氣凝膠對套筒灌漿材料性能的影響

陳佳寧， 劉鳳東， 白錫慶， 王冬梅， 王建恒

（天津市建筑材料科學(xué)研究院有限公司，天津 300381）

近年來，隨著我國建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化和傳統(tǒng)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級的迫切需要，裝配式建筑在新建筑中比例不斷提高[1]。套筒灌漿鋼筋連接技術(shù)作為裝配式建筑構(gòu)件的連接方式，其材料性能優(yōu)劣對裝配式結(jié)構(gòu)安全性及耐久性等均起著至關(guān)重要的作用，國內(nèi)外學(xué)者對套筒灌漿材料的力學(xué)強(qiáng)度、流動(dòng)性及膨脹性等性能做了大量的研究[2]。本文引入氣凝膠作為套筒灌漿材料的添加劑并就其對套筒灌漿材料性能的影響進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 材料

唐山冀東水泥集團(tuán)生產(chǎn)的P·O 52.5普通硅酸鹽水泥；0.6 mm以下連續(xù)級配河砂；Sika 325C聚羧酸減水劑；日本電氣化學(xué)HP-CSA型膨脹劑；市售200目石英粉；自制粒徑400目、孔隙率98%、比表面積920 m2/g、接觸角140°氣凝膠。

1.2 方法

1）攪拌方法、流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度性能指標(biāo)參照J(rèn)G/T 408—2019《鋼筋連接用套筒灌漿材料》，終凝時(shí)間參照GBT 175—2007《通用硅酸鹽水泥》。

2）配合比見表1。

表1 試驗(yàn)原材料配合比

續(xù)表1

2 結(jié)果和討論

2.1 對流動(dòng)性的影響

氣凝膠作為添加劑引入到套筒灌漿材料體系加水?dāng)嚢韬?，其初始流?dòng)性和30 min流動(dòng)性見圖1。

圖1 不同氣凝膠摻量對套筒灌漿性能的影響

從圖1可以看出：隨著氣凝膠摻加量增加套筒灌漿材料的初始流動(dòng)性和30 min流動(dòng)性均有所增大且不存在明顯的沉降和泌水現(xiàn)象；當(dāng)氣凝膠材料的添加量增大到0.6 g以后，套筒灌漿材料的初始流動(dòng)性和30 min流動(dòng)性均趨于穩(wěn)定。

由于試驗(yàn)所用氣凝膠材料接觸角在140°左右具有一定的憎水效果[3]，降低了套筒灌漿材料的黏度，提高了套筒灌漿材料的流動(dòng)性能；氣凝膠具有較低的重度，摻量為0.4 g時(shí)開始出現(xiàn)明顯的上??；隨著摻量增大上浮現(xiàn)象越發(fā)明顯，導(dǎo)致在套筒灌漿材料中氣凝膠能夠起到作用的有效摻量比例降低，氣凝膠摻量增大對套筒灌漿材料流動(dòng)性能的增強(qiáng)效果減弱。

2.2 對終凝時(shí)間的影響

通過添加不同比例的氣凝膠材料對套筒灌漿材料的凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行了試驗(yàn)研究，見表2。

表2 不同摻加量氣凝膠對套筒灌漿材料終凝時(shí)間的影響

從表2可以看出：隨著氣凝膠添加量增加，套筒灌漿材料的終凝時(shí)間逐漸縮短。這是因?yàn)闅饽z材料對套筒灌漿材料中的水泥水化存在明顯誘導(dǎo)效應(yīng)，導(dǎo)致水泥水化速度增快，終凝時(shí)間縮短。

氣凝膠重度較小并有一定的疏水效果，因此套筒灌漿材料加水?dāng)嚢韬蟛糠謿饽z會分散在套筒灌漿材料中，部分會上浮在套筒灌漿材料表面，導(dǎo)致能夠?qū)λ嗨鸬秸T導(dǎo)效應(yīng)的氣凝膠有效組分降低；當(dāng)摻量超過0.4 g以后，氣凝膠在套筒灌漿材料中出現(xiàn)明顯的上浮現(xiàn)象，對套筒灌漿材料的水泥水化的誘導(dǎo)能力較低摻量時(shí)有所降低，因而隨著氣凝膠摻量的提高，套筒灌漿材料的凝結(jié)時(shí)間逐漸縮短，但對套筒灌漿材料水泥水化誘導(dǎo)能力有所降低。

2.3 對抗壓強(qiáng)度的影響

對添加不同氣凝膠摻量的套筒灌漿材料不同齡期的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對比研究，見圖2。

圖2 不同摻量的氣凝膠對套筒灌漿材料不同齡期抗壓強(qiáng)度性能的影響

從圖2可以看出：氣凝膠不同摻量的套筒灌漿材料各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度均有一定程度提高。對于1 d和3 d而言，氣凝膠引入后對套筒灌漿材料中水泥水化存在一定的誘導(dǎo)效應(yīng)，套筒灌漿材料中的水泥水化速度加快，從而凝結(jié)時(shí)間縮短，因而1 d和3 d抗壓強(qiáng)度有所提高。試驗(yàn)中所用的氣凝膠材料在制備過程中采用三甲基氯硅烷作為改性劑，因此具有明顯的疏水效應(yīng)并且重度較低[4]，在套筒灌漿材料加水?dāng)嚢韬蟠嬖诿黠@的上浮現(xiàn)象且隨著摻量的提高套筒灌漿材料體系中的氣凝膠上浮現(xiàn)象越發(fā)明顯，在套筒灌漿材料中氣凝膠的有效組分比例降低，隨著氣凝膠摻量的提高對套筒灌漿1 d和3 d抗壓強(qiáng)度的提升幅度降低；氣凝膠不同摻量的套筒灌漿材料28 d抗壓強(qiáng)度也有所提升，雖然氣凝膠對套筒灌漿材料中的水泥水化存在一定的誘導(dǎo)效應(yīng)，導(dǎo)致套筒灌漿材料早期強(qiáng)度有所提升，但對套筒灌漿材料遠(yuǎn)期抗壓強(qiáng)度沒有明顯的影響；摻加氣凝膠的套筒灌漿材料28 d遠(yuǎn)期抗壓強(qiáng)度提高的原因在于試驗(yàn)中所用的氣凝膠細(xì)度為400目，比套筒灌漿材料中的粉體材料具有更小的粒度，套筒灌漿材料經(jīng)過充分水化后體系更為均勻、致密，導(dǎo)致套筒灌漿材料28 d的遠(yuǎn)期抗壓強(qiáng)度有所提高；同時(shí)，氣凝膠在套筒灌漿材料加水?dāng)嚢韬蟠嬖谝欢ǖ纳细‖F(xiàn)象，導(dǎo)致雖然摻量增加但有效組分的比例卻在降低，對套筒灌漿材料遠(yuǎn)期抗壓強(qiáng)度的影響隨著摻量的提高有所弱化。

2.4 對表觀、沉降和泌水性的影響

氣凝膠的摻量增大上浮現(xiàn)象更加明顯且由于氣凝膠上浮帶出一定量的氣泡導(dǎo)致表面氣泡量明顯增多。在摻加氣凝膠的套筒灌漿材料中，由于氣凝膠具有一定的疏水性能，導(dǎo)致套筒灌漿材料加水?dāng)嚢韬髿饽z分散到套筒灌漿材料體系中，套筒灌漿材料黏度有所降低，流動(dòng)性能增強(qiáng)，出現(xiàn)輕微的沉降現(xiàn)象。在套筒灌漿材料中引入氣凝膠降低了體系黏度，對套筒灌漿材料的泌水性沒有明顯的影響。

3 結(jié)論

在套筒灌漿材料中引入低摻量的氣凝膠材料能夠降低套筒灌漿材料體系的黏度，從而提高流動(dòng)性；氣凝膠對套筒灌漿材料中的水泥水化具有一定的誘導(dǎo)效應(yīng)，因此能夠一定程度提高套筒灌漿材料的早期抗壓強(qiáng)度性；與此同時(shí)，由于氣凝膠材料具有較小的尺寸效應(yīng)，摻加了氣凝膠材料的套筒灌漿材料水化產(chǎn)物更為致密，從而具有更好的后期強(qiáng)度；由于氣凝膠較輕的重度和疏水性能，在套筒灌漿材料加水?dāng)嚢韬蟪霈F(xiàn)一定的上浮現(xiàn)象，同時(shí)帶出部分氣泡富集在套筒灌漿材料表面，導(dǎo)致套筒灌漿材料會產(chǎn)生輕微的沉降現(xiàn)象。