水泥基灌漿材料在結(jié)構(gòu)加固改造領(lǐng)域的應(yīng)用探討

夏經(jīng)緯，夏仁寶

（1.浙江建院建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310006；2.浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 概述

GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》定義水泥基灌漿材料為：由水泥、骨料、外加劑和礦物摻合料等原材料在專業(yè)化工廠按比例計(jì)量混合而成，在使用地點(diǎn)按規(guī)定比例加水或配套組分拌合，用于螺栓錨固、結(jié)構(gòu)加固、預(yù)應(yīng)力孔道等灌漿的材料。

灌漿材料自被發(fā)明以來，憑借其優(yōu)越的性能受到青睞，得到巨大發(fā)展[1-2]。為了提高軋鋼機(jī)、連鑄機(jī)、大型壓縮機(jī)和大型發(fā)電機(jī)等大型、特大型設(shè)備的安裝精度，加快安裝速度和延長設(shè)備使用壽命，水泥基灌漿材料得到廣泛應(yīng)用并得以迅速發(fā)展，主要用于這些大型、特大型設(shè)備基礎(chǔ)二次灌漿、地腳螺栓錨固、座漿、工程搶修等，用于替代傳統(tǒng)的細(xì)石混凝土。我國自20世紀(jì)90年代初開始自主研發(fā)生產(chǎn)水泥基灌漿材料，1997年國家科委將水泥基灌漿材料列為國家科技成果重點(diǎn)推廣項(xiàng)目[3]。由于水泥基灌漿材料具有高流動(dòng)性、早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹、無毒等特性，可以很好地解決構(gòu)件鋼筋密集部位混凝土澆搗施工的難題，且大大縮短工期，又逐漸在結(jié)構(gòu)加固改造領(lǐng)域得到應(yīng)用，從增大截面到截面置換，從小截面置換到全截面置換，從低應(yīng)力構(gòu)件到高應(yīng)力構(gòu)件，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。

由于水泥基灌漿料從設(shè)備基礎(chǔ)二次灌漿、地腳螺栓錨固領(lǐng)域擴(kuò)展應(yīng)用到結(jié)構(gòu)加固改造領(lǐng)域，其自身材料開裂等問題引起了高度關(guān)注。研究表明[4]：在體形較大的部位，其仍存在微觀收縮；同時(shí)灌漿料彈性模量與原有混凝土的彈性模量不一致，其在對(duì)混凝土工程進(jìn)行修補(bǔ)的過程中，受力后易因應(yīng)力集中而先于混凝土破壞；對(duì)于水泥基灌漿材料的耐久性問題亦有待于進(jìn)一步研究。

1 灌漿料主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及與結(jié)構(gòu)加固改造應(yīng)用有關(guān)的內(nèi)容

JC/T 986—2005《水泥基灌漿材料》中與結(jié)構(gòu)加固改造應(yīng)用有關(guān)的主要內(nèi)容為：“1范圍 本標(biāo)準(zhǔn)適用于設(shè)備基礎(chǔ)二次灌漿、地腳螺栓錨固、混凝土加固、修補(bǔ)等使用的水泥基灌漿材料”，明確水泥基灌漿材料可用于混凝土加固、修補(bǔ)；“5技術(shù)要求”，明確水泥基灌漿材料的骨料粒徑為4.75 mm方孔篩篩余≤2.0%，28 d抗壓強(qiáng)度≥70.0 MPa。JC/T 986—2018《水泥基灌漿材料》為JC/T 986—2005的替代版本，修訂后的JC/T 986—2018則按流動(dòng)度將水泥基灌漿材料分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類和Ⅳ類灌漿料，流動(dòng)度Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類的水泥基灌漿材料骨料粒徑為4.75 mm篩篩余量為0，流動(dòng)度Ⅳ類的水泥基灌漿材料最大骨料粒徑大于4.75 mm，且不超過25 mm；按28 d抗壓強(qiáng)度將水泥基灌漿材料分為A50、A60、A70和A85四個(gè)等級(jí)；材料適用于設(shè)備基礎(chǔ)二次灌漿、柱腳底板、地腳螺栓錨固、混凝土結(jié)構(gòu)加固、修補(bǔ)、鋼筋連接套筒等使用。JC/T 986—2018有2個(gè)顯著特點(diǎn)：一是28 d抗壓強(qiáng)度指標(biāo)有所降低，從≥70.0 MPa，下降到≥50.0 MPa；二是最大骨料粒徑增大，新增4.75 mm<最大骨料粒徑≤25 mm的Ⅳ類灌漿料。

GB 50550—2010《建筑結(jié)構(gòu)加固工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（以下簡稱驗(yàn)收規(guī)范）是建筑結(jié)構(gòu)加固改造領(lǐng)域施工質(zhì)量驗(yàn)收的國家標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收規(guī)范單列“4.10結(jié)構(gòu)加固用水泥基灌漿料”一節(jié)和“21灌漿工程”一章，編制時(shí)灌漿材料引用的標(biāo)準(zhǔn)是JC/T 986—2005版，在驗(yàn)收規(guī)范中表4.10.1規(guī)定最大骨料粒徑為≤4 mm。為了避免水泥基灌漿材料固化后產(chǎn)生收縮裂縫；驗(yàn)收規(guī)范第21.2.2條規(guī)定：當(dāng)用于普通混凝土和砌體的增大截面工程時(shí)，尚應(yīng)遵守下列規(guī)定：不得采用純灌漿料，而應(yīng)采用由70%灌漿料+30%細(xì)石混凝土混合而成的漿料（以下簡稱混合料），且細(xì)石混凝土粗骨料的最大粒徑不應(yīng)大于12.5 mm。驗(yàn)收規(guī)范第21.4.4條規(guī)定：灌漿料啟封配成漿液后，應(yīng)直接與細(xì)石混凝土拌合使用。其條文說明解釋為：在混凝土增大截面工程中之所以不允許使用純灌漿料，而應(yīng)使用它與細(xì)石混凝土混合而成的漿料，是因?yàn)榧児酀{料在它所含有的膨脹劑作用消失后，便很容易出現(xiàn)溫度裂縫和收縮裂縫，而混合料在很大程度上可以避免或減少這類裂縫的出現(xiàn)。

YB/T 9261—1998《水泥基灌漿材料施工技術(shù)規(guī)程》第7章單列“混凝土結(jié)構(gòu)加固和改造”，其第7.0.5條規(guī)定：根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，也可按比例摻入洗凈的豆石（粒徑5～10 mm），但最大摻量不得超過水泥基灌漿材料質(zhì)量的1/3。在水泥基灌漿材料中摻入一定量的豆石其目的也是為了防止灌漿料固化過程中產(chǎn)生裂縫。

GB/T 50448—2015《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱技術(shù)規(guī)范）單列“5.3混凝土結(jié)構(gòu)改造和加固”、“7.5混凝土結(jié)構(gòu)改造和加固灌漿”，該技術(shù)規(guī)范把灌漿料按流動(dòng)度分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類，Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類灌漿料最大骨料粒徑≤4.75 mm，Ⅳ類灌漿料最大骨料粒徑>4.75 mm且≤25 mm。為了防止灌漿料固化過程產(chǎn)生裂縫，技術(shù)規(guī)范第5.3.2、5.3.4、5.3.5、5.3.6、5.3.7條分別對(duì)混凝土柱采用加大截面加固法加固、混凝土柱采用干式外包鋼加固法加固、混凝土梁采用加大截面法加固、樓板采用疊合層法增加板厚加固、混凝土結(jié)構(gòu)施工中出現(xiàn)的蜂窩和孔洞以及柱子的爛根修補(bǔ)，當(dāng)灌漿層厚度大于技術(shù)規(guī)范規(guī)定限值時(shí)，必須采用Ⅳ類水泥基灌漿材料。如第5.3.2條規(guī)定：當(dāng)混凝土柱采用加大截面加固法加固時(shí)，原混凝土柱與模板的間距b不宜小于60 mm，且應(yīng)采用Ⅳ類水泥基灌漿材料。技術(shù)規(guī)范第7.5.5條規(guī)定：灌漿層厚度大于150 mm時(shí)，應(yīng)防止產(chǎn)生溫度裂縫。

綜上，水泥基灌漿材料的高流動(dòng)性、早強(qiáng)、高強(qiáng)的特性是在結(jié)構(gòu)加固改造中要充分利用的，但其在固化中產(chǎn)生的溫度裂縫和收縮裂縫在結(jié)構(gòu)加固改造中是不可接受的。不同的標(biāo)準(zhǔn)采用不同的方法“規(guī)避”這種裂縫的開展，如采用加大骨料粒徑、灌漿料+細(xì)石混凝土、灌漿料+豆石等方法。

2 灌漿料用于結(jié)構(gòu)加固改造存在的問題

按當(dāng)前產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的水泥基灌漿材料，最大骨料粒徑≤4.75 mm的灌漿料屬砂漿范疇；最大骨料粒徑>4.75 mm且≤25 mm應(yīng)屬細(xì)石混凝土范疇，在其所含的膨脹劑作用消失后，便很容易出現(xiàn)溫度裂縫和收縮裂縫。

由于結(jié)構(gòu)加固改造中的“增大截面加固法加固”、“置換混凝土加固法加固”中的灌漿層厚度遠(yuǎn)大于地腳螺栓錨固的灌漿層厚度，故灌漿料存在自身開裂的風(fēng)險(xiǎn)更大，為降低水泥基灌漿材料固化過程自身開裂的風(fēng)險(xiǎn)，GB 50550—2010中有“混合料”一說，即將70%灌漿料與30%細(xì)石混凝土混合而成；而YB/T 9261—1998則采取摻豆石的抗裂措施，第7.0.5條規(guī)定：根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，也可按比例加入洗凈的豆石（粒徑5～10 mm），但最大摻量不得超過水泥基灌漿材料質(zhì)量的1/3。施工單位依據(jù)上述規(guī)定，只買粉料回來自己加工，工程中就出現(xiàn)“粉料+混凝土”或者“粉料+豆石+水”現(xiàn)象，給加固工程埋下結(jié)構(gòu)安全隱患：

（1）水泥基灌漿材料是以水泥為基礎(chǔ)材料，摻加外加劑和其他輔助材料，加水拌合后具有較大流動(dòng)性、早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹等性能的干混材料。如果采用“粉料+混凝土”，即把水泥基灌漿材料摻入細(xì)石混凝土中，形成所謂的“混合料”，由于不同品牌不同品種的水泥具有不同的化學(xué)物理特性，混用后有可能會(huì)改變水泥的凝結(jié)時(shí)間和強(qiáng)度，產(chǎn)生工程質(zhì)量事故；具有不同水化熱的水泥混合使用，“混合料”固化過程中則可能造成內(nèi)部局部溫度高、局部溫度低的現(xiàn)象，這種溫差將產(chǎn)生不均勻收縮變形，使“混合料”內(nèi)部產(chǎn)生溫度裂縫，引起工程質(zhì)量事故。對(duì)此，GB/T 14902—2012《預(yù)拌混凝土》、GB 50204—2015《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》、GB 50203—2019《砌體結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)都有明確規(guī)定，“不同品種的水泥，不得混合使用”、“水泥應(yīng)按品種、強(qiáng)度等級(jí)和生產(chǎn)廠家分別標(biāo)識(shí)和貯存”、“按同一廠家、同一品種、同一代號(hào)、同一強(qiáng)度等級(jí)、同一批號(hào)且連續(xù)進(jìn)場的水泥”劃分檢驗(yàn)批等。

（2）如果采用“粉料+豆石+水”，一是失去了水泥基灌漿材料作為干混材料的優(yōu)勢(shì)；二是增加了施工現(xiàn)場配合比控制的難度，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題。

3 結(jié)語與討論

由于水泥基灌漿材料具有高流動(dòng)性、早強(qiáng)、高強(qiáng)、微膨脹、無毒等特性，用于結(jié)構(gòu)加固改造，可以很好地解決構(gòu)件鋼筋密集部位的澆搗施工難題，且節(jié)約工期，已被廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)加固改造領(lǐng)域，用于“增大截面加固法加固”、“置換混凝土加固法加固”中代替細(xì)石混凝土提高構(gòu)件截面抗壓強(qiáng)度，但由于對(duì)這一材料的特性缺乏正確的認(rèn)識(shí)，有被濫用的趨勢(shì)，必須引起高度重視。

（1）設(shè)備基礎(chǔ)與工程結(jié)構(gòu)的重要性、耐久性不同，灌漿料用于工程結(jié)構(gòu)加固應(yīng)特別注意工程類別的差異。工程結(jié)構(gòu)的安全重要性要大大高于設(shè)備基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)使用壽命要長于設(shè)備基礎(chǔ)，將原本用于設(shè)備基礎(chǔ)安裝的灌漿料用于工程結(jié)構(gòu)加固改造，灌漿料自身的裂縫除對(duì)構(gòu)件本身的抗剪、抗壓等力學(xué)性能產(chǎn)生影響外，還將對(duì)工程結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響，故對(duì)缺少粗骨料或粗骨料粒徑明顯小于被加固結(jié)構(gòu)混凝土的水泥基灌漿材料用于工程結(jié)構(gòu)加固時(shí)，應(yīng)特別注意工程類別的差異，慎重選用灌漿料。工程結(jié)構(gòu)加固改造中“增大截面加固法加固”“置換混凝土加固法加固”中的灌漿層厚度往往遠(yuǎn)大于地腳螺栓錨固，存在自身開裂風(fēng)險(xiǎn)更大，必須引起高度關(guān)注。

（2）水泥基灌漿材料應(yīng)堅(jiān)持按“干混材料”用于工程結(jié)構(gòu)加固施工。即施工人員在工地現(xiàn)場只要按材料廠家要求的加水比例、拌合時(shí)間和拌和方法攪拌均勻即可使用，這樣既高效、安全，又便于質(zhì)量控制，且責(zé)任明確。

（3）水泥基灌漿材料用于工程結(jié)構(gòu)加固應(yīng)以“協(xié)同工作”為原則，不應(yīng)一味追求高強(qiáng)。GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.1.1條規(guī)定：結(jié)構(gòu)加固用的混凝土，其強(qiáng)度等級(jí)應(yīng)比原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件提高一級(jí)，且不得低于C20級(jí)；其性能和質(zhì)量應(yīng)符合GB 50010—2020（2015版）《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定。用于結(jié)構(gòu)加固用的水泥基灌漿材料28 d抗壓強(qiáng)度≥60 MPa，遠(yuǎn)高于一般被加固結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度，如果用于局部置換，由于與原結(jié)構(gòu)、構(gòu)件混凝土強(qiáng)度相差太大，在局部置換部位就會(huì)產(chǎn)生“銷栓效應(yīng)”，不利于新舊混凝土協(xié)同工作。

（4）灌漿料用于工程結(jié)構(gòu)加固應(yīng)作更多研究。JC/T 986—2005、JC/T 986—2018都明確適用于“混凝土結(jié)構(gòu)加固”，GB 50550—2010、YB/T 9261—1998、GB/T 50448—2015也有專門針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固應(yīng)用和驗(yàn)收規(guī)定的章節(jié)，由于工程結(jié)構(gòu)加固改造的重要性，灌漿料用于結(jié)構(gòu)加固應(yīng)做更多的研究、驗(yàn)證性試驗(yàn)，只考慮抗壓強(qiáng)度指標(biāo)和可施工性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，比如，直接關(guān)系到構(gòu)件應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的材料彈性模量與被加固構(gòu)件的彈性模量是否匹配的問題、加固后的耐久性變化、長期荷載作用下的徐變情況等，對(duì)于最大骨料粒徑≤4.75 mm水泥基灌漿材料（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類），本屬于砂漿范疇，作為結(jié)構(gòu)材料大量應(yīng)用更應(yīng)謹(jǐn)慎。鑒于當(dāng)前水泥基灌漿材料在工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用研究尚不充分，對(duì)于全截面置換的高應(yīng)力構(gòu)件，建議選用混凝土，謹(jǐn)慎使用灌漿料。

（5）相應(yīng)配套標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)及時(shí)修訂更新。