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        裝配式梁板節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料機(jī)理

        2022-01-14 09:50:04楊三強(qiáng)曹紫龍趙亞尊劉璐孫爽
        關(guān)鍵詞:膠砂水膠回歸方程

        楊三強(qiáng),曹紫龍,趙亞尊,劉璐,孫爽

        (1.河北大學(xué) 建筑工程學(xué)院,河北省土木工程監(jiān)測(cè)與性能評(píng)估技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 保定 071002;2.匯通路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,河北 高碑店 074000)

        隨著建筑工業(yè)的發(fā)展,裝配式混凝土結(jié)構(gòu)因其施工簡(jiǎn)便、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)在全世界被大力推行.裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接作為結(jié)構(gòu)中最重要的一個(gè)部位,也被國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者重點(diǎn)研究[1-2].然而復(fù)合改性砂漿材料在裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)連接處的使用過程中經(jīng)常會(huì)由于材料的損壞、粘結(jié)失效、收縮等問題造成節(jié)點(diǎn)連接處出現(xiàn)粘結(jié)滑移現(xiàn)象,從而影響橋梁結(jié)構(gòu)的整體性[3].由于復(fù)合改性砂漿材料能夠提高節(jié)點(diǎn)連接的力學(xué)性能從而增強(qiáng)其承載力,并且在灌漿過程中不能振搗,為了保證不同材料之間的界面固結(jié)效應(yīng)并且滿足裝配式橋梁結(jié)構(gòu)的快速施工要求[4],因此需要材料具有較高的流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度.提高復(fù)合改性砂漿材料的強(qiáng)度可以進(jìn)一步提高鋼筋與復(fù)合改性砂漿材料的咬合力,從而增強(qiáng)其固結(jié)性能[5].

        為了提高復(fù)合改性砂漿材料的性能,國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此做了大量的研究[6-11],但是現(xiàn)有的材料仍然流動(dòng)性差、強(qiáng)度發(fā)展慢,影響到使用壽命和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.因此,研究高性能的復(fù)合改性砂漿材料依然是現(xiàn)在所面臨的重要問題.目前河北雄安新區(qū)榮烏高速公路在修建過程中,部分裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)間復(fù)合改性砂漿材料出現(xiàn)了破損、脫落等病害.為保證類似高速公路修建進(jìn)程的正常進(jìn)行,本研究對(duì)復(fù)合改性砂漿材料進(jìn)行了材料機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究,設(shè)計(jì)正交試驗(yàn),運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)理論和多元回歸進(jìn)行性能評(píng)價(jià),為河北雄安新區(qū)榮烏高速的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)間復(fù)合改性砂漿材料的使用提供了重要的理論支撐和技術(shù)指導(dǎo).

        1 原材料與實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        1.1 原材料

        實(shí)驗(yàn)用原材料見表1.

        表1 實(shí)驗(yàn)原材料

        1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

        節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料對(duì)摻水量及拌合時(shí)間都有嚴(yán)格要求,摻水量及拌合時(shí)間達(dá)不到要求會(huì)使節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的和易性變差,導(dǎo)致強(qiáng)度達(dá)不到要求的理想狀態(tài)[12].因此,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前,首先根據(jù)計(jì)算數(shù)值判斷出所用的原材料和各因素的最大值、最小值.然后根據(jù)各因素的取值范圍選取合理的水平值.最后進(jìn)行正交試驗(yàn),再對(duì)其方案進(jìn)行流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn),得到最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案.

        1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        本試驗(yàn)選取正交試驗(yàn)極差分析法[13-14],對(duì)于極差分析法,Ki表示任一列水平號(hào)為i所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo),則ki=Ki/3(i=1,2,3).極差R=max{k1,k2,k3}-min{k1,k2,k3}.R越大,說明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大,越重要[15].選取水膠比(A)、膠砂比(B)、礦物摻和料摻量(C)、礦物摻和料組合(D)4個(gè)因素,每個(gè)因素取4個(gè)水平,研究其對(duì)水泥基節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響,并優(yōu)化選出最佳因素水平組合.選用正交表L20(44)進(jìn)行正交試驗(yàn).正交試驗(yàn)水平設(shè)置見表2,正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表3.

        表2 正交試驗(yàn)水平設(shè)置

        表3 正交試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        對(duì)試樣進(jìn)行測(cè)試時(shí),分別測(cè)試3組試樣的抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度,取其均值作為最終的抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)度,節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的正交試驗(yàn)結(jié)果見表4.

        表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

        2.1 節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料流動(dòng)度分析

        根據(jù)上述的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)流動(dòng)度進(jìn)行極差分析,結(jié)果見表5.

        表5 流動(dòng)度結(jié)果分析

        由圖1可知,水膠比從0.2增大到0.35,初始流動(dòng)度增大了25.99 cm,30 min流動(dòng)度增大了20.3 cm,當(dāng)水膠比為0.35時(shí),其流動(dòng)度的損失最大為3.32 cm.這是因?yàn)樵谀z凝材料質(zhì)量不變的情況下,隨著水的增加,節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的稀釋程度越來越高,但水膠比過大,會(huì)使節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料出現(xiàn)泌水現(xiàn)象,使節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的流動(dòng)度損失逐漸增大;在礦物摻和料摻量中,隨著摻量的增加,0 min流動(dòng)度先增加了8.6%,后減小了30%,這說明少量的礦物摻和料可以增大流動(dòng)性,而過量的礦物摻和料會(huì)吸附大量的水分導(dǎo)致流動(dòng)性的減少.當(dāng)?shù)V物摻和料摻量為k2水平時(shí),流動(dòng)度損失值為3.39 cm達(dá)到最大.從流動(dòng)性因素極差分析可以選出初始和30 min流動(dòng)性的最佳組合為A4B4C2D4.

        a.0 min;b.30 min.圖1 節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料極差影響因素Fig.1 Influence factors of poor fluidity of assembled grout material

        2.2 節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料抗壓強(qiáng)度分析

        根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料抗壓強(qiáng)度進(jìn)行極差分析,結(jié)果見表6所示.

        表6 抗壓強(qiáng)度

        由圖2可知,隨著水膠比的增加,1d抗壓強(qiáng)度也在逐漸增加,3d和28d抗壓強(qiáng)度隨著水膠比的增加明顯先增大后減小.當(dāng)水膠比為0.3時(shí),3d和28d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值分別為44.39MPa和63.28MPa,這是因?yàn)檫m量的水膠比,使水化反應(yīng)逐漸增加,抗壓強(qiáng)度逐漸升高,但是過量的水膠比使拌和物中骨料出現(xiàn)沉降,從而造成離析現(xiàn)象,使得強(qiáng)度降低;在礦物摻和料組合中,當(dāng)粉煤灰和硅灰混摻且比例相同時(shí),其3d和28d抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值,分別為51.23MPa和59.85MPa.從表6中看出,當(dāng)比例不同時(shí),其3d和28d抗壓強(qiáng)度明顯降低.這說明當(dāng)摻量k2水平、組合為k4水平時(shí),2種外摻料相互作用最為劇烈,當(dāng)摻量超過k2水平時(shí),抗壓強(qiáng)度開始減小.由此可以說明單個(gè)摻量的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于混合摻量的抗壓強(qiáng)度,其最少相差13%.因此從抗壓強(qiáng)度中可以得出其最佳因素組合為A3B2C2D4.

        a.1 d;b.3 d;c.28 d.圖2 節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料抗壓強(qiáng)度極差影響因素Fig.2 Influence factors of extremely poor compressive strength of grout

        綜上所述,以3 d時(shí)的強(qiáng)度為主要因素,流動(dòng)性為參考指標(biāo),得出水膠比、膠砂比、礦物摻和料摻量、礦物摻和料組合的最佳因素組合為A3B2C2D4.

        2.3 灰色關(guān)聯(lián)理論分析

        灰色系統(tǒng)理論[16-17]主要通過有限數(shù)據(jù)尋找未知系統(tǒng)聯(lián)系,作為一種多屬性決策工具[18],可在不完全的數(shù)據(jù)中對(duì)各因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,尋找隨機(jī)因素序列的關(guān)聯(lián)性,找到對(duì)結(jié)果的主要影響因素.數(shù)據(jù)處理后結(jié)果見表7.

        表7 均值化處理各因素與各性能的灰色關(guān)聯(lián)度

        由表7可知,水膠比對(duì)流動(dòng)度和強(qiáng)度的相關(guān)性均最高,說明對(duì)于節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料而言,改變水膠比能極大地改變流動(dòng)性和強(qiáng)度;膠砂比對(duì)流動(dòng)性和強(qiáng)度的相關(guān)性僅次于水膠比;礦物摻和料摻量對(duì)流動(dòng)性和強(qiáng)度的相關(guān)性最低.因此,根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)理論可知各因素對(duì)節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的影響性能強(qiáng)弱排序?yàn)椋核z比>膠砂比>礦物摻和料摻量.

        就流動(dòng)性而言,水膠比的損失量為0.09%,膠砂比的損失量為4.3%,礦物摻和料摻量的損失量為4.5%,根據(jù)損失量數(shù)據(jù)可以看出,水膠比的損失量最小,而礦物摻和料摻量和膠砂比的損失量相差不大.由此可以說明,各因素對(duì)復(fù)合改性砂漿材料的損失量越小,其影響性能越高,所以在復(fù)合改性砂漿材料配制實(shí)驗(yàn)時(shí),應(yīng)首先注意水膠比對(duì)節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的影響.

        2.4 多元線性回歸分析

        由上述的極差分析和灰關(guān)聯(lián)分析可知,水膠比和膠砂比是對(duì)節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料影響較大的因素,為了更好地研究2因素對(duì)流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì),采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)(SPSS)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸分析[19-21],其流動(dòng)度顯著水平見表8,抗壓強(qiáng)度顯著水平見表9.

        表8 流動(dòng)度顯著水平

        由表8可知,水膠比和膠砂比在流動(dòng)度中顯著性差值均較低,但初始流動(dòng)度的顯著性差值比30 min流動(dòng)度增大19.1%,這說明節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料隨時(shí)間的增加顯著性在減少,可靠度在逐漸增加.根據(jù)回歸模型Y=a+bx1+cx2,可得節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的流動(dòng)性線性方程,其中Y為流動(dòng)度,x1為水膠比,x2為膠砂比,a、b、c為回歸系數(shù),從而得出初始流動(dòng)度的線性回歸方程Y1=-4.182+6.748x1+1.883x2,30 min流動(dòng)度的線性回歸方程Y=-4.712+6.067x1+1.804x2.根據(jù)多元回歸線性方程可以看出流動(dòng)性與水膠比和膠砂比呈正相關(guān).流動(dòng)度回歸分析的相關(guān)系數(shù)分別為0.899和0.909,說明流動(dòng)度與2個(gè)變量之間有很大的相關(guān)性,擬合度高,擬合效果好[22].

        表9 抗壓強(qiáng)度顯著水平

        由表9可知,水膠比和膠砂比在抗壓強(qiáng)度中顯著性差值均較高.但相比之下,28 d抗壓強(qiáng)度的顯著性差值最大,3 d抗壓強(qiáng)度的顯著性最小.隨著齡期的增加顯著性差值呈現(xiàn)出先減少后增加的趨勢(shì),說明在3 d抗壓強(qiáng)度時(shí)可靠度最高.根據(jù)回歸模型可以得出節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料抗壓強(qiáng)度的線性回歸方程.1 d抗壓強(qiáng)度線性回歸方程為Z1=5.217+6.36x1+0.672x2,3 d抗壓強(qiáng)度線性回歸方程為Z2=11.654+7.47x1+1.969x2,28 d抗壓強(qiáng)度回歸方程為Z3=13.165+13.756x1+0.406x2,Z為抗壓強(qiáng)度,根據(jù)多元回歸線性方程可以看出抗壓強(qiáng)度與水膠比和膠砂比呈正相關(guān).抗壓強(qiáng)度線性回歸的相關(guān)系數(shù)分別為0.960、0.986和0.848,說明抗壓強(qiáng)度與2個(gè)變量之間有很大的相關(guān)性,擬合度高,擬合效果好.

        3 結(jié)論

        本文采用正交試驗(yàn)、灰關(guān)聯(lián)理論和多元回歸分析方法,以節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的流動(dòng)度以及抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)依據(jù),研究了水膠比、膠砂比、礦物摻和料摻量、礦物摻和料組合對(duì)節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料性能的影響,得出以下結(jié)論:

        1)以3 d抗壓強(qiáng)度為主要指標(biāo),1 d、28 d抗壓強(qiáng)度和流動(dòng)性為參考依據(jù),可以得出裝配式混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的最佳因素組合為A3B2C2D4,水膠比為0.30~0.35,膠砂比為1.20~1.30,礦物摻和料摻量粉煤灰和硅灰質(zhì)量比為0.20~0.30.

        2)由正交試驗(yàn)可以看出,隨著水膠比的增大,流動(dòng)性也逐漸增大,當(dāng)水膠比為0.20的時(shí)候,其流動(dòng)度增加了35.4%;當(dāng)其水膠比為0.30的時(shí)候,抗折和抗壓強(qiáng)度最高,抗折強(qiáng)度為10.84 MPa,抗壓強(qiáng)度為44.39 MPa.

        3)水膠比對(duì)節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的流動(dòng)性和強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度均高于其他因素,因此,應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮水膠比對(duì)節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的影響,以期快速得到節(jié)點(diǎn)復(fù)合改性砂漿材料的最佳配合比.

        4)通過多元線性回歸分析得出了水膠比和膠砂比分別與流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度的線性回歸模型,在流動(dòng)度中影響較大的是30 min流動(dòng)度,其線性回歸方程為Y=-4.712+6.067x1+1.804x2;在抗壓強(qiáng)度中影響較大的為3 d抗壓強(qiáng)度,其線性回歸方程為Z=11.654+7.47x1+1.969x2.

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