2.1 灌浆材料的强度

2.1.1 立方体抗压强度

抗压强度是高强灌浆材料的重要力学指标，一般与水灰比、龄期、施工方法以及养护条件等因素有关，试验方法与试件形状尺寸也会影响所测得的强度数值。

国外一般采用75mm× 75mm× 75mm的立方体试件作为高强灌浆材料的标准试件，由标准立方体试件测得的抗压强度，称为标准立方体强度，用fck表示，而我国规定用150mm×150mm×150mm的立方体试件作为标准试件，因此，由国外规范得到的数据在国内开展检验与分析时需进行折算。图2-1所示为灌浆料75mm×75mm×75mm立方体抗压试块与40mm×40mm×160mm棱柱体抗折试块。

试验方法对立方体强度有很大的影响。试块在压力机上受压，纵向发生压缩而横向发生鼓胀。当试块与压力机垫板直接接触，试块上下表面与垫板之间有摩擦力存在，使试块无法横向自由扩张，导致灌浆体的抗压能力提高。此时，靠近试块上下表面的区域犹如被箍住一样，试件中部由于摩擦力的影响较小，灌浆体仍可横向鼓胀。随着压力的增加，试件中部先发生纵向裂缝，然后出现同向试件角隅的斜向裂缝。破坏时，中部向外鼓胀的灌浆体向四周剥落，使试件只剩下如图2-2所示的角锥体受压破坏形态。

当试件上下表面涂有油脂或垫有某种高分子材料以减少摩擦力时，则所测得的抗压强度较不采取措施者为小，试件破坏时的裂缝为垂直裂缝。为了统一标准，规定在试验中均采用不涂油脂的试件。图2-3所示为一组不涂油脂高强灌浆材料立方体试块受压的破坏情况，可以看出，破坏时中间部位都比两端小，或者一端完全被压碎，但中间部位出现角锥体。

若立方体试件尺寸大于75mm×75mm×75mm，测试时两端摩擦的影响相对较小，测得的强度较低。用非标准尺寸的试件进行试验，其结果应乘以折算系数，换算成标准立方体强度。由于我国混凝土结构设计规范规定立方体标准试件尺寸为150mm×150mm×150mm，以150mm×150mm×150mm为基准，换算成标准立方体强度200mm×200mm×200mm的试件，折算系数取1.05;100mm×100mm×100mm的试件，折算系数取0.95。目前按国外75mm×75mm×75mm的立方体与国内150mm×150mm×150mm的立方体之间的折算系数尚需通过大量试验建立。

试验时，加载速度对强度也有影响，加载速度越快则强度越高。通常的加载速度是每秒压力增加0.2～0.3N/mm2。

灌浆材料的强度是随着龄期的增长而增长的，开始增长得很快，以后逐渐变慢。此外，温度对灌浆材料的强度影响也非常显著，温度越高，高强灌浆材料凝结越快，相同时间内，强度值也越高，而灌浆材料的抗压强度又直接影响灌浆连接段的轴压承载力，因此，温度是影响高强灌浆材料强度的重要因素之一，需控制在合理的温度范围内。由于灌浆材料在海上风电领域使用的特点，对其1d强度（早强强度）与28d强度（最终强度）要求很高。高强灌浆材料不同龄期的强度取值应通过试验确定。

图2-4所示为不同温度下抗压强度与龄期t的对数关系。通常情况下，抗压强度与龄期关系图为某一温度下，使用时间对数lgt表示，曲线的开始部分为线性关系，如灌浆材料在12℃和5℃条件下。在20℃时，没有足够的更早期数据来确定强度变化趋势，但可以看出，相比12℃和5℃条件，更高温度意味着更快速达到早强强度与最终强度。

我国混凝土结构设计规范规定以边长为150mm的立方体，在温度为（20±3）℃、相对湿度不小于90%的条件下养护28d，用标准试验方法开展试验。对于高强灌浆材料而言，需要特别注意的是，测试环境应满足温度为（20±2）℃，湿度50%～70%，灌浆料搅拌前需控制灌浆料和水的温度在（20 ± 2）℃。海上风电场所采用的高强灌浆材料抗压强度一般在110MPa以上。

2.1.2 圆柱体抗压强度

若试件为圆柱体，则所测得的抗压强度称为圆柱体抗压强度，用fcck表示，取抗压强度概率分布上5%分位对应的值，且至少具有75%的置信度，圆柱体抗压强度可由φ150mm×300mm的试件经标准养护后测得，fcck要低于立方体强度，这是因为当试件高度增大后，两端接触面摩擦力对试件中部的影响逐渐减弱所致，圆柱体试块破坏形态如图2-5所示。fcck随试件高度与宽度之比h/b而异，当h/b＞3时，fcck趋于稳定。

对于高强灌浆材料，挪威船级社规范DNV-OS-J101（2011）《海上风机支撑结构设计》指出，fcck与fck大致呈线性关系，即

但式（2-1）得到的数据与实际所测得的值有时会相差较大，在规范DNV-OS-J101（2014）中已取消了该转换关系式。在钢筋混凝土结构设计中，受压构件的实际长度比它的截面尺寸大得多。因此，圆柱体强度比立方体强度能更好地反映受压构件中混凝土的实际强度。但海上风电机组基础灌浆连接段与钢筋混凝土受压构件不同，实际长度与其截面尺寸相差不大，因此，普遍采用立方体强度作为设计时的强度。

同时，规范DNV-OS-J101（2014）指出，fcck应转换为现场的特征抗压强度fcn，转换关系为

2.1.3 轴心抗拉强度

高强灌浆体的轴心抗拉强度ftk定义为直接抗拉强度的平均值，该平均值需至少具有75%的置信度，其值也远小于立方体抗压强度fck, ftk仅相当于fck的1/17左右，当fck越大时，ftk/fck的比值越低。凡影响抗压强度的因素，一般对抗拉强度也有相应的影响，其中包括温度、龄期、水灰比等。

灌浆材料的抗拉强度测试方法主要有直接受拉法与劈裂法。高强灌浆料主要采用的是直接受拉法，其试件是用钢模浇筑成型的圆柱体试件，两端设有对中变形钢筋。试验机夹紧两端钢筋，使试件受拉，破坏时在试件中部产生断裂。劈裂法在国内外也较常使用，该方法是对圆柱体试件φ150mm×300mm通过垫条施加线荷载P，在试件中间的垂直截面上除垫条附近极小部分外，都将产生均匀的拉应力。当拉应力达到高强灌浆材料的抗拉强度ftk时，试件就对半劈裂。根据材料力学可计算出其抗拉强度为

式中 P——破坏荷载；

d——圆柱体直径。

由劈裂法测定的ftk值与直接受拉法测得的值可相互转换，挪威船级社规范DNV-OS-C502（2012）《海上混凝土结构》指出直接受拉强度等于劈裂强度乘以系数0.8。规范DNV-OS-J101（2014）指出直接受拉强度也可以与抗折强度进行转换，即直接受拉强度等于抗折强度乘以系数0.4，且ftk应转换为现场的特征抗拉强度ftn，转换关系为

2.1.4 抗折强度

灌浆连接段作为传递荷载的一个关键部位，不仅传递了竖向载荷，还要传递巨大的弯矩，抗折强度fcf表示的是灌浆材料在承受弯矩时的极限折断应力，又称抗弯强度。对于灌浆材料，其抗压强度由集料骨架的嵌挤和水泥基材料的黏结作用形成，而抗折强度则是依靠水泥基材料与集料界面的结合强度。JTJ 270—1998《水运工程混凝土试验规程》规定，混凝土抗折强度以150mm×150mm×550mm的梁形试件在标准养护条件下达到规定龄期28天后，在净跨450mm、双支点荷载作用下的弯拉破坏计算得到，即

式中 fcf——抗折强度；

P——破坏荷载；

l——支座间距即跨度；

b——试件截面宽度；

h——试件截面高度。

图2-6所示为灌浆材料抗折强度试验，图2-7所示为某灌浆材料三批试件在不同温度下的抗折强度。

2.1.5 复合应力状态下的灌浆材料强度

抗压强度、抗拉强度与抗折强度均是指单轴受力条件下所得到的灌浆强度。但实际上，灌浆连接段很少处于单向受压或单向受拉状态。与混凝土材料相似，工程上经常遇到的都是一些双向或三向受力的复合应力状态。由于复合应力下的问题比较复杂，即使是使用广泛的混凝土材料也未能建立起完整复合应力状态下的强度理论。

灌浆材料在这方面研究不多，但由于与混凝土材料在受力上的相似性，此处将以混凝土为对象进行描述。复合应力强度试验的试件形状大体可分为空心圆柱体、实心圆柱体、正方形板、立方体等几种，复杂应力作用下的示意图如图2-8所示。在空心圆柱体的两端施加纵向压力或拉力，并在其内部或外部施加液压，就可以形成双向受压、双向受拉或一向受压一向受拉；如在两端施加一对扭矩，就可以形成剪压或剪拉；实心圆柱体与立方体则可形成三向受力状态。

根据现有的试验结果，可以得出以下结论：

（1）双向受压时，即两个方向的主应力为压应力，第三方向的主应力为零时，混凝土的强度比单向受压的强度高，即一向强度随另一向压应力的增加而增加。

（2）双向受拉时，混凝土一向抗拉强度基本上与另一向拉应力的大小无关，即双向受拉时的混凝土强度与单向受拉强度基本相同。

（3）一向受拉一向受压时，混凝土抗压强度随另一向拉应力的增加而降低，或者说，混凝土的抗拉强度随另一向压应力的增加而降低。

由于复合应力状态下的试验方法不统一，影响强度的因素很多，所得出的试验数据有时相差较大，详细情况可参考钢筋混凝土相关的研究成果和著作。