钢丝网水泥砂浆加固用高性能复合砂浆的研究

钢丝网水泥砂浆加固用高性能复合砂浆的研究
葛序尧1，彭勃2，谢业明3
（1、湖南大学土木工程学院，长沙410082 2. 湖南固特邦土木技术发展有限公司长沙410205
3. 安徽省公路桥梁工程公司，合肥 230022 ）
摘要：本文针对《混凝土结构加固设计规范》GB50367－2006钢丝网水泥砂浆加固对砂浆性能的要求，对两种不同类型减水剂改性的聚合物砂浆性能进行了研究，得出聚羧酸盐高效减水剂与聚合物有较好的相容性，可以使砂浆含气量降低、减水效果有一定叠加性、保水性增加、抗折强度、抗压强度和粘结抗拉强度得到大幅度提高；然后根据规范要求选出较优配合比。

关键词：钢丝网；聚合物；水泥砂浆；减水剂；加固
0 引言
砌体结构被广泛应用于我国的工业和民用领域。

我国砌体结构较多，使用年限较长，有大量的砌体结构急需加固。

钢丝网水泥砂浆加固是砌体结构重要的加固方法之一，钢丝网水泥是一种由钢丝网增强的水泥复合砂浆。

钢丝网水泥属于无机复合胶凝材料，它有较高的抗拉强度、重量比和较好的韧性、延展性及耐久性，可以加工成任意形状，适用于各种轮廓外形的结构构件加固[1]。

已有的各种加固方法中的界面粘贴技术，国内外均采用以环氧树脂结构胶为主剂的有机结构胶，价格昂贵，相比之下砂浆作为无机胶凝材料，与基材间将有更好地相容性、协调性、相互渗透性，而且抗老化、耐火、耐久性更好，且价格相对便宜[2]；因此，钢丝网水泥砂浆加固越来越受到国内外加固行业的重视。

1 钢丝网水泥砂浆加固对砂浆性能的要求
国内外许多文献相继对钢丝网水泥砂浆抗震加固试验研究和理论分析进行了介绍。

对钢丝网水泥面层加固墙体，研究和实际应用多做得比较多的国家是前苏联，苏联塔什干乌兹别克力学与抗震结构研究院和苏联中央建筑结构科学院都对钢丝网水泥砂浆加固砖砌体做过深入的研究，并各自提出破坏时的极限水平荷载的计算公式，他们提出加固后墙体承载能力与砂浆的工作性、抗压强度、粘结强度、加固层面积、钢丝网强度及配筋率相关的结论[3]。

我国《砌体结构设计规范》GB50003－2001对砖砌体和钢筋砂浆面层的组合砖砌体构件的承载力设计中，对砂浆的强度及对应的取值、不同面层时钢筋的强度系数做了规定，并且砂浆的厚度和强度对承载力有直接的作用[4]。

因此，开发高强、高韧性、高粘结性、抗渗、耐腐的高性能新型复合砂浆具有很重要的意义[5]。

本文针对《混凝土结构加固设计规范》GB50367－2006钢丝网水泥砂浆加固对砂浆性能的要求，对两种不同类型减水剂改性的聚合物砂浆性能进行了研究，并从中选出较优的配合比。

为使研制的砂浆使用方便、质量稳定和较高工作效率，把砂浆制成干粉砂浆的形式，因此，本文研究中采用的聚合物和减水剂均
* 作者简介：葛序尧（1982－），男，在读硕士研究生。

采用粉剂。

2 高性能新型复合砂浆的研究
2.1 原材料
水泥：采用湖南韶峰水泥集团有限公司生产的韶峰牌P.O42.5水泥，实测密度3.06g/cm 3； 砂：普通河砂，过2.5mm 筛，细度模数Mx ＝2.2，表观密度2.618g/cm 3； 水：自来水；
高效减水剂：本试验萘系高效减水剂FDN （以下记作F ）采用四川柯帅外加剂有限公司生产的产品和聚羧酸盐高效减水剂（以下记作S ）采用进口产品，两种减水剂均采用粉剂；
聚合物：意大利VINAVIL ®品牌的聚合物 (以下记作A )，粉剂；
纤维：为防止钢丝网砂浆早期塑性的收缩裂纹，并提高其体积稳定性、韧性和耐久性，向砂浆中掺加一定量纤维，纤维采用美国希尔兄弟化工公司生产的杜拉纤维，长度为9mm ，密度0.91g/cm 3。

2.2 试验内容及方法
将砂、水泥、高效减水剂、聚合物干粉、纤维等除水以外的粉末材料加入搅拌锅内开始慢速搅拌30s ，以使纤维分散均匀，加水慢速搅拌5min 并调节砂浆流动度在(165±5)mm 范围内，并以此确定用水量；流动度按《水泥胶砂流动度测定方法》GB/T2419-2005的规定测定；然后按《聚合物改性水泥砂浆试验规程》DL/T5126－2001的规定测定新拌砂浆的含气量、成型粘结抗拉试件和抗折抗压试件（试件采用40mm×40mm×160mm 棱柱体），养护至28d 测定硬化砂浆的抗折强度、抗压强度和粘结抗拉强度。

砂浆保水性试验：
试验设备：快速定量滤纸直径150mm （杭州富阳特种纸厂新星牌）、试模（内径50mm ，高10mm ）、玻璃板（200mm ×200mm ）2块、刮刀、天平（精确到0.1g ）等。

试验步骤：称量两块玻璃板＋试模的质量M 0，滤纸的质量m ；将一张滤纸放到玻璃板上将试模放到滤纸上；将搅拌好的砂浆立刻装入试模中，用刮刀轻压，然后磨平，注意要填满，不可有气泡；盖上另一块玻璃板，然后小心翻转，使有滤纸的玻璃板在上面，记下此时的时间，然后放到天平上称取总质量M 1；放在水平的试验台上，从将砂浆装入试模到翻转玻璃整个操作过程应在一分钟内完成；一小时后取出滤纸，用天平秤出玻璃板＋试模＋砂浆的质量M 2。

在计算保水率时用到新拌砂浆的用水量和砂浆的总质量分别用M w 、M m 表示。

保水率计算：
1210()1()R w
m
M M m W M M M m M --=-
-- （1） 2.3 配合比和试验结果
采用灰砂质量比为1:2,为提高砂浆抗裂能力根据厂家推荐掺加占水泥质量0.15％杜拉纤维，所有砂浆的流动度控制在 (165±5)mm 范围内，并以此确定砂浆的用水量。

经试验确定高效减水剂最佳用量，F 为水泥用量的1.0％，S 为水泥用量的0.3%，聚合物掺量也是按水泥质量计算。

为了表示方便本文以下部分分别用A 表示单掺聚合物改性水泥砂浆，F-A 表示萘系高效减水剂和聚合物共同掺加改性水泥砂浆，S-A 表示聚羧酸盐高效减水剂和聚合物共同掺加改性水泥砂浆，其中A 00为对比砂浆。

砂浆的配合比和新拌砂浆的流动度、含气量、保水率和施工性能见表1。

表1 复合砂浆的配合比、流动度、含气量、保水率和施工性能
试样编号
减水剂掺量/%
聚灰比/%
W/C
流动度
/mm
含气量
/%
保水率 施工性能描述
A000 0 0.433 166 1.35 75.4 稍泌水A010 0.5 0.392 161 7.90 78.9 稍泌水A020 1.0 0.383 161 8.58 82.4 触变性一般A030 1.5 0.375 163 10.02 82.7 触变性好A040 2.0 0.350 162 11.01 82.8 触变性好A050 3.0 0.375 164 11.18 82.7 触变性好A060 5.0 0.367 168 9.93 82.9 触变性很好
F-A10 1 0 0.331 163 2.15 74.7 泌水，砂浆易分层F-A11 1 0.5 0.300 170 10.95 80.0 砂浆稍干硬
F-A12 1 1.0 0.300 166 13.18 81.0 砂浆稍干硬
F-A13 1 1.5 0.308 169 11.84 81.0 触变性一般
F-A14 1 2.0 0.308 160 9.81 80.0 触变性好
F-A15 1 3.0 0.333 168 5.79 82.3 触变性好
F-A16 1 5.0 0.350 170 5.25 79.5 触变性好
S-A200.3 0 0.300 170 1.02 76.9 泌水，砂浆易分层S-A210.3 0.5 0.300 164 6.06 83.7 砂浆稍干硬
S-A220.3 1.0 0.291 165 6.23 83.5 触变性一般
S-A230.3 1.5 0.291 164 5.75 83.0 触变性好
S-A240.3 2.0 0.291 165 5.25 84.1 触变性好
S-A250.3 3.0 0.291 170 4.18 84.1 触变性好
S-A260.3 5.0 0.291 170 4.91 86.5 触变性好
2.4 试验结果分析
2.4.1高效减水剂对新拌砂浆含气量与的影响
图1为高效减水剂对新拌砂浆含气量的影响，从图中可以看出，单掺或不掺减水剂的砂浆含气量很小，此时A00、F-A10和S-A20的含气量仅为1.35%、2.15%、1.02%；当聚合物仅掺0.5%时，砂浆A01、F-A11和S-A21含气量剧增到7.90%、10.95%、6.06%；在聚灰比0～5%范围内，随聚灰比增大含气量呈先增大后减小的趋势；A、F-A和S-A砂浆含气量极大值的大小顺序为F-A>A>S-A，其中S-A的含气量随聚灰比变化始终最小。

可见S与聚合物的适应性比F好。

图1 高效减水剂对新拌砂浆含气量的影响图2 高效减水剂对新拌砂浆保水率的影响
2.4.2 高效减水剂对砂浆保水率和水灰比的影响
图2给出了高效减水剂对新拌砂浆保水率的影响，从图中可以看出，当掺加0.5％聚合物时，保水率有较大地提高，继续增加聚合物的掺量其保水性变化平缓；另外，与A的保
水性相比，S-A可以提高保水性，而F-A却使保水性变差。

图3显示了高效减水剂对水灰比的影响，从图中可以看出，当仅掺减水剂时，两种减水剂都有很好的减水效果，F和S的减水率分别为23.6%和30.7%；聚合物也有一定的减水作用，比如掺加0.5%聚合物时减水率为9.5%，并且随聚灰比的增加减水率可以进一步提高；减水剂和聚合物共掺，随聚灰比的增大S-A的减水效果增加，并且减水率维持在一个很高的水平，而F-A的减水效果随聚灰比的增加减水效果变差。

可见S与聚合物的适应性比F 好。

由于F-A和S-A的水灰比较低，砂浆在聚合物掺量较小时较干硬，增加聚合物掺量可改善砂浆的施工性能。

图3 高效减水剂对水灰比的影响图4 高效减水剂对砂浆抗折强度的影响
图5 高效减水剂对砂浆抗压强度的影响图6 高效减水剂对粘结抗拉强度的影响
2.4.3 高效减水剂对砂浆力学性能的影响
图4为高效减水剂对砂浆抗折强度的影响，从图中可以看出，仅掺减水剂可使砂浆抗折强度提高，但聚合物的掺入可使S-A、F-A与Ａ在相同聚灰比时砂浆抗折强度的差值比未掺聚合物的砂浆抗折强度的差值增大，其中S-A的增加幅度较大；随聚灰比变化S-A的抗折强度始终远高于A和F-A的抗折强度，并且在聚灰比为1.5％时抗折强度最高，此时它比A 提高了65.7%，而F-A比A只提高了19.1%；F-A的抗折强度与A相比也有一定程度提高，只是提高幅度较小。

图5为高效减水剂对砂浆抗压强度的影响，从图中可以看出，A、F-A和S-A的抗压强度都随聚灰比的增加逐渐降低；F-A和S-A的抗压强度与A相比都有很大幅度的提高，S-A 效果更好，并且抗压强度始终高于F-A的抗压强度，比如当聚灰比为1.5%时，S-A的抗压强度比A的抗压强度提高了58.9％，而F-A的抗压强度只提高了34.8%。

这主要是S-A具有比F-A更低的水灰比，并且其含气量也较小的原因。

图6为高效减水剂对砂浆粘结抗拉强度的影响，从图中可以看出，S-A的粘结抗拉强度远高于A和F-A的粘结抗拉强度；而F-A的粘结抗拉强度只有在聚灰比小于2％时，与A
相比有一定幅度的提高。

随聚灰比增大S-A没有明显变化，而F-A的粘结强度逐渐降低。

通过对A、F-A和S-A的含气量、保水率、水灰比、抗折强度、抗压强度和粘结抗拉强度的研究得出掺加高效减水剂可以改变砂浆的以上指标，其中聚羧酸盐高效减水剂与A相比可以降低含气量和水灰比，提高保水性、抗折强度、抗压强度和粘结抗拉强度。

萘系高效减水剂虽然降低了水灰比提高了抗压强度，但在一定程度上又降低了保水性，对抗折强度和粘结抗拉强度没有明显而稳定的改善。

总的来说，聚羧酸盐高效减水剂与聚合物的适应性和复合改性优于萘系高效减水剂，聚羧酸盐高效减水剂和聚合物适合共同掺加使用。

《混凝土结构加固设计规范》GB50367－2006钢丝网水泥砂浆加固对Ⅰ级砂浆技术指标为：粘结抗拉强度f t≥2.5MPa，且混凝土内聚破坏；抗折强度f b≥12MPa；抗压强度f c≥55MPa。

综合考虑砂浆的施工性能、力学性能以及经济性等因素，钢丝网水泥加固可以采用以下配合比，水泥:砂:水:聚羧酸盐高效减水剂:聚合物:杜拉纤维＝1:2:0.291:0.003:0.015:0.0015，其各项指标为：粘结抗拉强度f t≥3.13MPa，混凝土内聚破坏；抗折强度f b≥14.25MPa；抗压强度f c≥63.4MPa。

本砂浆配合比达到规范要求。

3结论
（1）萘系和聚羧酸盐高效减水剂的掺加对砂浆含气量、保水率、水灰比、抗折强度、抗压强度和粘结抗拉强度都有改变，但聚羧酸盐类高效减水剂和聚合物的适应性及复合改性水泥砂浆的效果优于萘系高效减水剂；
（2）单掺两种减水剂都具有明显的减水和增强效果，且引气量很小；聚合物也有一定的减水作用，但引气量显著增大；
（3）聚羧酸盐高效减水剂与聚合物有较好的相容性，可以使砂浆含气量降低，减水效果有一定叠加性，保水性增加，抗折强度、抗压强度和粘结抗拉强度得到大幅度提高；萘系高效减水剂的相容性差；
（4）钢筋网水泥砂浆加固用高性能复合砂浆如下较优配合比：水泥:砂:水:聚羧酸盐高效减水剂:聚合物:杜拉纤维＝1:2:0.291:0.003:0.015:0.0015，可满足《混凝土结构加固设计规范》GB50367－2006中Ⅰ级砂浆技术要求。

参考文献
[1] Paramsivam P, Ong K C G, Lim C T E. Ferrocement laminates for strengthening RC T-beams. Cement &Concrete Composites, 1994,
16: 143－152.
[2] 金成勋，金明观，刘成权等. The evaluation on ductility of RC slab structure reinforced by stainless steel wire mesh. RC-System
Co.Ltd..
[3] 黄忠邦. 国外关于钢筋网水泥砂浆抗震加固的研究. 建筑结构，1994，5: 44－47.
[4] 砌体结构设计规范（GB50003－2001）.
[5] 蒋隆敏，张毛心. 钢丝网水泥砂浆片材用于结构加固的研究综述. 建筑结构，2004，3: 7-11.。