2.1 灌漿材料的強度

2.1.1 立方體抗壓強度

抗壓強度是高強灌漿材料的重要力學指標，一般與水灰比、齡期、施工方法以及養護條件等因素有關，試驗方法與試件形狀尺寸也會影響所測得的強度數值。

國外一般采用75mm× 75mm× 75mm的立方體試件作為高強灌漿材料的標準試件，由標準立方體試件測得的抗壓強度，稱為標準立方體強度，用fck表示，而我國規定用150mm×150mm×150mm的立方體試件作為標準試件，因此，由國外規范得到的數據在國內開展檢驗與分析時需進行折算。圖2-1所示為灌漿料75mm×75mm×75mm立方體抗壓試塊與40mm×40mm×160mm棱柱體抗折試塊。

試驗方法對立方體強度有很大的影響。試塊在壓力機上受壓，縱向發生壓縮而橫向發生鼓脹。當試塊與壓力機墊板直接接觸，試塊上下表面與墊板之間有摩擦力存在，使試塊無法橫向自由擴張，導致灌漿體的抗壓能力提高。此時，靠近試塊上下表面的區域猶如被箍住一樣，試件中部由于摩擦力的影響較小，灌漿體仍可橫向鼓脹。隨著壓力的增加，試件中部先發生縱向裂縫，然后出現同向試件角隅的斜向裂縫。破壞時，中部向外鼓脹的灌漿體向四周剝落，使試件只剩下如圖2-2所示的角錐體受壓破壞形態。

當試件上下表面涂有油脂或墊有某種高分子材料以減少摩擦力時，則所測得的抗壓強度較不采取措施者為小，試件破壞時的裂縫為垂直裂縫。為了統一標準，規定在試驗中均采用不涂油脂的試件。圖2-3所示為一組不涂油脂高強灌漿材料立方體試塊受壓的破壞情況，可以看出，破壞時中間部位都比兩端小，或者一端完全被壓碎，但中間部位出現角錐體。

若立方體試件尺寸大于75mm×75mm×75mm，測試時兩端摩擦的影響相對較小，測得的強度較低。用非標準尺寸的試件進行試驗，其結果應乘以折算系數，換算成標準立方體強度。由于我國混凝土結構設計規范規定立方體標準試件尺寸為150mm×150mm×150mm，以150mm×150mm×150mm為基準，換算成標準立方體強度200mm×200mm×200mm的試件，折算系數取1.05;100mm×100mm×100mm的試件，折算系數取0.95。目前按國外75mm×75mm×75mm的立方體與國內150mm×150mm×150mm的立方體之間的折算系數尚需通過大量試驗建立。

試驗時，加載速度對強度也有影響，加載速度越快則強度越高。通常的加載速度是每秒壓力增加0.2～0.3N/mm2。

灌漿材料的強度是隨著齡期的增長而增長的，開始增長得很快，以后逐漸變慢。此外，溫度對灌漿材料的強度影響也非常顯著，溫度越高，高強灌漿材料凝結越快，相同時間內，強度值也越高，而灌漿材料的抗壓強度又直接影響灌漿連接段的軸壓承載力，因此，溫度是影響高強灌漿材料強度的重要因素之一，需控制在合理的溫度范圍內。由于灌漿材料在海上風電領域使用的特點，對其1d強度（早強強度）與28d強度（最終強度）要求很高。高強灌漿材料不同齡期的強度取值應通過試驗確定。

圖2-4所示為不同溫度下抗壓強度與齡期t的對數關系。通常情況下，抗壓強度與齡期關系圖為某一溫度下，使用時間對數lgt表示，曲線的開始部分為線性關系，如灌漿材料在12℃和5℃條件下。在20℃時，沒有足夠的更早期數據來確定強度變化趨勢，但可以看出，相比12℃和5℃條件，更高溫度意味著更快速達到早強強度與最終強度。

我國混凝土結構設計規范規定以邊長為150mm的立方體，在溫度為（20±3）℃、相對濕度不小于90%的條件下養護28d，用標準試驗方法開展試驗。對于高強灌漿材料而言，需要特別注意的是，測試環境應滿足溫度為（20±2）℃，濕度50%～70%，灌漿料攪拌前需控制灌漿料和水的溫度在（20 ± 2）℃。海上風電場所采用的高強灌漿材料抗壓強度一般在110MPa以上。

2.1.2 圓柱體抗壓強度

若試件為圓柱體，則所測得的抗壓強度稱為圓柱體抗壓強度，用fcck表示，取抗壓強度概率分布上5%分位對應的值，且至少具有75%的置信度，圓柱體抗壓強度可由φ150mm×300mm的試件經標準養護后測得，fcck要低于立方體強度，這是因為當試件高度增大后，兩端接觸面摩擦力對試件中部的影響逐漸減弱所致，圓柱體試塊破壞形態如圖2-5所示。fcck隨試件高度與寬度之比h/b而異，當h/b＞3時，fcck趨于穩定。

對于高強灌漿材料，挪威船級社規范DNV-OS-J101（2011）《海上風機支撐結構設計》指出，fcck與fck大致呈線性關系，即

但式（2-1）得到的數據與實際所測得的值有時會相差較大，在規范DNV-OS-J101（2014）中已取消了該轉換關系式。在鋼筋混凝土結構設計中，受壓構件的實際長度比它的截面尺寸大得多。因此，圓柱體強度比立方體強度能更好地反映受壓構件中混凝土的實際強度。但海上風電機組基礎灌漿連接段與鋼筋混凝土受壓構件不同，實際長度與其截面尺寸相差不大，因此，普遍采用立方體強度作為設計時的強度。

同時，規范DNV-OS-J101（2014）指出，fcck應轉換為現場的特征抗壓強度fcn，轉換關系為

2.1.3 軸心抗拉強度

高強灌漿體的軸心抗拉強度ftk定義為直接抗拉強度的平均值，該平均值需至少具有75%的置信度，其值也遠小于立方體抗壓強度fck, ftk僅相當于fck的1/17左右，當fck越大時，ftk/fck的比值越低。凡影響抗壓強度的因素，一般對抗拉強度也有相應的影響，其中包括溫度、齡期、水灰比等。

灌漿材料的抗拉強度測試方法主要有直接受拉法與劈裂法。高強灌漿料主要采用的是直接受拉法，其試件是用鋼模澆筑成型的圓柱體試件，兩端設有對中變形鋼筋。試驗機夾緊兩端鋼筋，使試件受拉，破壞時在試件中部產生斷裂。劈裂法在國內外也較常使用，該方法是對圓柱體試件φ150mm×300mm通過墊條施加線荷載P，在試件中間的垂直截面上除墊條附近極小部分外，都將產生均勻的拉應力。當拉應力達到高強灌漿材料的抗拉強度ftk時，試件就對半劈裂。根據材料力學可計算出其抗拉強度為

式中 P——破壞荷載；

d——圓柱體直徑。

由劈裂法測定的ftk值與直接受拉法測得的值可相互轉換，挪威船級社規范DNV-OS-C502（2012）《海上混凝土結構》指出直接受拉強度等于劈裂強度乘以系數0.8。規范DNV-OS-J101（2014）指出直接受拉強度也可以與抗折強度進行轉換，即直接受拉強度等于抗折強度乘以系數0.4，且ftk應轉換為現場的特征抗拉強度ftn，轉換關系為

2.1.4 抗折強度

灌漿連接段作為傳遞荷載的一個關鍵部位，不僅傳遞了豎向載荷，還要傳遞巨大的彎矩，抗折強度fcf表示的是灌漿材料在承受彎矩時的極限折斷應力，又稱抗彎強度。對于灌漿材料，其抗壓強度由集料骨架的嵌擠和水泥基材料的黏結作用形成，而抗折強度則是依靠水泥基材料與集料界面的結合強度。JTJ 270—1998《水運工程混凝土試驗規程》規定，混凝土抗折強度以150mm×150mm×550mm的梁形試件在標準養護條件下達到規定齡期28天后，在凈跨450mm、雙支點荷載作用下的彎拉破壞計算得到，即

式中 fcf——抗折強度；

P——破壞荷載；

l——支座間距即跨度；

b——試件截面寬度；

h——試件截面高度。

圖2-6所示為灌漿材料抗折強度試驗，圖2-7所示為某灌漿材料三批試件在不同溫度下的抗折強度。

2.1.5 復合應力狀態下的灌漿材料強度

抗壓強度、抗拉強度與抗折強度均是指單軸受力條件下所得到的灌漿強度。但實際上，灌漿連接段很少處于單向受壓或單向受拉狀態。與混凝土材料相似，工程上經常遇到的都是一些雙向或三向受力的復合應力狀態。由于復合應力下的問題比較復雜，即使是使用廣泛的混凝土材料也未能建立起完整復合應力狀態下的強度理論。

灌漿材料在這方面研究不多，但由于與混凝土材料在受力上的相似性，此處將以混凝土為對象進行描述。復合應力強度試驗的試件形狀大體可分為空心圓柱體、實心圓柱體、正方形板、立方體等幾種，復雜應力作用下的示意圖如圖2-8所示。在空心圓柱體的兩端施加縱向壓力或拉力，并在其內部或外部施加液壓，就可以形成雙向受壓、雙向受拉或一向受壓一向受拉；如在兩端施加一對扭矩，就可以形成剪壓或剪拉；實心圓柱體與立方體則可形成三向受力狀態。

根據現有的試驗結果，可以得出以下結論：

（1）雙向受壓時，即兩個方向的主應力為壓應力，第三方向的主應力為零時，混凝土的強度比單向受壓的強度高，即一向強度隨另一向壓應力的增加而增加。

（2）雙向受拉時，混凝土一向抗拉強度基本上與另一向拉應力的大小無關，即雙向受拉時的混凝土強度與單向受拉強度基本相同。

（3）一向受拉一向受壓時，混凝土抗壓強度隨另一向拉應力的增加而降低，或者說，混凝土的抗拉強度隨另一向壓應力的增加而降低。

由于復合應力狀態下的試驗方法不統一，影響強度的因素很多，所得出的試驗數據有時相差較大，詳細情況可參考鋼筋混凝土相關的研究成果和著作。