環(huán)保型套筒灌漿料的配合比設(shè)計及性能研究

胡 星，陳東平，余林文，汪文文，吳文杰

(1.四川省建筑科學(xué)研究院有限公司，成都 610081；2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045；3.重慶市渝北區(qū)建設(shè)工程質(zhì)量檢測所，重慶 401120)

0 引 言

發(fā)展裝配式建筑是推進(jìn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和新型城鎮(zhèn)化發(fā)展的重要舉措，是建筑行業(yè)貫徹綠色、創(chuàng)新發(fā)展理念的具體體現(xiàn)，是推進(jìn)建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級、實現(xiàn)建筑產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的重要抓手。在裝配式建筑中，鋼筋連接技術(shù)是影響裝配式混凝土結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。它關(guān)系到整個裝配式建筑的安全和使用壽命。目前，國內(nèi)外大多使用的是套筒灌漿連接技術(shù)。為了保證結(jié)構(gòu)整體的安全，需要對套筒灌漿料的性能提出以下要求：力學(xué)性能優(yōu)異、流動性高，具有早期微膨脹性。

近幾年來，國內(nèi)外研究學(xué)者主要研究了以硅酸鹽水泥[1-3]、硫鋁酸鹽水泥[4]、硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合[5]為主要膠凝材料來制備套筒灌漿料，但是對堿礦渣水泥為膠凝材料來制備灌漿料的研究較少。與普通硅酸鹽水泥相比，堿礦渣水泥的主要原料為工業(yè)煉鐵副產(chǎn)物礦渣[6-7]，是一種無熟料水泥，成本較低，磨碎后便可直接使用。水玻璃激發(fā)堿礦渣水泥的水化產(chǎn)物主要是C-S-H凝膠[8-9]，無Ca(OH)2存在[9]，與普通硅酸鹽水泥相比，其早期強度高[10-11]，后期強度持續(xù)發(fā)展并且耐久性好[12]?，F(xiàn)有研究表明[10,13],通過摻入緩凝劑能夠調(diào)控堿礦渣水泥的凝結(jié)時間，使其滿足正常施工要求。由于堿礦渣體系是強堿體系，導(dǎo)致一些高性能減水劑在堿礦渣體系中失去作用，相關(guān)研究表明，萘系減水劑對堿礦渣水泥的流動性有一定的改善作用[14-15]。

本文基于最緊密堆積理論(Dinger-Funk方程)，堿礦渣水泥作為膠凝材料，粉煤灰漂珠為礦物摻合料并用銅尾礦部分取代天然河砂作細(xì)骨料，使其粉體材料達(dá)到最緊密堆積，從而降低漿料孔隙率，提高其抗壓強度。本試驗在顆粒擬合曲線的基礎(chǔ)上，通過抗壓強度、流動度、豎向膨脹率性能試驗來驗證套筒灌漿料的最優(yōu)配比,并利用SEM來觀察其表觀形貌特征。

1 實 驗

1.1 原材料

采用重慶鋼鐵集團的水淬高爐礦渣(SL)，比表面積為440 m2/kg,密度2 860 kg/m3,其化學(xué)成分見表1；采用鞏義市元亨凈水材料廠生產(chǎn)的粉煤灰漂珠(F)作為礦物摻合料，密度為800 kg/m3，其化學(xué)成分見表1；采用重慶井口公司生產(chǎn)的水玻璃(WG)作為激發(fā)劑，其物理化學(xué)性質(zhì)見表2；選用新疆天業(yè)化工廠生產(chǎn)的NaOH來調(diào)節(jié)水玻璃的模數(shù)，工業(yè)純，純度≥96%；緩凝劑選用重慶科龍化工集團生產(chǎn)的硝酸鋇，純度≥99%；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)的萘系減水劑；塑性膨脹劑為上海欽和化工有限公司生產(chǎn)，黃色粉末，化學(xué)組成見表3；細(xì)骨料采用粒徑小于2.36 mm的洞庭湖中砂(S)，表觀密度為2 600 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.7；銅尾礦(CT)產(chǎn)自江西，表觀密度為2 720 kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.0。原材料的粒徑分布圖如圖1所示；粉煤灰漂珠的微觀形貌如圖2所示；銅尾礦的微觀形貌如圖3所示。

表1 原材料的化學(xué)組成

表2 水玻璃的物理化學(xué)性質(zhì)

表3 塑性膨脹劑的主要化學(xué)組成

圖1 原材料的粒徑分布圖

圖2 不同放大倍數(shù)的粉煤灰漂珠SEM照片

圖3 不同放大倍數(shù)的銅尾礦SEM照片

圖4 顆粒堆積曲線與目標(biāo)曲線

1.2 配合比設(shè)計

本次試驗基于Dinger-Funk[16]方程的最緊密堆積理論，對套筒灌漿料的配合比進(jìn)行設(shè)計。在粉體中引入最小粒徑限制對Andreasen方程進(jìn)行了修正，得出改進(jìn)后的方程如下式：

(1)

式中：P(D)為篩下累計百分?jǐn)?shù);Dmax為堆積體中顆粒的最大粒徑;Dmin為堆積中顆粒的最小粒徑;q為分布模數(shù);D為顆粒粒徑。分布模數(shù)q主要影響粗顆粒和細(xì)顆粒的比例。有相關(guān)學(xué)者通過研究指出：在對自密實混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計時，分布模數(shù)q通常在0.22～0.25之間選擇[17]。在本試驗中選取分布模數(shù)q為0.23。

根據(jù)Dinger-Funk方程可以計算出顆粒堆積的目標(biāo)(Target)曲線，此時就是原材料的粒度分布堆積曲線與目標(biāo)曲線的擬合問題，可以使用最小二乘法保證RSS最小即可[18-19]。最小二乘法公式如下：

(2)

式中：RSS為殘差平方和;n為Dmin到Dmax的步數(shù);Pmix(Di)為混合堆積曲線在Di時的篩下累積百分?jǐn)?shù);Ptar(Di)為目標(biāo)堆積曲線在Di時的篩下累積百分?jǐn)?shù)。

根據(jù)Dinger-Funk方程可以計算出顆粒堆積的目標(biāo)(Target)曲線，此時就是原材料的粒度分布堆積曲線(P)與目標(biāo)曲線的擬合問題，當(dāng)殘差平方和最小時，即為最緊密堆積狀態(tài)，擬合曲線如圖4所示。求解結(jié)果如表4所示。

表4 基于Dinger-Funk模型的灌漿料配合比的優(yōu)化求解結(jié)果

在求得其最優(yōu)解后，對其配合比進(jìn)行驗證，配合比均為質(zhì)量配合比(下同)，試驗中固定水膠比為0.4，堿當(dāng)量(Na2O)為6%(基于膠凝材料的比例)，緩凝劑(Ba(NO3)2)摻量為0.5%(基于膠凝材料的比例)，萘系減水劑摻量為1%(基于膠凝材料的比例)，以上均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)(下同)。設(shè)計配合比如表5所示，其中1號為求解出的最優(yōu)配比，2～6號研究塑性膨脹劑對套筒灌漿料性能的影響，7～9號研究粉煤灰漂珠對套筒灌漿料性能的影響，10～12號研究銅尾礦對套筒灌漿料性能的影響，13～14號研究砂膠比對套筒灌漿料性能的影響。

表5 試驗配合比

1.3 試驗方法

(1)流動度試驗：根據(jù)JG/T 408—2013《鋼筋連接套筒灌漿料》附錄A進(jìn)行測試，測其水平方向和垂直方向直徑，計算平均值，加水?dāng)嚢?0 min后，測定30 min流動度。

(2)抗壓強度試驗：抗壓強度按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗(ISO法)》規(guī)定，用40 mm×40 mm×160 mm的鋼膜成型后，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d、3 d、28 d測定其抗壓強度。

(3)豎向膨脹率試驗：豎向膨脹率測試按照J(rèn)G/T 408—2013《鋼筋連接套筒灌漿料》附錄C進(jìn)行測試，測定3 h、24 h豎向膨脹率，整個操作控制室溫在(20±2) ℃。

(4)電鏡(SEM)試驗：用無水乙醇終止水化，干燥箱烘干至恒重密封保存，送樣測試。測試儀器為捷克TESCAN 公司生產(chǎn)的VEGA 3 LMH 鎢燈絲掃描電鏡進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 塑性膨脹劑對套筒灌漿料性能的影響

塑性膨脹劑對套筒灌漿料的性能影響如圖5所示。圖5(a)表明套筒灌漿料3 h、24 h的豎向膨脹率隨著塑性膨脹劑摻量的增加不斷增大。這是因為塑性膨脹劑能夠在堿性環(huán)境中產(chǎn)生氣體，在體系中摻入塑性膨脹劑的質(zhì)量過多時，其就會迅速地和堿發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致氣體生成量變多，使得套筒灌漿料呈現(xiàn)早期微膨脹效果,當(dāng)塑性膨脹劑摻量為0.20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時，3 h豎向膨脹率為0.20%，24 h豎向膨脹率為0.36%。圖5(b)表明塑性膨脹劑摻量超過0.20%時，早期抗壓強度降低，當(dāng)塑性膨脹劑摻入量過多時，氣體生成量過多，導(dǎo)致體系中的氣孔量過多，早期抗壓強度降低。圖5(c)表明隨著塑性膨脹劑摻量的增大，套筒灌漿料的流動度逐漸增大，但是當(dāng)摻量超過0.20%后，增加效果并不明顯。因為摻入塑性膨脹劑后，由于塑性膨脹劑有一定的塑化作用，會使體系流動度稍微提升。這和賈璐璐[20]研究塑性膨脹劑對套筒灌漿料性能影響所得到的結(jié)果相近。通過以上試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，摻量為0.20%可以保證套筒灌漿料的早期微膨脹性能，提升流動性并且對力學(xué)性能負(fù)面影響較小，因此在本試驗后續(xù)研究中塑性膨脹劑的摻量設(shè)定為0.20%。

圖5 塑性膨脹劑對套筒灌漿料性能的影響

2.2 粉煤灰漂珠對套筒灌漿料性能的影響

粉煤灰漂珠對套筒灌漿料性能的影響如圖6所示。由圖6(a)可知摻入粉煤灰漂珠后，套筒灌漿料抗壓強度降低，粉煤灰漂珠摻量為12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時，1 d、3 d和28 d抗壓強度分別為37.2 MPa、63.0 MPa、86.4 MPa。雖然礦渣和粉煤灰漂珠都是鋁硅酸鹽材料，但礦渣的主要成分為CaO和SiO2，而粉煤灰漂珠的主要成分為Al2O3和SiO2,相關(guān)學(xué)者研究表明[8-9]：在堿激發(fā)材料中，Ca含量對其強度發(fā)展有著重要影響，Ca能夠直接使網(wǎng)絡(luò)玻璃體解聚，從礦渣和粉煤灰漂珠的主要成分來看，礦渣的Ca含量相對較高。因此在礦渣和粉煤灰漂珠組成的膠凝體系中，隨著粉煤灰漂珠摻量的增多，抗壓強度會降低，同時粉煤灰漂珠是一種空心玻璃體，在堿的激發(fā)作用下，水化速率比礦渣慢，C-S-H凝膠生成量減少，表現(xiàn)為早期抗壓強度降低。由圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，隨著粉煤灰漂珠摻量的增大，套筒灌漿料的初始流動度和30 min流動度均不斷增大。這是因為粉煤灰漂珠的形狀為球形顆粒，粉煤灰漂珠能夠在緊密堆積體系中起到潤滑和滾珠的作用，從而減小顆粒之間摩擦力，提高漿體的流動度。由圖6(c)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉煤灰漂珠的摻量為12%時，顆粒堆積曲線與目標(biāo)曲線最相近，此時體系處于最密堆積狀態(tài)。通過實驗數(shù)據(jù)分析可知粉煤灰漂珠最佳摻量為12%。

圖6 粉煤灰漂珠對套筒灌漿料性能的影響

2.3 銅尾礦對套筒灌漿料性能的影響

銅尾礦部分取代天然砂做細(xì)骨料，其對套筒灌漿料的性能影響如圖7所示。由圖7(a)可以發(fā)現(xiàn),在銅尾礦摻量為13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時，各齡期抗壓強度均達(dá)到最大值。這是因為：(1)銅尾礦的粒徑比天然河砂小，用銅尾礦部分取代天然河砂后，能夠改善細(xì)骨料級配[21]；(2)由圖3可以發(fā)現(xiàn),銅尾礦的表面分布有許多棱角，咬合力大，而且銅尾礦是由銅礦石破碎后形成的，堅固性比河砂高[21-22]；(3)由圖7(c)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)銅尾礦摻量為13%時顆粒堆積曲線與目標(biāo)曲線最為接近，此時體系達(dá)到最緊密堆積狀態(tài)，強度最高。綜上所述，加入一定量的銅尾礦會增加套筒灌漿料的抗壓強度，而當(dāng)銅尾礦摻量過多時，由于其粒徑比較小，會導(dǎo)致漿體的需水量增大，從而使得拌合物比較干稠、粘度增大，不利于礦渣的水化，使得套筒灌漿料的抗壓強度逐漸降低。由圖7(b)可以發(fā)現(xiàn),加入銅尾礦后，體系流動度會降低。當(dāng)摻量為13%時，初始流動度為340 mm，30 min流動度為280 mm。銅尾礦粒徑比河砂小，銅尾礦的摻入會導(dǎo)致需水量增加，在相同水膠比時，摻銅尾礦試樣的流動度比未摻銅尾礦的小,因此銅尾礦的最佳摻量為13%。

圖7 銅尾礦對套筒灌漿料性能的影響

2.4 砂膠比對套筒灌漿料性能的影響

砂膠比對套筒灌漿料性能的影響如圖8所示。由圖8(a)可知，在砂膠(質(zhì)量)比(S/B)為1.1時，套筒灌漿料各齡期抗壓強度達(dá)到最大值，1 d、3 d和28 d抗壓強度分別為37.2 MPa、63.0 MPa和86.4 MPa。由圖8(c)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)砂膠比為1.1時，顆粒堆積曲線與通過Dinger-Funk方程求解的目標(biāo)曲線最為接近，此時體系處于最緊密堆積狀態(tài)，因此表現(xiàn)為抗壓強度最高，當(dāng)砂膠比過大時，由于細(xì)骨料含量的增多，導(dǎo)致沒有足夠多的膠凝材料填充細(xì)骨料中的孔隙，使得漿料抗壓強度降低[23]。由圖8(b)可知,隨著砂膠比的增大，套筒灌漿料的流動度逐漸降低。砂膠比的增大，導(dǎo)致細(xì)骨料的量增多，而膠凝材料的總量減少，體系中的細(xì)骨料無法完全被膠凝材料包裹，因此細(xì)骨料之間的摩擦力增大，使得漿體的流動度降低[24]。

圖8 砂膠比對套筒灌漿料性能的影響

2.5 掃描電鏡分析

基于Dinger-Funk方程的最緊密堆積理論設(shè)計配比并進(jìn)行研究其相關(guān)性能，最佳配合比為：粉煤灰漂珠摻量12%，銅尾礦摻量為13%，塑性膨脹劑摻量為0.20%，砂膠比為1.1。水化產(chǎn)物的微觀形貌如圖9所示。從圖9(a)可以看到水化產(chǎn)物中有許多均勻微小的氣孔，這是因為在塑性膨脹劑的作用下產(chǎn)生部分氣孔，這些氣孔會導(dǎo)致套筒灌漿料在3 h和24 h持續(xù)膨脹，同時在圖9(a)中可以發(fā)現(xiàn)在早期水化產(chǎn)物中已經(jīng)有部分C-S-H凝膠生成，從而保證了早期抗壓強度。從圖9(b)可以看到，隨著礦渣的繼續(xù)水化，氣孔消失，C-S-H凝膠生成量增多，整體結(jié)構(gòu)較為致密，使得抗壓強度持續(xù)發(fā)展。

圖9 水化產(chǎn)物SEM照片

3 結(jié) 論

(1)隨著塑性膨脹劑摻量的增加，套筒灌漿料的3 h、24 h豎向膨脹率均不斷增大，同時流動度也逐漸增大，但是摻量過大時會導(dǎo)致強度降低，通過分析塑性膨脹劑對套筒灌漿料流動度、抗壓強度及豎向膨脹率的影響，塑性膨脹劑最佳含量摻量為0.20%。

(2)用堿礦渣水泥作膠凝材料，并基于Dinger-Funk方程的最緊密堆積理論來設(shè)計配比，當(dāng)水膠質(zhì)量比為0.4時，粉煤灰漂珠質(zhì)量摻量為12%(基于膠凝材料比例)，礦渣質(zhì)量摻量為88%(基于膠凝材料比例)，銅尾礦質(zhì)量摻量為13%(基于細(xì)骨料比例)，天然河砂質(zhì)量摻量為87%(基于細(xì)骨料比例)，砂膠質(zhì)量比為1.1時，體系為最緊密堆積狀態(tài)。

(3)在上述配合比基礎(chǔ)上，用水玻璃激發(fā)，堿當(dāng)量(Na2O)為6%(基于膠凝材料的比例)，緩凝劑(Ba(NO3)2)質(zhì)量摻量為0.5%(基于膠凝材料的比例)，萘系減水劑質(zhì)量摻量為1%(基于膠凝材料的比例)。對不同配合比進(jìn)行驗證，結(jié)果表明上述配合比即為最優(yōu)配合比。制備出初始流動度340 mm，30 min流動度280 mm，1 d抗壓強度37.2 MPa，3 d抗壓強度63.0 MPa，28 d抗壓強度86.4 MPa，3 h豎向膨脹率為 0.20%，24 h豎向膨脹率為0.36%，各項性能均滿足JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的要求的套筒灌漿料。