PS-F系列灌漿材料的強度特性

李最雄 楊 濤 汪萬福

內容摘要：先用超聲波無損檢測、再用抗折試驗和單軸無側限抗壓試驗相結合的有損檢測法，分別表征不同齡期的PS-F系列灌漿材料在逐步失水條件下的強度特征。隨著充填于PS-F系列灌漿材料孔隙中液態水不斷散失，固態骨粒間的PS無機膠粘劑的強度逐漸增長，因此，漿液結石體的超聲波速值出現有規律的起伏，給出不同齡期的PS-F系列灌漿材料在初期強度小范圍波動的條件下超聲波速與失水率之間的關系，在失水率基本相同的條件下超聲波速與強度之間的關系。另一方面，通過回歸擬合的數學方法，試圖建立不同齡期PS-F系列灌漿材料的抗折強度和單軸無側限抗壓強度之間的函數關系。

關鍵詞：PS-F；灌漿材料；超聲波；強度；失水率

中圖分類號：K854.3文獻標識碼：A文章編號：1000-4106(2009)06-0026-04

一引言

以最佳模數和濃度的PS(Potassium Silicate硅酸鉀)為主劑、以粉煤灰(F)為填充劑、以氟硅酸鈉為固化劑而研制成的PS-F灌漿材料在砂礫巖石窟巖體裂隙灌漿加固中已有廣泛的應用。在西藏空鼓病害壁畫的灌漿加固研究中，為了增加灌漿材料與被加固主體在物質成分上的相似性，根據壁畫地仗層制作工藝的不同，在PS-F灌漿材料的基礎上再分別摻入占粉煤灰質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)一系列衍生灌漿材料。本文中所指的PS-F系列灌漿材料是包括PS-F、PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS-(F+W)在內的四種基于PS和F的灌漿材料。

研究PS-F系列灌漿材料的性能，從粉煤灰的化學 成分、礦物成分和基本物理性質入手，在測定PS-F漿液結石體的主要物理性質后，聯合使用超聲波速、抗折強度和抗壓強度等三重指標來研究齡期、固化溫度、PS濃度、PS模數、水灰比、固化劑摻量和粉煤灰除碳等因素對PS-F漿液結石體強度的影響，并研究了PS-F漿液結石體的安定性、水軟化特點、耐堿性、耐凍融性以及收縮變形性等特性。當制備PS-F灌漿材料所用粉煤灰的品質有了顯著提高之后，PS-F灌漿材料的物理力學性能得到了改善。在研究PS-F系列灌漿材料性能的過程中，積累了大量的關于漿液結石體失水率、超聲波速、抗折強度和單軸無側限抗壓強度等方面的寶貴數據。因此，如果能夠在這些直接測定量之間建立可信的數學關系，PS-F系列灌漿材料的物理力學性能就可以用更少的參量來表示。這意味著今后再進行這方面的實驗研究時，就可以減少需要直接測試的物理量，節省工作量。

二PS-F系列灌漿材料的制備

PS主劑的模數和濃度直接影響PS材料加固干旱區土建筑遺址的效果，PS-F系列灌漿材料的性能也明顯受制于PS主劑的模數和濃度，按照一系列的篩選標準，適用于西藏空鼓病害壁畫灌漿加固材料的PS主劑的最佳模數為3.80，最佳質量百分比濃度為10％①。實驗中所用的PS主劑由甘肅省文物保護修復中心提供，根據溶質守恒定律，用高模低濃的PS(模數M=4.15、濃度C=21.82％)、低模高濃的PS(模數M=3.59、濃度C=34.83％)以及蒸餾水配得中等模數(3.59≤M≤4.15，取M=3.80)和任意濃度的PS主劑。

粉煤灰由唐山陡河電廠供應，阿嘎土和巴嘎土由北京凱萊斯(CANNEX)建筑技術有限責任公司提供，白土產自西藏日喀則地區薩迦縣附近。對粉煤灰、阿嘎土、巴嘎土和白土的物理化學性質已做過較為系統的研究，四種填充材料的質量較為穩定。PS-F灌漿材料中的填充劑全部是粉煤灰，PS-(F+A)灌漿材料中粉煤灰和阿嘎土的質量之比為4:1，PS-(F+B)灌漿材料中粉煤灰和巴嘎土的質量之比也是4:1，PS-(F+W)灌漿材料中的填充劑按粉煤灰和白土的質量比為3:2組成。

固化劑的質量占PS-F系列漿液中PS水溶液質量的1.5％。

由于實驗中4種填充材料的液限值不同，在水灰比相同的條件下，四種PS-F系列漿液的和易性與流動度也會各異。在保證可灌性的前提下，PS-F系列漿液的水灰比取最小值時，漿液結石體的性能最佳。因此，確定實驗中PS-F、PS-(F+A)和PSV(F+B)等三種漿液的最佳水灰比為0.55，PS-(F+W)漿液的水灰比取值為0.60?，F場施工過程中，可以根據具體的實際情況，水灰比可以在設計值上下略有浮動。

三PS-F系列灌漿材料的強度

1.試驗方法

PS-F系列漿液在尺寸為40mm×40mm×160mm的鐵模內澆筑成型后，將漿液連同試模一并轉入相對密閉的恒濕箱，24小時后對漿液結石體脫模，然后再將成型后的PS-F系列漿液結石體置于恒濕箱內養護。

根據PS-F系列漿液結石體在脫模后和測試前質量來計算失水率，稱量精確至0.1g。

采用超聲脈沖法對PS-F系列灌漿材料進行無損檢測，RSM-SY5聲波儀由中國科學院武漢巖土力學研究所智能儀器研究室制造，儀器發射探頭的頻率為50kHz，接收探頭的頻率也為50kHz，采樣間隔為1μs②。

微機萬能材料試驗機由深圳瑞格爾(REGER)儀器有限公司制造，負荷傳感器的量程為10kN，精度為0.01N，絕對位移傳感器的量程為750mm，精度0.001mm。采用應變控制式并參考《水泥膠砂強度ISO檢驗方法》(GB/T 17671—1999)進行PS-F系列漿液結石體的抗折和單軸無側限抗壓強度試驗，抗折試驗時的位移速率為3.6 mm/s，抗壓試驗時的位移速率為7.2 mm/s。

2.超聲波速與失水率的關系

超聲波在20℃淡水中的傳播速度約為1519.4 m/s，PS-F系列灌漿材料中的超聲波速同時受漿液結石體失水率和強度的影響。為了減小PS-F系列漿液結石體強度的增長對超聲波速的貢獻，實驗選取3天、5天和7天齡期PS-F系列漿液結石體的失水率(Pw)和超聲波速(Vp)進行數據統計分析(圖1)。因為當水灰比約0.55時，在相對封閉的養護條件下，PS-F系列漿液結石體在7天之內的含水率仍高達45％左右，而失水率卻小于5％，漿液結石體的固化程度較低，因此灌漿材料的強度較低①。

從圖1可知，當PS-F系列漿液結石體的失水率較小時，灌漿材料的超聲波速的分布較為集中，最小值為0.941 km/s，最大值為1.463 km/s。經分組統計分析，PS-F、PS-(F+A)、PS-(F+B)和PS(F-w)四種灌漿材料的平均超聲波速值分別為1.317、1.210、1.307和1.200 km/s，相互比較接近。

3.超聲波速與強度的關系

分析超聲波速與抗壓強度之間的關系，先要排除PS-F系列灌漿材料孔隙中非飽和水分對超聲波速的干擾，因此，選擇28天齡期PS-F系列灌漿材料的波速值和單軸無側限強度(RC)值進行分析(圖2)。因為當PS-F系列漿液結石體的失水率大于30％的時候，結石體已接近最大失水率，基本處于自然干燥狀態，漿液結石體徹底固化，其強度達到峰值(圖3)。

圖2中，雖然PS-F系列灌漿材料的單軸無側限抗壓強度從1.053MPa增至2.090MPa，但PS-F系列漿液結石體的超聲波速值仍較為集中，最小值為1.129km/s，極大值為1.472km/s，統計平均值為1.253km/s，與PS-F系列漿液結石體在低失水率時的超聲波值較接近。這充分說明，PS-F系列灌漿材料的超聲波指標與單軸無側限抗壓強度之間的一對一映射關系較差，測得某一灌漿材料的超聲波速后，不能精準地求解出對應的抗壓強度。

4.抗折強度與抗壓強度的關系

PS-F系列灌漿材料的單軸無側限抗壓強度是在抗折強度的基礎上進行的，假如能夠憑借經驗公式，根據抗折強度計算出抗壓強度，那么就可以不用進行破壞性單軸無側限抗壓強度試驗。選取28天齡期PS-F系列灌漿材料的抗折強度(R_f)和單軸無側限抗壓強度進行數據相關性分析(圖4)。

如圖3所示，摒除個別極值后，回歸擬合四種PS-F系列灌漿材料單軸無側限抗壓強度和抗折強度的關系，可得經驗公式：

R_c-2.546×(1-e^-1.67535Rf)(1)

式中，R_c為PS-F系列灌漿材料的單軸無側限抗壓強度，MP；R_f為PS-F系列灌漿材料的抗折強度，MPa。

四結論

PS-F系列漿液結石體在固化初期基本上處于飽水(Pw≤5)狀態，超聲波速約為1.26km/s。隨著漿液結石體不斷失水，在非飽和(5≤Pw≤30)狀態下，PS-F系列灌漿材料的超聲波速值有降低的趨勢，但與此同時，漿液結石體的強度逐步增長，超聲波速值又趨于上升，兩者綜合的結果是PS-F系列灌漿材料的超聲波速值降低，通常小于1km/s。當漿液結石體基本干燥(30≤Pw)后，PS-F系列灌漿材料的強度迅速提高，超聲波速達到1.25 km/s。

PS-F系列灌漿材料的超聲波速值可以清晰辨別漿液結石體是否處于近飽水狀態或臨于干燥狀態，但無法根據超聲波速指標確切估計PS-F系列漿液結石體的強度。

根據經驗公式可以由PS-F系列灌漿材料的抗折強度推算出單軸無側限抗壓強度，結果具有較高的可信度。