套筒灌漿料在裝配式建筑中的應(yīng)用及研究進(jìn)展

劉庚樂(lè) 趙 鵬 秦 磊

（濟(jì)南大學(xué)，山東 濟(jì)南 250022）

隨著當(dāng)今社會(huì)生產(chǎn)力的提高，經(jīng)濟(jì)實(shí)力的不斷發(fā)展，很多國(guó)家的經(jīng)濟(jì)支柱改變?yōu)榻ㄖI(yè)。對(duì)環(huán)境污染大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)的傳統(tǒng)現(xiàn)澆模式，不能滿足國(guó)家對(duì)未來(lái)建筑業(yè)提出的要求，而建筑產(chǎn)業(yè)化是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，裝配式建筑使建筑業(yè)更加環(huán)保節(jié)能，建筑周期縮短，并且有著抗震防火、隔音防潮等優(yōu)點(diǎn)，所以成為我國(guó)結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向。

1 背景

黨的十九大提出，要大力發(fā)展綠色生產(chǎn)，推進(jìn)資源的節(jié)約和循環(huán)利用。2016 年，國(guó)務(wù)院在《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出，要積極推進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展，明確了要規(guī)范體系、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、優(yōu)化生產(chǎn)等八項(xiàng)任務(wù)。根據(jù)住建部的規(guī)劃，裝配式建筑要在2025 年占新建筑比例的一半。裝配式建筑在施工過(guò)程中可以減少施工人員、降低材料消耗、減少環(huán)境污染，符合國(guó)家發(fā)展的要求。傳統(tǒng)的焊接和螺栓連接方式有著維修、安裝和安全等各種問(wèn)題，所以逐漸被套筒灌漿連接替代[1]。 套筒、套筒灌漿料決定套筒灌漿連接的性能[2]。套筒灌漿料有著早期強(qiáng)度高、細(xì)骨料摻量高、流動(dòng)性高等優(yōu)點(diǎn)，性能影響著套筒灌漿連接的安全，也間接影響著結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性[3-5]。所以，研究套筒灌漿料的研究是十分必要的。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，裝配式建筑在大規(guī)模推廣，大部分裝配式建筑結(jié)構(gòu)豎向預(yù)制構(gòu)件絕大數(shù)都采用鋼筋套筒連接，并且關(guān)鍵受力部位全部采用鋼筋套筒連接，因此套筒灌漿料的質(zhì)量至關(guān)重要。灌漿料技術(shù)的發(fā)展，各國(guó)科研單位都在研究上付出了很多努力，大致分為了一下幾個(gè)階段：粘土加石灰——水泥——化學(xué)類灌漿料——水泥基灌漿料[6]。化學(xué)類灌漿料存在環(huán)保問(wèn)題、防火問(wèn)題等，因此使用量在逐步減少。在二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外開(kāi)始使用性能較好的水泥基灌漿料，基于其良好的耐久，超高的強(qiáng)度，極佳的流動(dòng)性，價(jià)格便宜、對(duì)人沒(méi)有危害、對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染等優(yōu)點(diǎn)。套筒灌漿料的工作性能受很多因素的影響，近幾年，通過(guò)改變其內(nèi)部因素，包括參合料、細(xì)骨料、外加劑、膠凝材料等，得到了許多符合各種特殊要求的套筒灌漿料[7]。

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外灌漿材料最早由1802 年由法國(guó)工程師charles.Berlghy 發(fā)明，主要由粘土和石灰漿液組成。主要用于注入墻體加固砌筑墻。直到1826 年，波特蘭水泥的出現(xiàn)為提高灌漿材料強(qiáng)度提供了基礎(chǔ)。1858 年前后，英國(guó)W.R.Kinippe 成功的制作出灌漿材料，使用的就是波特蘭水泥。隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，許多灌漿材料不符合特定的要求，人們需要發(fā)明新的灌漿材料滿足工程的需要。1920 年，荷蘭工程師Joosten發(fā)明了化學(xué)灌漿法，后來(lái)，國(guó)際上研制出各種不同的化學(xué)類灌漿材料。

化學(xué)灌漿法在發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)了不少問(wèn)題，不少人因?yàn)楣こ讨惺褂没瘜W(xué)灌漿材料導(dǎo)致中毒，在1974 年，日本使用丙烯酞胺灌漿液發(fā)生了大規(guī)模中毒事件，因此，丙烯酞胺在日本等國(guó)家使用受到了限制，所以人們把目光從化學(xué)灌漿材料到水泥基灌漿材料。1982 年，超細(xì)水泥基灌漿料發(fā)明，之后，德國(guó)P.Noske 發(fā)現(xiàn)通過(guò)一定量的超細(xì)水泥基灌漿料與水結(jié)合，得到具有良好的流動(dòng)性、耐久性好、無(wú)毒無(wú)污染的超細(xì)水泥懸浮液[8]。

M.sahmaran 和N.Ozkan 等[9]人發(fā)現(xiàn)，灌漿料的流變性能能通過(guò)加入一定量的浮石粉來(lái)改變，浮石是一種海綿狀巖石，質(zhì)量輕強(qiáng)度高，空隙率高，但是含有一定質(zhì)量的氯離子，需要處理之后再使用。

B.Flekoglu 和B.Baradam 等[10]人發(fā)現(xiàn)，石灰粉的添加可以明顯的提高灌漿料的強(qiáng)度，填充效應(yīng)使節(jié)構(gòu)更加密實(shí)，通過(guò)反應(yīng)生成氫氧化鈣和水化硅酸鈣凝膠，進(jìn)一步優(yōu)化了強(qiáng)度的發(fā)展。

Siong Kang Lim 等[11]研究了不同粒徑的沙子對(duì)灌漿料性能有著不同的影響，細(xì)沙可以增強(qiáng)灌漿料的長(zhǎng)期強(qiáng)度，而粗砂可以提高早期強(qiáng)度。

W.G.Piasta 等[12]研究了硫酸鹽與壓應(yīng)力的耦合作用下，壓應(yīng)力會(huì)影響混凝土的抗硫酸鹽腐蝕，對(duì)混凝土的膨脹有一定的限制。

S.Laxmi[13]用硅酸鹽水泥與鋁酸鹽水泥復(fù)配出超早強(qiáng)灌漿料，這種灌漿料終凝時(shí)間15min，一小時(shí)抗壓強(qiáng)度10Mpa，兩小時(shí)20Mpa。

M.Saric-Coric 等[14]在灌漿料中摻入增稠劑和減水劑，發(fā)現(xiàn)加入增稠劑后會(huì)增加減水劑的用量，使灌漿材料有更低的泌水率，降低其抗壓強(qiáng)度。增稠劑和減水劑共同使用會(huì)使凝結(jié)時(shí)間增長(zhǎng)。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

20 世紀(jì)70 年代，我國(guó)引進(jìn)大量國(guó)外大型設(shè)備，但是安裝時(shí)候遇到了問(wèn)題，安裝設(shè)備需要大量灌漿材料，我國(guó)開(kāi)始了灌漿料的研發(fā)工作，早期灌漿料為化學(xué)類灌漿料，有著毒性大、價(jià)格貴等問(wèn)題。隨著工業(yè)發(fā)展，設(shè)備安裝需要更高的精度，在原有的工藝下，我國(guó)在20 世紀(jì)80 年代研制微膨脹的無(wú)機(jī)灌漿料并取得成功[15]。經(jīng)過(guò)多年的研究，我國(guó)的灌漿料從單純的機(jī)械安裝到混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)。傳統(tǒng)灌漿料應(yīng)用在灌漿套筒中會(huì)暴露出很多問(wèn)題，因此要研制出特殊的灌漿料，在性質(zhì)上要有微膨脹，凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)特點(diǎn)，方便與套筒連接和工人施工[16]。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥種類、礦物摻合料、減水劑及膨脹劑都會(huì)對(duì)灌漿料性能產(chǎn)生影響。

李嶠玲[17]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，石灰可以緩解泌水、增加膨脹率和早期強(qiáng)度，最佳摻量為百分之二，最佳硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥比例為8∶2，膠砂比為1∶1.2。普通硅酸鹽水泥摻量的增大，會(huì)導(dǎo)致干縮率變大、灌漿料的早期和后期強(qiáng)度降低、后期流動(dòng)性的下降。

林榮峰[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚羧酸相比萘系和氨系具有良好保坍能力，可以增強(qiáng)灌漿料的強(qiáng)度，設(shè)計(jì)合適的配合比會(huì)有良好的性能在灌漿料性能試驗(yàn)中得到，要得到流動(dòng)性能更好的灌漿料可以加入一定量的礦粉或粉煤灰，或者加入一定量的消泡劑，消泡劑也可以增加灌漿料的強(qiáng)度，并且使強(qiáng)度提高29%以上。

董軍軍[19]研究表明，增強(qiáng)套筒灌漿料的早期強(qiáng)度可以添加硅灰，增加后期強(qiáng)度可以添加礦粉，粉煤灰是影響后期膨脹率的一個(gè)因素，硅灰和礦粉復(fù)摻顯著影響3h 豎向膨脹率，而對(duì)24h 豎向膨脹率影響較小，石膏摻入可以發(fā)生反應(yīng)生成鈣礬石。

李天水[20]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，塑性膨脹劑可以有效緩解收縮，可以與消泡劑協(xié)同工作，產(chǎn)生必要的膨脹，利用高性能混凝土制備理論制備高性能水泥基，對(duì)緊密堆積模型進(jìn)行計(jì)算，初步算出質(zhì)量比，在Alfred 致密堆積模型時(shí)，調(diào)整模型系數(shù)q，取為0.19。

灌漿料性能會(huì)受到膠凝劑、骨料、外加劑、礦物摻合料等內(nèi)部因素的影響，當(dāng)在灌漿料使用的過(guò)程中會(huì)隨著外界因素的變化，受到不同作用的影響，比如高低溫、凍融循環(huán)、外界溶液侵蝕等?，F(xiàn)在，許多研發(fā)人員對(duì)外界因素對(duì)灌漿料影響做出了相當(dāng)多的探索，得出了結(jié)論。

張琪[21]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥和鋁酸鹽水泥共同作用，在600℃時(shí)，抗壓強(qiáng)度上升，在600℃到800℃區(qū)間，強(qiáng)度下降。高溫處理對(duì)超早強(qiáng)灌漿料的彈性模量影響很小，加固梁的極限荷載有所降低，抗彎性能影響較小。

馮世賢[22]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)灌漿料的彈性模量隨著溫度升高而降低，隨著滲水率的增加而降低，粘結(jié)性能在單調(diào)荷載作用下，鋼筋與灌漿料的極限粘結(jié)應(yīng)力，加卸載剛度，隨溫度升高而下降，經(jīng)過(guò)高溫后，無(wú)箍筋試件的極限粘結(jié)應(yīng)力、極限粘結(jié)位移小于有箍筋試件，溫度小于350℃時(shí)，有無(wú)箍筋粘結(jié)試件剛度變化不大，溫度等于550℃，有箍筋試件大于無(wú)箍筋試件。

任慧超[23]通過(guò)正交試驗(yàn)配制出一種耐腐蝕灌漿料，且該灌漿料能經(jīng)受住125 次凍融循環(huán)，并且在5%硫酸鹽及海水侵蝕30 次以上后，耐腐蝕系數(shù)仍大于0.75，具有良好的耐久性。

杭鑫坤[6]摻加一定量的硝酸鈉為防凍劑，研制出兩種低溫套筒灌漿料，對(duì)其豎向膨脹率，溫度影響、長(zhǎng)期強(qiáng)度、氯離子含量進(jìn)行試驗(yàn)，滿足各方面標(biāo)準(zhǔn)要求。

于丹紅[24]進(jìn)行了灌漿料在不同濃度鹽溶液進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，得到灌漿料強(qiáng)度和質(zhì)量隨著凍融次數(shù)的增加現(xiàn)增加后降低，20%鹽溶液有利于試件抗凍。研究了灌漿料在不同濃度的鹽溶液浸泡會(huì)使試件耐腐蝕系數(shù)隨時(shí)間先增加后降低。

隨著現(xiàn)代工程的發(fā)展，傳統(tǒng)套筒灌漿料已經(jīng)不能滿足要求，使得人們不得不進(jìn)一步研究新型，符合現(xiàn)代工藝要求的套筒灌漿料。

3 結(jié)語(yǔ)

學(xué)術(shù)界進(jìn)行了灌漿料各個(gè)方面的研究，對(duì)以后開(kāi)發(fā)新型套筒灌漿料有著一定的借鑒意義，但還出現(xiàn)了一系列未能解決的問(wèn)題。

第一，灌漿料仍需要解決膨脹和早強(qiáng)問(wèn)題，需要在組分、性能關(guān)系和外加劑方面尋求突破。

第二，現(xiàn)階段灌漿料受環(huán)境因素影響較大，局限在一定溫度下才可以施工，否則影響水化，因此需要進(jìn)一步研究。

第三，套筒灌漿料價(jià)格比較昂貴，在以后研究中，尋找新型外加劑和骨料有著重要意義。