一种用于石板楼盖加固的自流平砂浆

2021-05-07郑奕鹏

黎明职业大学学报 2021年4期

郑奕鹏，王兰

(黎明职业大学土木建筑工程学院，福建泉州 362000)

水泥基自流平砂浆是由水泥基胶凝材料、细骨料、填料及外加剂等组成，与水(或乳液)搅拌后具有流动性能或稍加辅助性摊铺就能流动找平的地面用材料[1]。自流平砂浆抗压强度等级分C16、C20、C25、C30、C35、C40，抗压强度低于灌浆料。因其高流动性、自平整性、施工便捷、劳动力要求低，且凝结时间短、早期强度高等优异性能[2]，自流平砂浆在国内外得到了大量推广和应用。

据统计，泉州市存在多达1.61亿m2的石结构房屋，涉及总人口三百多万人。因石结构楼板多采用纯石板楼盖，花岗岩易脆断，历年屡有石结构坍塌事故见诸报端[10-11]，引起各方的关注与重视。鉴于自流平砂浆的以上特性，结合闽东南地区石结构建筑的研究成果[3-7]，本文基于石板楼盖加固结构技术[8-9]提出新的加固技术。以自主研制的自流平砂浆替代原技术中的改性砂浆，改变原有的施工方式，以提高施工效率，节约施工成本。

1 自流平砂浆试验研究

1.1 原材料

(1)水泥：P.O 42.5普通硅酸盐水泥，高铝酸盐水泥CA-60。

(2)细骨料：符合GB/T 14684—2011规定的天然砂，粒径0.16～0.60 mm级配的细砂，含水率约1.5%，人工烘干，含泥量低于0.15% 。

(3)减水剂：FDN(萘系减水剂)缓凝型高效减水剂，聚羧酸型高效减水剂，固含量30%。

(4)膨胀剂：UEA-Ⅱ膨胀剂(U型膨胀剂)。

(5)增粘剂：采用羟丙基甲基纤维素醚(HPMC)，可分散再生乳胶粉。

(6)消泡剂：通用型有机硅消泡剂。

(7)掺合料：Ⅰ级粉煤灰。

1.2 试验方法

参照《地面用水泥基自流平砂浆》JC/T 985—2017确定搅拌方式、流动值及力学性能试验，每组试验成型6个40 mm×40 mm×160 mm三连模，用来做抗折和抗压试验。在环境温度(23±2)℃，相对湿度(50±5)%，试验区的循环风速低于0.2 m/s的标准试验条件下进行试件养护。参照《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》GB/T 1346—2011测定凝结时间。

1.3 自流平砂浆基础配方

经查阅相关文献及试配确定试验基础配方，如表1所示。

表1 基础配方

以基础配方为基准，进行正交试验设计，研究胶凝材料、减水剂、消泡剂等材料的用量对自流平砂浆基本性能的影响。

2 试验结果与讨论

2.1 高铝酸盐水泥掺量对自流平砂浆抗压强度影响

图1为水泥中不同占比的高铝酸盐水泥对自流平砂浆抗压强度的影响。

图1 高铝酸盐水泥掺量对抗压强

(1)由图1可知未掺入高铝酸盐水泥时，自流平砂浆抗压强度最低，1 d抗压强度仅4.17 MPa，7 d抗压强度为26.8 MPa，28 d抗压强度仅为36.8 MPa，砂浆24 h抗压强度不低于6 MPa,不能满足规范的要求。

(2)随着高铝酸盐水泥掺量增加，自流平砂浆的1、7和28 d抗压强度均有所提升，高铝酸盐水泥的掺量在20%时，自流平砂浆的1、7和28 d抗压强度分别达9.2、31、40.6 MPa，高于石板楼盖加固砂浆抗压强度的要求。但随着高铝酸盐水泥掺量的增加，自流平砂浆的制作成本将有所提高，不符合乡镇建筑加固应经济适用的基本要求。

综上所述，最终确定普通硅酸盐水泥与高铝酸盐水泥的掺和质量比为9 ∶1。

2.2 减水剂种类及掺量对自流平砂浆流动性能影响

作为自流平砂浆中最重要的外加剂，减水剂对自流平砂浆的流动性能及强度有着显著的影响[12]。(1)通过对比相同用量的FDN减水剂和聚羧酸高效减水剂对自流平砂浆流动度影响，掺入FDN减水剂的自流平砂浆初始流动度为65 mm，掺入聚羧酸高效减水剂的自流平砂浆初始流动度为163 mm。掺入聚羧酸高效减水剂的自流平砂浆的流动度明显高于掺入相同比例FDN减水剂的自流平砂浆。(2)随着减水剂的掺入量增加，自流平砂浆的流动度随之提高。当聚羧酸高效减水剂的掺量为0.85%时，自流平砂浆初始流动度为163 mm，20 min流动度为145 mm。满足石板楼盖加固对于自流平砂浆流动性的要求。

2.3 消泡剂对自流平砂浆表观状态的影响

自流平砂浆对表面平整度要求较高，使用消泡剂可有效改善自流平砂浆的表面平整度。借鉴韩芳芳等[13]的研究结果，分别掺入0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的消泡剂，观察不同掺量的消泡剂对自流平砂浆的平整度的影响。结果如表2所示。

表2 消泡剂掺量对自流平砂浆平整度影响

当未加入消泡剂时，砂浆搅拌过程中产生大量气泡，成型后表面粗糙，内部及表面可以观察到大量孔洞。当掺入消泡剂后，搅拌时气泡数量显著减少，成型后表面相对光滑，并随着消泡剂掺量增加气泡数量递减。当消泡剂掺入为0.3%时，搅拌时气泡少，成型后表面光滑平整，气泡少。能满足用于石板楼盖加固的要求。

通过试验同时优化了可再分散乳胶粉、HPMC(羟丙基甲基纤维素)、UEA等外加剂的掺入量，确定最终配合比如表3所示。

表3 自流平砂浆配合比

3 自流平砂浆加固应用实例

3.1 试件设计及制作

为了验证自流平砂浆的性能是否符合石板楼盖要求，在进行石板楼盖加固抗弯试验中，将自流平砂浆用于3片石板楼盖的加固。试件设计参数如表4所示。试件尺寸及构造如图2所示，试件完成实物图如图3所示。

表4 试件参数表

图2 试件尺寸(单位：mm) 图3 试件实物图

3.2 试验结果及分析

通过观察石板楼盖加固过程中自流平砂浆的流动状态，分析自流平砂浆的流动性能及总结加固过程中可能会遇到的问题。通过观察加固后试件的外观、试件加载前后表面砂浆与石板之间的粘结情况，了解自流平砂浆与石材之间的粘结情况。

3.2.1 不同加固砂浆对石板楼盖承载力影响分析

经加固石板楼盖承载力及变形分析如表5所示。

表5 主要试验结果

由表5可知，试件LB-4和LB-2的加固位置相同，加固材料和施工方式不同，试件LB-4的砂浆强度低于试件LB-2。由分析结果表明：砂浆强度对加固试件开裂弯矩和极限弯矩影响不大。由表5也可发现，试件LB-4和试件LB-2的开裂弯矩和极限弯矩均有较大程度的提高。两者之间对开裂弯矩和极限弯矩的提高幅值分别相差0.09和3.72 kN·m，提高幅值相差不大。不考虑砂浆强度对承载力的影响，采用两种加固方式对石板楼盖受弯承载力的影响程度相当。

3.2.2 流动性能分析

试验加固过程中，为模拟实际施工工况，以板缝开孔的方式进行自流平砂浆浇筑，板缝设置两个浇筑孔和两个排气孔，开孔尺寸为40 mm×200 mm，自制简易浇筑漏斗进行浇筑，加固前试件如图4所示。自流平砂浆浇筑过程中不进行任何振捣，依靠自流平砂浆的流动性进行自主找平，浇筑完成经养护后的试件如图5所示。

图4 加固前试件图5 浇筑完成图

由图4、图5可知，试件表面光滑平整，砂浆密实，无蜂窝麻面现象，且试件表面无气泡及裂纹。

3.2.3 粘结性能分析

试件加载结束后，自流平砂浆的局部破坏形态如图6所示。

图6(a)为试件板顶局部破坏形态。板顶石材因顶部压应力过大而起皮、压碎，但板缝自流平砂浆与石板之间仍粘结良好。图6(b)为试件板底及板侧自流平砂浆破坏形态。试件板侧及板底自流平砂浆因受拉应力大于自流平砂浆的抗拉强度，因此开裂破坏。试件破坏后，自流平砂浆未与石板脱开，板侧及板底自流平砂浆与石材之间粘结良好，二者之间的协调工作性能良好。