張馨予 李超 林錦眉 吳宇靜
摘要:為探討將磷酸鎂水泥直接用于樓板加固的技術(shù)可行性,研究了不同骨料的磷酸鎂混凝土的物理力學(xué)性能,并評(píng)價(jià)了其加固混凝土板的效果。結(jié)果表明,從試件單軸受壓破壞形態(tài)來(lái)看,磷酸鎂混凝土(LC1~LC3)的破壞形態(tài)更松散,呈現(xiàn)為中部錐形破壞特征,破壞面特征與骨料類型有關(guān),碎石骨料表現(xiàn)為水泥與碎石之間的粘接破壞,陶粒骨料表現(xiàn)為陶粒的剪切破壞。從試件單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線來(lái)看,磷酸鎂混凝土彈性模量與強(qiáng)度略有弱化,脆性破壞特征更明顯,且磷酸鎂混凝土的強(qiáng)度隨著陶粒與陶砂摻量的增加而增強(qiáng)。磷酸鎂混凝土加固樓板的正常使用荷載提升了1.66~1.71倍,剛度較C40加固板略有不足;但變形性能更優(yōu)異、自重更輕。關(guān)鍵詞:樓板加固;磷酸鎂混凝土;改性;輕骨料
中圖分類號(hào):TU472.4;TQ437+.1????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A????????? 文章編號(hào):1001-5922(2023)03-0065-04
Application of new reinforcing materials in concrete floor reinforcement project of existing buildings
ZHANG Xinyu,LI Chao,LIN Jinmei,WU Yujing
(Guangzhou Huali University,Guangzhou 511325,China)
Abstract:In order to explore the technical feasibility of using magnesium phosphate cement directly for slab rein- forcement,the physical and mechanical properties of magnesium phosphate concrete with different aggregates were studied,and the effect of reinforced concrete slabs was evaluated. The test results showed thatfrom the uniaxial com- pression failure mode of the specimen,the failure mode of magnesium phosphate concrete(LC1~LC3)wasmore loose,showing the middle cone failure characteristics,and the failure surface characteristics were related to the ag- gregate type. The crushed stone aggregate showed the bond failure between cement and crushed stone,and the ce- ramsite aggregate showed the shear failure of ceramsite.From the uniaxial compressive stress-strain curve of the specimens,the elastic modulus and strength of magnesium phosphate concrete were slightly weakened,and the brit- tle failure characteristics were more obvious,and the strength of magnesium phosphate concrete increased with the increase of ceramic particles and ceramic sand.The normal service load of magnesium phosphate concrete rein-forced floor slab was increased by 1.66~1.71 times,and the stiffness was slightly less than that of C40 reinforced slab,but the deformation performance was better and the self-weight was lighter.
Keywords:floor reinforcement;magnesium phosphate concrete;modification;lightweight aggregate
當(dāng)下國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程不斷發(fā)展,既有建筑面積高達(dá)400億 m2[1]。其中有大量的建筑因建設(shè)年限、使用功能、建設(shè)質(zhì)量等問(wèn)題,導(dǎo)致樓板承載力無(wú)法滿足使用荷載要求,需進(jìn)行樓板加固改造處理,國(guó)內(nèi)的建筑服務(wù)業(yè)也由建設(shè)為主的階段逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榻ㄔO(shè)與加固改造共存的階段[2-3]。因此許多學(xué)者針對(duì)建筑加固技術(shù)及加固材料開(kāi)展了大量研究。
從加固位置來(lái)看,目前常見(jiàn)的混凝土樓板加固技術(shù)可以分為板底加固、板頂加固2大類[4]。其中板底加固技術(shù)的施工方法較多,包括粘鋼法、粘碳纖維布法、增大截面法等[5-6],但這一技術(shù)的工作面在非加固層,且要求工作面清除所有機(jī)電設(shè)備,對(duì)非加固層的影響較大,在住宅等建筑中難以推廣使用[8]。板頂加固技術(shù)的施工方法主要有增大截面法,通過(guò)在樓板頂部澆筑硅酸鹽水泥混凝土增大樓板截面面積進(jìn)而提升樓板承載力,但這一方法存在周期長(zhǎng)、養(yǎng)護(hù)難、粘接差、自重大等不足[8-9]。
磷酸鎂水泥具有快硬早強(qiáng)、與混凝土結(jié)構(gòu)粘接好等特性,廣泛應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)快速修復(fù)與加固領(lǐng)域。采用磷酸鎂水泥作為玄武巖纖維加固混凝土梁柱的粘結(jié)劑,通過(guò)一系列強(qiáng)度測(cè)試獲得磷酸鎂水泥粘結(jié)劑的最優(yōu)配比,研究發(fā)現(xiàn)加固梁柱的強(qiáng)度大幅提升[10]。采用磷酸鎂水泥粘接砌體磚、斷裂混凝土等,研究指出磷酸鎂水泥表現(xiàn)出優(yōu)異的粘接性能,粘接試樣的抗彎能力、抗剪強(qiáng)度、剛度等均有顯著提高[11-12]。研究了一種織物網(wǎng)硫酸鎂水泥混凝土板,用以加固混凝土梁,研究發(fā)現(xiàn)加固梁的承載能力與剛度均明顯提升[13]。研究了高溫下硫酸鎂水泥粘接劑的粘接性能,結(jié)果表明高溫下硫酸鎂水泥粘接強(qiáng)度較EP粘結(jié)劑更為穩(wěn)定[14]。
因磷酸鎂水泥還具有凝結(jié)迅速、強(qiáng)度不足等特點(diǎn),現(xiàn)有磷酸鎂水泥加固樓板的研究方向是將其作為粘結(jié)劑。為探討將其直接用于結(jié)構(gòu)加固的技術(shù)可行性,基于現(xiàn)有磷酸鎂水泥改性研究成果,研究了不同骨料的改良磷酸鎂混凝土的物理力學(xué)性能,并評(píng)價(jià)了改良磷酸鎂混凝土加固混凝土板的效果。
1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)
1.1 原材料
本次研究所用磷酸鎂水泥由重?zé)趸V與磷酸二氫鉀組成,其中重?zé)趸V純度90%以上,細(xì)度200目;磷酸二氫鉀純度95%以上,粉磨后過(guò)200目篩。根據(jù)現(xiàn)有磷酸鎂水泥改性研究成果:針對(duì)磷酸鎂水泥凝結(jié)過(guò)快的不足,采用偏高嶺土取代30%氧化鎂[51,52],試驗(yàn)所用偏高嶺土主要成分包括49%SiO2 與44%Al2O3,粒徑按1μm控制,采用硼砂(NB)、芒硝(NS)、鈣硝石(CN)按 NB∶NS∶CN=1.5∶7∶1.5的配比配制復(fù)合緩凝劑。同時(shí)為減輕磷酸鎂水泥混凝土自重并增強(qiáng)其流動(dòng)性,在磷酸鎂水泥中摻加了粉煤灰,試驗(yàn)所用粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰。粗骨料采用陶粒與細(xì)石,粒徑按小于10 mm控制;細(xì)骨料采用陶砂與河砂,粒徑按小于2 mm控制。
1.2? 磷酸鎂混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)
本次研究基于現(xiàn)有磷酸鎂水泥改性研究成果,采用偏高嶺土、緩凝劑、粉煤灰等對(duì)磷酸鎂水泥進(jìn)行改性,具體如表1所示;為減輕混凝土自重,在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究輕骨料磷酸鎂混凝土的物理力學(xué)性能,其配比具體如表2所示。澆筑成150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試件,測(cè)試其7、28 d齡期的單軸抗壓強(qiáng)度,記錄加載過(guò)程中試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線與形貌變化,分析其強(qiáng)度指標(biāo)。同時(shí)測(cè)試了4種混凝土試件的質(zhì)量。
1.3? 磷酸鎂混凝土加固樓板受彎承載力試驗(yàn)
為評(píng)價(jià)磷酸鎂混凝土的樓板加固效果,采用表2中的4種混凝土加固預(yù)制樓板,樓板加固方案如表3所示,開(kāi)展加固樓板受彎承載力試驗(yàn)。預(yù)制樓板尺寸為長(zhǎng)2.5 m,寬0.5 m,厚0.11 m,配筋率0.8%,加固混凝土厚度為60 mm。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。
2 強(qiáng)度試驗(yàn)成果分析
2.1 混凝土試件表觀密度
各混凝土試件的表觀密度如圖2所示。
從圖2可以看出,C40、LC1、LC2、LC3混凝土的密度分別為2440、2010、1740、1630 kg/m3,LC1、 LC2、LC3的密度分別為C40的82%、71%、67%,磷酸鎂混凝土的密度顯著低于碳酸鹽混凝土,說(shuō)明磷酸鎂水泥與輕骨料均有助于減輕混凝土自重。
2.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線
各混凝土試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。
從圖3可以看出,4種混凝土的應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段的應(yīng)變隨著荷載的增加而緩慢穩(wěn)定增長(zhǎng),當(dāng)荷載接近峰值荷載時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入下降段,荷載迅速掉落,下降段較短,分析原因?yàn)樵囼?yàn)所用粗骨料采用的細(xì)石偏軟,導(dǎo)致混凝土彈性模量偏小,試件變形主要為彈性變形,變形超過(guò)峰值后因剛度不足使得下降段無(wú)法測(cè)出。磷酸鎂混凝土(LC1~LC3)的上升段斜率較C40平緩,下降段較C40更陡峭,說(shuō)明磷酸鎂混凝土彈性模量更低,脆性破壞特征更明顯。
各試件的峰值應(yīng)變與峰值應(yīng)力如圖4所示。峰值應(yīng)變由大到小排序依次為C40、LC1、LC2、LC3、LC1、 LC2、LC3的峰值應(yīng)變分別為C40的1.4、1.8、1.9倍,這與磷酸鎂混凝土彈性模量與強(qiáng)度較低有關(guān),磷酸鎂混凝土中,由于陶粒與陶砂的彈性模量低、易變形,摻加陶粒與陶砂使其峰值應(yīng)變?cè)龃螅籆40、LC1、LC2、LC3混凝土的峰值應(yīng)力分別為36.31、27.76、29.97、35.32 MPa,說(shuō)明磷酸鎂混凝土的強(qiáng)度低于 C40,且摻加陶粒與陶砂后,磷酸鎂混凝土的強(qiáng)度逐漸提升,分析原因?yàn)榱姿徭V水泥的強(qiáng)度較低,與陶粒、陶砂的協(xié)同變形能力更強(qiáng),這與上節(jié)所述磷酸鎂混凝土破壞面特征相對(duì)應(yīng)。
3 加固樓板試驗(yàn)成果分析
3.1 樓板破壞特征
5種樓板的最終破壞形態(tài)如圖5所示。樓板受彎承載力試驗(yàn)中,5種樓板破壞規(guī)律相似:試驗(yàn)初期荷載均勻增長(zhǎng),樓板產(chǎn)生裂縫后進(jìn)入試驗(yàn)中期,裂縫持續(xù)開(kāi)展到破壞后進(jìn)入試驗(yàn)?zāi)┢?,荷載迅速掉落樓板破壞;加固樓板破壞時(shí),加固層均未出現(xiàn)分層現(xiàn)象,且為適筋延性破壞。與C40加固樓板相比,磷酸鎂混凝土加固樓板的裂縫數(shù)量多但裂縫發(fā)展慢且均勻,表現(xiàn)出了優(yōu)于C40加固板的變形性能。
3.2 特征荷載
本次試驗(yàn)以樓板出現(xiàn)初裂縫時(shí)的上一級(jí)荷載為開(kāi)裂荷載,以裂縫寬度超過(guò)0.2 mm或撓度超過(guò)1/200跨度時(shí)的上一級(jí)荷載為正常使用荷載,以受拉鋼筋拉壞、受壓混凝土壓碎或撓度超過(guò)1/50跨度時(shí)的上一級(jí)荷載為極限荷載,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制加固樓板荷載圖如圖6所示。
從圖6可以看出,B1、B2、B3、B4的正常使用荷載提高比例分別為2.17、1.67、1.71、1.66,說(shuō)明 C40混凝土與磷酸鎂混凝土均可以有效提高樓板的承載力。正常使用荷載提高比例由大到小排序依次為 B1、 B3、B2、B4,說(shuō)明 C40加固樓板的剛度較磷酸鎂混凝土更佳,分析原因?yàn)榱姿徭V混凝土彈性模量遠(yuǎn)小于 C40,使得截面撓度更大,導(dǎo)致板底混凝土的開(kāi)裂荷載更小。
4 結(jié)語(yǔ)
基于現(xiàn)有磷酸鎂水泥改性研究成果,將磷酸鎂混凝土直接用于樓板加固,對(duì)磷酸鎂混凝土開(kāi)展單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與磷酸鎂混凝土加固樓板受彎承載力試驗(yàn),評(píng)價(jià)磷酸鎂混凝土加固混凝土板的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明。
(1)從試件單軸受壓破壞形態(tài)來(lái)看,磷酸鎂混凝土(LC1~3)的破壞形態(tài)更松散,呈現(xiàn)為中部錐形破壞特征,破壞面特征與骨料類型有關(guān):碎石骨料表現(xiàn)為水泥與碎石之間的粘接破壞,陶粒骨料表現(xiàn)為陶粒的剪切破壞;
(2)從試件單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)看,磷酸鎂混凝土(LC1~LC3)的上升段斜率較C40平緩,下降段較 C40更陡峭,說(shuō)明磷酸鎂混凝土彈性模量略有弱化,脆性破壞特征更明顯;將磷酸鎂混凝土中的骨料替換為陶粒與陶砂后,其強(qiáng)度逐漸提升,分析原因?yàn)榱姿徭V水泥的強(qiáng)度較低,與陶粒、陶砂的協(xié)同變形能力更強(qiáng),水泥與碎石之間的粘接破壞的應(yīng)力小于陶粒剪切破壞的應(yīng)力;
(3)不同混凝土加固板均可以有效提高樓板的承載力且受彎破壞規(guī)律相似,磷酸鎂混凝土加固板的正常使用荷載提升了1.66~1.71倍,與C40加固板相比,雖剛度略有不足但變形性能更為優(yōu)異,加載過(guò)程中的裂縫數(shù)量多但裂縫發(fā)展慢且均勻,且磷酸鎂混凝土的自重大幅降低,有助于減輕加固結(jié)構(gòu)的承載力負(fù)擔(dān);
(4)磷酸鎂混凝土可用于加固樓板,骨料采用陶砂、陶粒時(shí)自重更輕、性能更佳。
【參考文獻(xiàn)】
[1] 郁聰.建筑運(yùn)行能耗實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的挑戰(zhàn)與對(duì)策[J].中國(guó)能源,2021,43(9):25-31.
[2] 鄭磊,陳光沖,冉然.建筑業(yè)發(fā)展階段劃分[J].土木工程與管理學(xué)報(bào),2017,34(3):57-61.
[3] 牛偉蕊,王彬武.國(guó)內(nèi)外建筑業(yè)發(fā)展情況比較研究[J].建筑,2022(7):12-17.
[4] 郁聰.建筑運(yùn)行能耗實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的挑戰(zhàn)與對(duì)策[J].中國(guó)能源,2021,43(9):25-31.
[5] 龔永智,康爽,劉夢(mèng)婷,等.粘鋼加固及粘鋼板與CFRP復(fù)合加固損傷RC板抗彎試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2021,48(3):65-74.
[6] 張學(xué)義,廉杰.玄武巖纖維布加固預(yù)應(yīng)力混凝土樓板設(shè)計(jì)[J].工業(yè)建筑,2010,40(5):140-142.
[7] 張擁軍,尹保江,趙向麗,等.既有建筑鑒定加固中預(yù)制樓板問(wèn)題的探討[J].建筑結(jié)構(gòu),2016,46(S1):919-921.
[8] 常涌.既有房屋鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)研究[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā),2018,45(7):18-20.
[9] 魏東.混凝土結(jié)構(gòu)幾種常用加固方法的技術(shù)應(yīng)用研究[J].上海鐵道科技,2013(3):79-80.
[10] 李元.無(wú)機(jī)膠凝材料在加固混凝土結(jié)構(gòu)中的性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.
[11] 李悅,白偉亮. MPC粘接CFRP加固混凝土的抗折性能[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2018,44(2):259-267.
[12] 李悅,白偉亮,施同飛,等.用MPC粘結(jié)CFRP布約束混凝土柱軸壓試驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2017,43(3):467-472.
[13] 支正東,陳賀,荀勇,等. E玻纖織物增強(qiáng)磷酸鎂水泥基細(xì)骨料混凝土薄板加固RC梁抗彎試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2017,47(13):89-93.
[14] 李振國(guó),余四文,郭江濤,等.水熱環(huán)境下堿式硫酸鎂水泥強(qiáng)度變化機(jī)理[J].硅酸鹽通報(bào),2016,35(12):4140-4143.