在分析地下装配式建筑的接头形式和防水技术 现状的基础上,本文提出了应用环氧灌浆料对预制 装配式结构的接头进行灌封的方法,通过试验研究 环氧灌浆料本身及其黏接混凝土的力学性能,来验 证环氧灌浆料在预制装配式结构中的适用性。

(一)灌浆料选型研究

环氧灌浆料由注浆材料改性而来,注浆材料可 分为非化学浆和化学浆两大类,由于非化学浆如水 泥浆和黏土浆等黏接混凝土后的黏接强度较低,不 适合在本项目中应用;而如果采用改性水泥基材 料,则有必要进行前期试验,研究其是否适用于本 工程。

水泥基材料造价低廉,可以大大降低工程造价。 改性水泥浆主要存在如下缺点:①水泥浆液容易产 生离析,灌注过程中容易产生结块而堵塞管道;② 水泥浆液黏接混凝土的抗剪强度大概为混凝土抗剪 强度的 1/3,黏接抗剪强度不足;③水泥浆液黏接 混凝土的抗拉强度远小于混凝土的抗拉强度,黏接 抗拉强度不足。 所以,水泥浆液不适合应用在本工 程中。

化学注浆材料的主要类型和性能如表 1 所示, 由表 1 可知,水玻璃、丙烯酰胺类、脲醛树脂类、 木质素类、聚氨酯类注浆材料的单轴抗压强度均可 能小于 C50(50 MPa)混凝土的单轴抗压强度,因 此不宜在本项目中使用,丙烯酸酯盐类由于其比重 为 0.94 左右,黏度仅为水的 2/3,加入骨料后很容 易产生沉淀,不宜进行添加骨料的改性,所以也不 适合应用在本项目中,下面对环氧树脂类浆液进行 改良研究。

表 1  化学注浆材料的主要类型和性能一览表

本试验中的环氧树脂基液采用 JGN-G 型低温 灌注建筑结构胶。由于纯环氧树脂具有收缩大、 压缩弹性模量小、造价高等缺点,因此可通过添 加石英粉改良环氧树脂浆液的配方,并进行物理、 力学和可注性试验,以确定环氧树脂的最优配方。

通过大量的室内试验确定了在不同的浆料配比 情况下改性环氧树脂的物理、力学性能。 物理性能 指标主要包括:密度、黏度、固化时间、收缩性、 渗透性等;力学性能指标主要包括:抗压强度与弹 性模量、混凝土剪切强度、混凝土正拉黏结强度等。

(二)试验介绍

通过设计黏接抗剪试验和黏接抗拉试验,研 究环氧灌浆料本身及其黏接混凝土在不同石英粉掺 量和掺入不同粒径石英粉时的力学性能,试验采 用的基液为环氧树脂,掺入的石英粉粒径分别为 16.71 μm、18.49 μm、21 μm、26.26 μm、34.24 μm, 环氧树脂量与石英粉掺量的比值分别为 1:0、1:0.2、 1:0.3、1:0.4、1:0.5、1:0.6、1:0.8、1:1,试验温度 设置为 13~14℃。

黏接抗剪强度的测定如图 7 所示,试验加载采 用力控,加载速度为 0.2 kN/s;黏接抗拉强度的测 定采用两块 100 mm×100 mm×100 mm 的 C50 混 凝土试块黏接而成,试验加载采用位移控制,加载 速度为 2 mm/min(见图 8)。

图 7  黏接抗剪强度试件图

 

图 8  黏接抗拉强度试件图

 

同时为研究环氧灌浆料在预制装配式结构中的 适用性,我们以榫槽式接头为例,设计了榫槽式接 头足尺试验。足尺试验加载简图如图 9 所示,试验 对榫槽式接头进行了简化,试验试件由分别带有榫 和槽的两个长方体钢筋混凝土块组成,中间榫槽处 预留 5 mm 灌注环氧灌浆料。试验由千斤顶在试件 一端施加轴力用于模拟覆土荷载,榫槽处弯矩由与 榫槽等距离的两个大小相等的力来施加,试验加载 采用力控。

图 9 足尺试验加载简图

 

(三)试验结果及分析

不同石英粉掺量条件下环氧灌浆料本身的抗 压强度如图 10 所示。从图 10 可以看出,环氧灌浆料的抗压强度均能超过 C50 混凝土的抗压强 度(50 MPa),环氧树脂量与石英粉掺量的比值为 1:0.6~1:0.8 时,抗压强度增长缓慢,此时抗压强度 已接近最大值,石英粉掺量不同时,环氧灌浆料本 身弹性模量的试验结果如图 11 所示。

图 10 石英粉掺量对抗压强度的影响曲线

 

图 11 石英粉掺量对弹性模量的影响曲线

 

由图 11 可以看出,环氧灌浆料的弹性模量随 着石英粉添加量的增加先逐渐增加,后逐渐减小, 在 1: 0.5~1: 0.7 区间接近最大值。石英粉的弹性模 量比环氧树脂的弹性模量大很多,所以在加入石英 粉后,能够很好地提高环氧树脂的弹性模量。在加 入一定量的石英粉填料后,石英粉能与环氧树脂界 面很好地结合,从而抵制了环氧树脂裂纹的扩展, 超过这一范围,石英粉的作用变小 [6]。 石英粉掺 量不同时,环氧灌浆料黏接混凝土的抗剪强度如 图 12 所示。

从图 12 可知,当环氧树脂量与石英粉掺量的 比值小于 1:0.5 时,抗剪强度随着石英粉掺量的增 加而增大;当比值为 1∶0.5 时,抗剪强度达到最大 值 18 MPa,比纯环氧树脂(11.2 MPa)的抗剪强度 提高了 60.7 %;当比值大于 1∶0.5 时,抗剪强度逐 步下降。这是由于石英粉掺量较少时,石英粉颗粒 均匀地分布在环氧树脂的基体中,这时石英粉填料 有利于降低胶黏剂体系的收缩作用,从而降低胶黏 剂固化过程中的残余应力 [7],增加石英粉掺量会 使得环氧树脂的抗剪性能提高,但是在石英粉掺量 超过一定值时,石英粉填料产生的应力场由于相互 交叠作用会导致胶黏剂的黏接性能和抗剪性能下降 [8]。当石英粉粒径不同时,环氧灌浆料黏接混凝土 的抗剪强度如图 13 所示。

图 12 石英粉掺量对抗剪强度的影响曲线

 

从图 13 可知,随着石英粉粒径(D50)的增 大,环氧灌浆料粘接混凝土的抗剪强度先逐渐增大, 在石英粉粒径(D50)为 21 μm 时达到最大值 24 MPa,之后逐渐减小。这是因为当石英粉粒径(D50) 不超过 21 μm 时,在环氧灌浆料灌入试件后,随着石英粉粒径(D50)的增大,与混凝土接触的石英 粉总面积减小,这使得更多的环氧树脂可以渗入混 凝土内部,增大抗剪强度,同时环氧树脂本身与混 凝土接触面的增大也会增大抗剪强度。 当石英粉粒 径(D50)超过 21 μm 时,在环氧灌浆料固化过程中, 石英粉出现沉淀,使得部分环氧灌浆料与混凝土的 接触面失去抗剪强度,从而降低总的抗剪强度。 由 此得出石英粉的粒径(D50)应该在 18~25 μm 范 围内能起到较好的效果,石英粉掺量不同时,环氧 灌浆料黏接混凝土的抗拉强度如表 2 所示。

图 13  不同石英粉粒径的抗剪强度情况

 

表 2  抗拉强度   MPa

从表 2 数据可以看出,环氧灌浆料黏接混凝土 试件受拉时黏接面的抗拉强度远大于混凝土本身的 抗拉强度,试件的破坏起因于混凝土被拉坏;试件 抗拉强度的大小取决于混凝土抗拉强度的大小,与 石英粉掺量及粒径关系不大。

足尺试验试件普遍的破坏形态如图 14 所示, 由图 14 可以看出,足尺试验试件破坏不是沿着榫 槽破坏,而是沿着钢筋与混凝土的接触面,破坏时 榫头上的混凝土被剥离,说明环氧灌浆料用于黏接 榫槽式接头是安全的。

图 14  足尺试验破坏形态

 

为了得到试件在不同轴力下足尺试验的抗弯 承载力,制定了三个试件破坏依据:一为接缝一 侧张开量为 3 mm,此时对应的弯矩值为 M1 ;二 为裂缝稳定开展阶段末期,此时对应的弯矩值为 M2 ;三为榫槽处钢筋应力同时减小,此时对应的 弯矩值为 M3。三种情况下取弯矩最小值作为此轴 力下的抗弯承载力值,不同轴力下抗弯承载力结 果如表 3 所示。

表 3  不同轴力下抗弯承载力结果表