新型加固材料在建筑混凝土樓板粘接加固工程中的應(yīng)用

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，并評價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)變曲線來看，磷酸鎂混凝土彈性模量與強度略有弱化，脆性破壞特征更明顯，且磷酸鎂混凝土的強度隨著陶粒與陶砂摻量的增加而增強。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：TU472.4；TQ437+.1????? 文獻標志碼：A????????? 文章編號：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

當下國內(nèi)城市化進程不斷發(fā)展，既有建筑面積高達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)量等問題，導(dǎo)致樓板承載力無法滿足使用荷載要求，需進行樓板加固改造處理，國內(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)者針對建筑加固技術(shù)及加固材料開展了大量研究。

從加固位置來看，目前常見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電設(shè)備，對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，通過在樓板頂部澆筑硅酸鹽水泥混凝土增大樓板截面面積進而提升樓板承載力，但這一方法存在周期長、養(yǎng)護難、粘接差、自重大等不足[8-9]。

磷酸鎂水泥具有快硬早強、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，通過一系列強度測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、強度不足等特點，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，并評價了改良磷酸鎂混凝土加固混凝土板的效果。

1 試驗方案設(shè)計

1.1 原材料

本次研究所用磷酸鎂水泥由重燒氧化鎂與磷酸二氫鉀組成，其中重燒氧化鎂純度90%以上，細度200目；磷酸二氫鉀純度95%以上，粉磨后過200目篩。根據(jù)現(xiàn)有磷酸鎂水泥改性研究成果：針對磷酸鎂水泥凝結(jié)過快的不足，采用偏高嶺土取代30%氧化鎂[51，52]，試驗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。同時為減輕磷酸鎂水泥混凝土自重并增強其流動性，在磷酸鎂水泥中摻加了粉煤灰，試驗所用粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰。粗骨料采用陶粒與細石，粒徑按小于10 mm控制；細骨料采用陶砂與河砂，粒徑按小于2 mm控制。

1.2? 磷酸鎂混凝土強度試驗

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、粉煤灰等對磷酸鎂水泥進行改性，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，測試其7、28 d齡期的單軸抗壓強度，記錄加載過程中試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線與形貌變化，分析其強度指標。同時測試了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

為評價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，開展加固樓板受彎承載力試驗。預(yù)制樓板尺寸為長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。試驗裝置示意圖如圖1所示。

2 強度試驗成果分析

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，當荷載接近峰值荷載時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線進入下降段，荷載迅速掉落，下降段較短，分析原因為試驗所用粗骨料采用的細石偏軟，導(dǎo)致混凝土彈性模量偏小，試件變形主要為彈性變形，變形超過峰值后因剛度不足使得下降段無法測出。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)變增大；C40、LC1、LC2、LC3混凝土的峰值應(yīng)力分別為36.31、27.76、29.97、35.32 MPa，說明磷酸鎂混凝土的強度低于 C40，且摻加陶粒與陶砂后，磷酸鎂混凝土的強度逐漸提升，分析原因為磷酸鎂水泥的強度較低，與陶粒、陶砂的協(xié)同變形能力更強，這與上節(jié)所述磷酸鎂混凝土破壞面特征相對應(yīng)。

3 加固樓板試驗成果分析

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中，5種樓板破壞規(guī)律相似：試驗初期荷載均勻增長，樓板產(chǎn)生裂縫后進入試驗中期，裂縫持續(xù)開展到破壞后進入試驗?zāi)┢?，荷載迅速掉落樓板破壞；加固樓板破壞時，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

本次試驗以樓板出現(xiàn)初裂縫時的上一級荷載為開裂荷載，以裂縫寬度超過0.2 mm或撓度超過1/200跨度時的上一級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1/50跨度時的上一級荷載為極限荷載，根據(jù)試驗結(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，說明 C40加固樓板的剛度較磷酸鎂混凝土更佳，分析原因為磷酸鎂混凝土彈性模量遠小于 C40，使得截面撓度更大，導(dǎo)致板底混凝土的開裂荷載更小。

4 結(jié)語

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，對磷酸鎂混凝土開展單軸抗壓強度試驗與磷酸鎂混凝土加固樓板受彎承載力試驗，評價磷酸鎂混凝土加固混凝土板的效果。試驗結(jié)果表明。

（1）從試件單軸受壓破壞形態(tài)來看，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，其強度逐漸提升，分析原因為磷酸鎂水泥的強度較低，與陶粒、陶砂的協(xié)同變形能力更強，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)的承載力負擔；

（4）磷酸鎂混凝土可用于加固樓板，骨料采用陶砂、陶粒時自重更輕、性能更佳。

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