PS-F系列灌浆材料的强度特性

    李最雄 杨 涛 汪万福

    内容摘要：先用超声波无损检测、再用抗折试验和单轴无侧限抗压试验相结合的有损检测法，分别表征不同龄期的PS-F系列灌浆材料在逐步失水条件下的强度特征。随着充填于PS-F系列灌浆材料孔隙中液态水不断散失，固态骨粒间的PS无机胶粘剂的强度逐渐增长，因此，浆液结石体的超声波速值出现有规律的起伏，给出不同龄期的PS-F系列灌浆材料在初期强度小范围波动的条件下超声波速与失水率之间的关系，在失水率基本相同的条件下超声波速与强度之间的关系。另一方面，通过回归拟合的数学方法，试图建立不同龄期PS-F系列灌浆材料的抗折强度和单轴无侧限抗压强度之间的函数关系。

    关键词：PS-F；灌浆材料；超声波；强度；失水率

    中图分类号：K854.3文献标识码：A文章编号：1000-4106(2009)06-0026-04

    一引言

    以最佳模数和浓度的PS(Potassium Silicate硅酸钾)为主剂、以粉煤灰(F)为填充剂、以氟硅酸钠为固化剂而研制成的PS-F灌浆材料在砂砾岩石窟岩体裂隙灌浆加固中已有广泛的应用。在西藏空鼓病害壁画的灌浆加固研究中，为了增加灌浆材料与被加固主体在物质成分上的相似性，根据壁画地仗层制作工艺的不同，在PS-F灌浆材料的基础上再分别掺入占粉煤灰质量一定比例的阿嘎土(A)、巴嘎土(B)和白土(W)，由此配制成PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS-(F+W)一系列衍生灌浆材料。本文中所指的PS-F系列灌浆材料是包括PS-F、PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS-(F+W)在内的四种基于PS和F的灌浆材料。

    研究PS-F系列灌浆材料的性能，从粉煤灰的化学 成分、矿物成分和基本物理性质入手，在测定PS-F浆液结石体的主要物理性质后，联合使用超声波速、抗折强度和抗压强度等三重指标来研究龄期、固化温度、PS浓度、PS模数、水灰比、固化剂掺量和粉煤灰除碳等因素对PS-F浆液结石体强度的影响，并研究了PS-F浆液结石体的安定性、水软化特点、耐碱性、耐冻融性以及收缩变形性等特性。当制备PS-F灌浆材料所用粉煤灰的品质有了显著提高之后，PS-F灌浆材料的物理力学性能得到了改善。在研究PS-F系列灌浆材料性能的过程中，积累了大量的关于浆液结石体失水率、超声波速、抗折强度和单轴无侧限抗压强度等方面的宝贵数据。因此，如果能够在这些直接测定量之间建立可信的数学关系，PS-F系列灌浆材料的物理力学性能就可以用更少的参量来表示。这意味着今后再进行这方面的实验研究时，就可以减少需要直接测试的物理量，节省工作量。

    二PS-F系列灌浆材料的制备

    PS主剂的模数和浓度直接影响PS材料加固干旱区土建筑遗址的效果，PS-F系列灌浆材料的性能也明显受制于PS主剂的模数和浓度，按照一系列的筛选标准，适用于西藏空鼓病害壁画灌浆加固材料的PS主剂的最佳模数为3.80，最佳质量百分比浓度为10％①。实验中所用的PS主剂由甘肃省文物保护修复中心提供，根据溶质守恒定律，用高模低浓的PS(模数M=4.15、浓度C=21.82％)、低模高浓的PS(模数M=3.59、浓度C=34.83％)以及蒸馏水配得中等模数(3.59≤M≤4.15，取M=3.80)和任意浓度的PS主剂。

    粉煤灰由唐山陡河电厂供应，阿嘎土和巴嘎土由北京凯莱斯(CANNEX)建筑技术有限责任公司提供，白土产自西藏日喀则地区萨迦县附近。对粉煤灰、阿嘎土、巴嘎土和白土的物理化学性质已做过较为系统的研究，四种填充材料的质量较为稳定。PS-F灌浆材料中的填充剂全部是粉煤灰，PS-(F+A)灌浆材料中粉煤灰和阿嘎土的质量之比为4:1，PS-(F+B)灌浆材料中粉煤灰和巴嘎土的质量之比也是4:1，PS-(F+W)灌浆材料中的填充剂按粉煤灰和白土的质量比为3:2组成。

    固化剂的质量占PS-F系列浆液中PS水溶液质量的1.5％。

    由于实验中4种填充材料的液限值不同，在水灰比相同的条件下，四种PS-F系列浆液的和易性与流动度也会各异。在保证可灌性的前提下，PS-F系列浆液的水灰比取最小值时，浆液结石体的性能最佳。因此，确定实验中PS-F、PS-(F+A)和PSV(F+B)等三种浆液的最佳水灰比为0.55，PS-(F+W)浆液的水灰比取值为0.60。现场施工过程中，可以根据具体的实际情况，水灰比可以在设计值上下略有浮动。

    三PS-F系列灌浆材料的强度

    1.试验方法

    PS-F系列浆液在尺寸为40mm×40mm×160mm的铁模内浇筑成型后，将浆液连同试模一并转入相对密闭的恒湿箱，24小时后对浆液结石体脱模，然后再将成型后的PS-F系列浆液结石体置于恒湿箱内养护。

    根据PS-F系列浆液结石体在脱模后和测试前质量来计算失水率，称量精确至0.1g。

    采用超声脉冲法对PS-F系列灌浆材料进行无损检测，RSM-SY5声波仪由中国科学院武汉岩土力学研究所智能仪器研究室制造，仪器发射探头的频率为50kHz，接收探头的频率也为50kHz，采样间隔为1μs②。

    微机万能材料试验机由深圳瑞格尔(REGER)仪器有限公司制造，负荷传感器的量程为10kN，精度为0.01N，绝对位移传感器的量程为750mm，精度0.001mm。采用应变控制式并参考《水泥胶砂强度ISO检验方法》(GB/T 17671—1999)进行PS-F系列浆液结石体的抗折和单轴无侧限抗压强度试验，抗折试验时的位移速率为3.6 mm/s，抗压试验时的位移速率为7.2 mm/s。

    2.超声波速与失水率的关系

    超声波在20℃淡水中的传播速度约为1519.4 m/s，PS-F系列灌浆材料中的超声波速同时受浆液结石体失水率和强度的影响。为了减小PS-F系列浆液结石体强度的增长对超声波速的贡献，实验选取3天、5天和7天龄期PS-F系列浆液结石体的失水率(Pw)和超声波速(Vp)进行数据统计分析(图1)。因为当水灰比约0.55时，在相对封闭的养护条件下，PS-F系列浆液结石体在7天之内的含水率仍高达45％左右，而失水率却小于5％，浆液结石体的固化程度较低，因此灌浆材料的强度较低①。

    

    从图1可知，当PS-F系列浆液结石体的失水率较小时，灌浆材料的超声波速的分布较为集中，最小值为0.941 km/s，最大值为1.463 km/s。经分组统计分析，PS-F、PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS(F-w)四种灌浆材料的平均超声波速值分别为1.317、1.210、1.307和1.200 km/s，相互比较接近。

    3.超声波速与强度的关系

    分析超声波速与抗压强度之间的关系，先要排除PS-F系列灌浆材料孔隙中非饱和水分对超声波速的干扰，因此，选择28天龄期PS-F系列灌浆材料的波速值和单轴无侧限强度(RC)值进行分析(图2)。因为当PS-F系列浆液结石体的失水率大于30％的时候，结石体已接近最大失水率，基本处于自然干燥状态，浆液结石体彻底固化，其强度达到峰值(图3)。

    

    图2中，虽然PS-F系列灌浆材料的单轴无侧限抗压强度从1.053MPa增至2.090MPa，但PS-F系列浆液结石体的超声波速值仍较为集中，最小值为1.129km/s，极大值为1.472km/s，统计平均值为1.253km/s，与PS-F系列浆液结石体在低失水率时的超声波值较接近。这充分说明，PS-F系列灌浆材料的超声波指标与单轴无侧限抗压强度之间的一对一映射关系较差，测得某一灌浆材料的超声波速后，不能精准地求解出对应的抗压强度。

    

    4.抗折强度与抗压强度的关系

    PS-F系列灌浆材料的单轴无侧限抗压强度是在抗折强度的基础上进行的，假如能够凭借经验公式，根据抗折强度计算出抗压强度，那么就可以不用进行破坏性单轴无侧限抗压强度试验。选取28天龄期PS-F系列灌浆材料的抗折强度(Rf)和单轴无侧限抗压强度进行数据相关性分析(图4)。

    

    如图3所示，摒除个别极值后，回归拟合四种PS-F系列灌浆材料单轴无侧限抗压强度和抗折强度的关系，可得经验公式：

    Rc-2.546×(1-e-1.67535Rf)(1)

    式中，Rc为PS-F系列灌浆材料的单轴无侧限抗压强度，MP；Rf为PS-F系列灌浆材料的抗折强度，MPa。

    四结论

    PS-F系列浆液结石体在固化初期基本上处于饱水(Pw≤5)状态，超声波速约为1.26km/s。随着浆液结石体不断失水，在非饱和(5≤Pw≤30)状态下，PS-F系列灌浆材料的超声波速值有降低的趋势，但与此同时，浆液结石体的强度逐步增长，超声波速值又趋于上升，两者综合的结果是PS-F系列灌浆材料的超声波速值降低，通常小于1km/s。当浆液结石体基本干燥(30≤Pw)后，PS-F系列灌浆材料的强度迅速提高，超声波速达到1.25 km/s。

    PS-F系列灌浆材料的超声波速值可以清晰辨别浆液结石体是否处于近饱水状态或临于干燥状态，但无法根据超声波速指标确切估计PS-F系列浆液结石体的强度。

    根据经验公式可以由PS-F系列灌浆材料的抗折强度推算出单轴无侧限抗压强度，结果具有较高的可信度。