆编号为0#，普通水泥砂浆的稠度状态不能满足建筑物竖向结构加固。聚合物水泥加固砂浆和对比基本性能特征见表1。

表1 聚合物水泥加固砂浆性能特征

1.2 下垂性测试方法

本文按照竖向混凝土结构采用聚合物水泥加固砂浆加固施工工况设计了下垂性测试方法。试验采用混凝土试块作为底层，上面涂抹不同厚度的砂浆，刮平后垂直放置，静止放置到砂浆下垂高度不再变化，测量砂浆的下垂高度，以此高度作为聚合物水泥加固砂浆的下垂度代表值。为了准确评价砂浆下垂度性能，设计了不同宽度和高度的混凝土基块，高度分别为100mm、200mm和300mm，宽度分别为100mm、200mm，混凝土基块和成型用模具见图1。聚合物水泥加固砂浆涂抹厚度设计了10mm和20mm两种。下垂高度采用游标卡尺进行测量，精确度为0.02mm。聚合物水泥加固砂浆下垂度测试结果见表2。

表2 聚合物水泥加固砂浆下垂度测试结果

图1 下垂性测试用混凝土底板和成型模具

图2 不同浆体高度下垂性测试样品状态

1.3 稠度测试方法

聚合物水泥加固砂浆稠度试验依据JG/T70-2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行，砂浆搅拌完成后，一次装入砂浆盛装容器，使砂浆表面低于容器口约10mm，用倒棒自容器中心向边缘均匀地插捣25次，然后轻轻将容器摇动或敲击5-6下，使砂浆表面平整，将容器安放于稠度测定仪的底座上。拧松制动螺丝，向下移动滑杆，当试锥尖端与砂浆表面刚接触时，拧紧制动螺丝，读取刻度盘的度数。拧松制动螺丝，同时计时，10s时立即拧紧螺丝，再次读取刻度值，两次度数差值即为砂浆的稠度值。

2 试验结果及分析

2.1 稠度对下垂性的影响

聚合物水泥加固砂浆下垂度与稠度的关系见图3。普通水泥砂浆稠度为55mm，1#～4#聚合物水泥加固砂浆稠度分别为15mm、45mm、65mm和50mm，本文选取的四种聚合物水泥加固砂浆3#样品稠度最大、1#样品稠度最小，普通水泥砂浆稠度适中。对于稠度值相当的普通水泥砂浆不能应用于竖向结构加固，而聚合物水泥加固砂浆是满足现场施工要求的，因此，采用稠度值代表砂浆在建筑物竖向结构加固中的施工性是不适合的。普通水泥砂浆的下垂度测试结果比同稠度的聚合物水泥加固砂浆高很多，通过下垂度表征砂浆在建筑物竖向结构加固工程中的施工性是可行的。从图3中可以看出，聚合物水泥加固砂浆的下垂度随着稠度的增大呈增长趋势，并且以浆体尺寸宽100mm×高200mm×厚20mm的砂浆测试值增强趋势最为明显，其他三种浆体规格的涂抹厚度均为10mm，未明显体现出3#和4#的下垂度区别，聚合物水泥加固砂浆稠度在45mm～60mm时采用涂抹厚度20mm的浆体规格测试下垂度更为合适。

图3 砂浆下垂度和稠度关系曲线图

2.2 浆体宽度对下垂性的影响

砂浆下垂度与浆体宽度的关系见图4。从图4可以看出，聚合物水泥加固砂浆浆体宽度为200mm的下垂度测试值略高于浆体宽度为100mm的下垂度，差别不是很大，砂浆主要由其本身的重力作用而产生下垂，在浆体的高度和厚度相同的情况下，单位宽度的浆体抵抗下垂的能力决定于其自身的质量和其与混凝土底板的粘结强度，本文中的四种聚合物水泥加固砂浆的密度基本相当，也就是说其自身的质量差别不大，所以砂浆的下垂度主要受浆体与混凝土底板粘结强度的影响。浆体宽度越大，其与混凝土底板的粘结面积越大，粘结强度也就越大，因此，浆体宽度并不是影响聚合物水泥加固砂浆下垂度的主要因素。由分析可见，下垂度测试选取浆体宽100mm或200mm均是合理的，为了降低试验操作强度，建议选取浆体宽度100mm的规格尺寸进行试验。

图4 砂浆下垂度与浆体宽度关系图

2.3 浆体高度对下垂性的影响

砂浆下垂度与浆体高度的关系见图5。从图5可以看出，在浆体宽度和厚度相同的情况下，浆体高度越高，则下垂度测试结果越大，尤其是浆体高度增加到300mm时，砂浆下垂度大幅增加，浆体高度是影响砂浆下垂度的重要因素。砂浆拌和后的浆体是塑性状态，因其重力作用而下垂，单位宽度、单位厚度的浆体，高度越大，重力作用越大，但由于浆体本身与混凝土底板的粘结强度作用，上层的浆体重力作用会明显地减小，主要作用是上层浆体的下垂对下层浆体进行挤压，增大了浆体底层的下垂度。浆体高度100mm不能很好地体现上层浆体挤压下层浆体的苛刻条件，而300mm的浆体高度则大大增加了操作强度，并且存在混凝土板倾倒风险，而200mm浆体高度既能够体现浆体上下层浆体的作用状态，又比较容易操作，因此，选择浆体高度200mm的试样尺寸测试下垂度是较为适宜的。

图5 砂浆下垂度和浆体高度关系图

2.4 浆体厚度对下垂性的影响

砂浆下垂度与浆体厚度的关系见图6。从图6可以看出，浆体宽度和高度相同的情况下，浆体厚度越大，下垂度测试结果越大，浆体高度为100mm和200mm，浆体厚度20mm的砂浆下垂度均明显大于浆体厚度10mm的砂浆。浆体高度和宽度相同，表面砂浆与混凝土底板的粘结面积相同，也就是说砂浆与混凝土底板的粘结强度相同，砂浆的下垂度决定于砂浆本身的重力作用，砂浆涂抹厚度越大，砂浆重力作用越大，因而下垂度越大。在实际工程中，砂浆的涂抹厚度一般为30mm-50mm，砂浆内部预铺有钢丝绳网片，钢丝绳网片对聚合物水泥加固砂浆有很好的固定作用，防止了砂浆下垂，钢丝绳表面距离砂浆表面大约20mm，通过试验验证，在混凝土底板涂抹20mm的聚合物水泥加固砂浆测试下垂度能够很好的体现砂浆的施工下垂性，并且较10mm厚砂浆测试结果更为严格和有代表性。

图6 砂浆下垂度与浆体厚度关系图

2.5 评价方法和指标

聚合物水泥加固砂浆在应用于建筑物竖向结构加固时，其施工性主要决定于是否能够良好悬挂于混凝土表面而不下垂，这是保证工程质量的关键，通过本文的试验验证和结果分析，聚合物水泥加固砂浆施工性能评价方法可以采用浆体高200mm、宽100mm、厚20mm的规格尺寸测试砂浆的下垂性能，通过下垂度测试指标评价砂浆的施工性能。从各种砂浆的测试结果分析，下垂度均小于4.5mm，且不能过于干稠而导致脱落。因此，采用浆体高200mm、宽100mm、厚20mm的下垂度试验方法，下垂度指标宜小于4.5mm，且不产生剥离脱落现象。