低負(fù)溫鋼筋套筒灌漿料發(fā)展研究綜述

吳興杰，肖 豪，劉廣英，張 昊，孟 飛，李衛(wèi)軍

(1.滁州學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，安徽 滁州 239000；2. 中鐵七局集團(tuán)第五工程有限公司，鄭州 450016；3.南京匯康網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，南京 211100)

裝配式建筑由于其節(jié)能、環(huán)保、建設(shè)周期短的特點(diǎn)，受到了前所未有的重視，近年來得到快速的發(fā)展[1-2]。鋼筋套筒灌漿連接作為裝配式建筑中構(gòu)件連接的重要方式，其套筒接頭連接質(zhì)量是影響裝配式混凝土結(jié)構(gòu)可靠度的關(guān)鍵因素，因此鋼筋套筒連接使用的灌漿料性能也得到了越來越多的關(guān)注和研究。對(duì)于常溫下使用的灌漿料，目前已經(jīng)得到較多研究。但是中國國土遼闊，高緯度及高海拔地區(qū)冬季溫度低、持續(xù)時(shí)間較長。例如黑龍江地區(qū)，每年滿足常溫施工條件的時(shí)間僅有4個(gè)月；青藏高原地區(qū)氣溫低、溫差大，年平均氣溫為-6.9～-4 ℃，1 a中出現(xiàn)日正負(fù)溫度交替的時(shí)間為180 d[3]。

鋼筋套筒灌漿料在低負(fù)溫環(huán)境中(環(huán)境溫度低于5 ℃)，會(huì)影響灌漿料的水化及強(qiáng)度增長，從而影響裝配式建筑整體的可靠度[4]。因此，研制適用于低負(fù)溫環(huán)境下使用的灌漿料對(duì)于裝配式建筑的冬季施工和推廣顯得極為重要。當(dāng)前，針對(duì)低負(fù)溫套筒灌漿料，主要是通過改變膠凝材料的組成、添加不同的摻合料和外加劑對(duì)其進(jìn)行配制及應(yīng)用研究。

1 膠凝材料對(duì)低負(fù)溫灌漿料的影響

膠凝材料作為灌漿料的主要組成成分，很大程度上決定了灌漿料在低負(fù)溫條件下的物理力學(xué)性質(zhì)。很多學(xué)者利用不同種類的水泥進(jìn)行灌漿料的配制，并研究相應(yīng)灌漿料的物理力學(xué)性能[5]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中經(jīng)常采用快硬水泥、普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥中的一種或幾種相互摻和，作為低負(fù)溫灌漿料的膠凝材料[6]。

朱清華等[7]利用快硬水泥作為膠凝材料配制了低負(fù)溫鋼筋套筒灌漿料。主要利用快硬水泥負(fù)溫水化活性高[8]，在低負(fù)溫條件下水化速率比普通硅酸鹽水泥快得多，且在較短時(shí)間內(nèi)能夠獲得較高強(qiáng)度[9]。但由于快硬水泥凝結(jié)速度過快[10]，初凝時(shí)間在30～50 min，終凝時(shí)間在40～90 min，需要對(duì)快硬水泥凝結(jié)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，使灌漿料具有足夠的施工操作時(shí)間。

董淑慧等[11]、謝松等[12]、馬正先等[13]在普通硅酸鹽水泥的基礎(chǔ)上摻加硫鋁酸鹽水泥作為低負(fù)溫套筒灌漿料的膠凝材料。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，膠凝材料中硫鋁酸鹽水泥含量的增加會(huì)使灌漿料的流動(dòng)度降低，同時(shí)使灌漿料抗壓強(qiáng)度有一定的增長，但增長幅度較小。

馬正先等[13]、李本友等[14]在普通硅酸鹽水泥中復(fù)配高鋁水泥作為膠凝材料。由于高鋁水泥水化產(chǎn)物為CAH10或C2AH8及AH3凝膠，會(huì)與普通硅酸鹽水泥水化生成的Ca(OH)2反應(yīng)而快速轉(zhuǎn)變?yōu)镃3AH6，而Ca(OH)2的大量消耗又會(huì)進(jìn)一步加快水泥的水化；同時(shí)，當(dāng)普通硅酸鹽水泥中的石膏同鋁酸鹽發(fā)生反應(yīng)后，就無法起到緩凝的作用。因此，以普通硅酸鹽水泥復(fù)配高鋁水泥作為膠凝材料的灌漿料水化速度非常迅速，強(qiáng)度增長較快。灌漿料的流動(dòng)度隨著高鋁水泥含量的增加而減小，當(dāng)高鋁水泥的摻量達(dá)到膠凝材料總量的45%時(shí)，灌漿料漿體基本喪失流動(dòng)性。灌漿料的強(qiáng)度隨著膠凝材料中高鋁水泥含量的增加而明顯升高。僅含有普通硅酸鹽水泥的灌漿料在-5 ℃環(huán)境下凝結(jié)硬化的速度很慢，齡期3 d時(shí)的強(qiáng)度也僅為10 MPa左右，如圖1所示；高鋁水泥的含量達(dá)到25%時(shí)，灌漿料在-5 ℃條件下養(yǎng)護(hù)1 d后，灌漿料抗壓強(qiáng)度可達(dá)到30 MPa。隨著高鋁水泥含量的增加，灌漿料在負(fù)溫環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度接近于常溫養(yǎng)護(hù)的抗壓強(qiáng)度。

圖1 高鋁水泥摻量對(duì)流動(dòng)度和1 d抗壓強(qiáng)度的影響[14]

另外，李本友等[14]同時(shí)將普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和高鋁水泥三者混合配制低溫灌漿料，發(fā)現(xiàn)三者復(fù)配后灌漿料的性能比任意兩種水泥復(fù)配的強(qiáng)度都高。

2 礦物摻合料對(duì)低負(fù)溫灌漿料的影響

礦物摻合料可以明顯改善水泥基材料的工作性能以及硬化漿體的各項(xiàng)指標(biāo)，在水泥基材料中有著廣泛的應(yīng)用。礦物摻合料對(duì)水泥基材料性能的改善效果與礦物摻合料的種類、粒徑分布、顆粒形貌、親水性等特征密切相關(guān)。很多學(xué)者通過在常溫灌漿料中添加礦物摻合料以調(diào)整灌漿料的性能[15]，使灌漿料能夠適應(yīng)低負(fù)溫的施工環(huán)境，經(jīng)常選用的礦物摻合料主要有礦粉、粉煤灰和硅灰。

礦粉中的主要活性物質(zhì)為SiO2和Al2O3，同水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2反應(yīng)生成具有粘結(jié)作用的C-S-H和AH3凝膠，逐漸填充骨架的空隙，從而使水泥石結(jié)構(gòu)更為密實(shí)，增強(qiáng)了水泥漿與骨料的結(jié)合，改變了套筒灌漿料的微觀結(jié)構(gòu)[16]。而粉煤灰的顆粒較細(xì)，在灌漿料中產(chǎn)生“填充效用”和“微骨料效應(yīng)”[17]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著礦粉和粉煤灰含量的增加，灌漿料的初始流動(dòng)度和30 min流動(dòng)度都逐漸下降，分析認(rèn)為是由于摻加的礦粉和粉煤灰起到了填充的作用。隨著礦粉和粉煤灰含量的增加，不同齡期灌漿料抗壓強(qiáng)度都呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，如圖2所示。當(dāng)?shù)V粉與粉煤灰含量偏少時(shí)，隨著摻合料含量的增加，摻合料的反應(yīng)產(chǎn)物使灌漿料逐漸密實(shí)，強(qiáng)度逐漸增加；隨著礦粉與粉煤灰含量的繼續(xù)增加，膠凝材料含量相對(duì)減少，導(dǎo)致灌漿料強(qiáng)度開始逐漸降低[18]。

硅灰摻入灌漿料后，硅灰顆粒分散在水泥顆粒之間，硅灰表面的活性物質(zhì)使硅灰顆粒相互排斥，而且硅灰顆粒的粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水泥顆粒粒徑，水泥顆粒在灌漿料中會(huì)被分散，因而硅灰能夠在灌漿料中起到潤滑的作用，因此，硅灰的摻入會(huì)使灌漿料的流動(dòng)性有所增加[19]。隨著灌漿料中硅灰摻量的增加，灌漿料的抗折強(qiáng)度先增加后減小，而抗壓強(qiáng)度變化不大。

圖2 礦粉摻量對(duì)灌漿料抗壓強(qiáng)度的影響[15]

3 外加劑對(duì)低負(fù)溫灌漿料的影響

外加劑種類豐富，能夠明顯改善灌漿料的性能，在水泥基材料中得到廣泛的應(yīng)用。在研制低負(fù)溫套筒灌漿料的過程中，很多學(xué)者通過向灌漿料中添加各種外加劑，以使灌漿料滿足在低負(fù)溫條件下使用的要求，常用的外加劑有防凍劑、早強(qiáng)劑、緩凝劑和激發(fā)劑，如表1所示。

表1 低負(fù)溫灌漿料常用的外加劑

防凍劑主要選用的材料有硝酸鈉、甲酸鈣、碳酸鈉和硫酸鈉。整體而言，防凍劑的摻入，在標(biāo)準(zhǔn)條件和低溫環(huán)境下均可以提高灌漿料的強(qiáng)度[13]。但是不同種類的防凍劑對(duì)于灌漿料的影響各有區(qū)別。李本友等[14]利用硝酸鈉和甲酸鈣作為防凍劑摻入到灌漿料中，發(fā)現(xiàn)硝酸鈉和甲酸鈣會(huì)略微影響灌漿料抗壓強(qiáng)度，但影響不大。馬正先等[20]分別以硝酸鈉、甲酸鈣、硫酸鈉作為防凍劑，發(fā)現(xiàn)隨防凍劑摻量增加，灌漿料流動(dòng)度呈減小趨勢。硝酸鈉和甲酸鈣使灌漿料強(qiáng)度先增加后減?。涣蛩徕c使灌漿料強(qiáng)度增加。

早強(qiáng)劑主要選用的材料是碳酸鋰。碳酸鋰的主要成分為Li2CO3，其與水泥的水化產(chǎn)物Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)，能夠生成高堿度的LiOH，從而使水泥水化環(huán)境的堿度得到提高。而OH-可取代Al3+周圍的水分子，降低[Al(OH)6]3-八面體成核的自由能和晶核的臨界尺寸，這種變化使晶核的生成速率增大，使[Al(OH)6]3-八面體更容易形成。同時(shí)，LiOH是強(qiáng)堿，在水中電解后產(chǎn)生的Li+與OH-形成四配位結(jié)構(gòu)，該四配位結(jié)構(gòu)可促進(jìn)[Al(OH)6]3-八面體的聚合。因此，Li2CO3可以加速水泥的水化進(jìn)程。馬正先等[20]發(fā)現(xiàn)碳酸鋰含量的增加會(huì)加速灌漿料的凝結(jié)，使灌漿料的強(qiáng)度有一定增加。但董淑慧等[11]發(fā)現(xiàn)隨著碳酸鋰摻入量的增加會(huì)削弱灌漿料抗壓強(qiáng)度。

緩凝劑主要選用的材料有石膏、酒石酸和硼砂。緩凝劑的添加會(huì)使灌漿料凝結(jié)緩慢，并導(dǎo)致灌漿料強(qiáng)度降低。石膏緩凝機(jī)理在于其能夠消耗水化鋁酸鈣而生成鈣礬石，鈣礬石的生成有利于提高灌漿料的早期強(qiáng)度，同時(shí)可以減小水泥收縮。另外，在高濃度Ca(OH)2溶液中，鈣礬石生成的過程會(huì)使大量水聚集，進(jìn)而引起膨脹。酒石酸能夠明顯延緩灌漿料的初凝和終凝，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致灌漿料在負(fù)溫下凝結(jié)緩慢，使灌漿料的強(qiáng)度稍有削弱。酒石酸具有表面活性，吸附在水泥顆粒表面生成不溶性鈣鹽的膜層，產(chǎn)生緩凝作用。李本友等[14]向灌漿料中添加石膏和酒石酸，發(fā)現(xiàn)兩者均具有延緩灌漿料凝結(jié)的作用，但兩者摻量的增加均會(huì)使灌漿料抗壓強(qiáng)度降低。馬正先等[20-21]發(fā)現(xiàn)向灌漿料中添加過量石膏，會(huì)使灌漿料強(qiáng)度快速降低。顧旭東等[22]利用硼砂作為緩凝劑發(fā)現(xiàn)，隨著硼砂摻量的增加，灌漿料流動(dòng)度逐漸增加，凝結(jié)時(shí)間延長。當(dāng)硼砂摻量達(dá)到0.7%時(shí)，30 min流動(dòng)度反而超過初始流動(dòng)度；而當(dāng)摻量超過0.7%后，灌漿料就會(huì)產(chǎn)生離析和泌水的現(xiàn)象。

另外，謝松等[23]以七鋁酸十二鈣作為激發(fā)劑摻加到灌漿料中，發(fā)現(xiàn)激發(fā)劑的摻量對(duì)灌漿料流動(dòng)度和凝結(jié)時(shí)間的影響不大，但可以使灌漿料4 h抗壓強(qiáng)度大幅度增加。

4 當(dāng)前研究的不足及研究方向展望

可以看出，很多學(xué)者針對(duì)低負(fù)溫灌漿料研制已經(jīng)做出了大量的工作和努力，但低負(fù)溫灌漿料的研究涉及的內(nèi)容較為廣泛，根據(jù)已有文獻(xiàn)對(duì)當(dāng)前研究現(xiàn)狀的總結(jié)發(fā)現(xiàn)還存在以下不足：

1)微觀機(jī)理研究不足。目前的研究大多通過改變膠凝材料組成、添加摻合料和外加劑的方法改變灌漿料的組成，研究不同組成成分對(duì)灌漿料宏觀物理力學(xué)性能的影響，如流動(dòng)度、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等。但是，灌漿料的宏觀物理力學(xué)性能是由各組成成分的綜合水化反應(yīng)結(jié)果所決定的[24]，還要從微觀角度研究灌漿料各組成成分水化反應(yīng)過程，探究灌漿料物理力學(xué)性質(zhì)微觀機(jī)理的研究不足。針對(duì)灌漿料微觀機(jī)理研究存在的主要困難在于兩個(gè)方面：第一，灌漿料的水化反應(yīng)結(jié)果并非是各組成成分水化結(jié)果的集合，水化過程中各組成成分之間會(huì)產(chǎn)生相互的影響，灌漿料的組成成分比較復(fù)雜，膠凝材料可以有多種組成，同時(shí)還可能摻加多種礦物摻合料和外加劑，從微觀上分析將是一種更為復(fù)雜的反應(yīng)進(jìn)程。第二，從微觀角度進(jìn)行機(jī)理研究需要新的研究手段，針對(duì)灌漿料的化學(xué)組成及微觀形貌進(jìn)行研究，對(duì)灌漿料水化過程及水化結(jié)果進(jìn)行機(jī)理分析。

2)灌漿料與鋼材的協(xié)同工作性能研究不足。當(dāng)前研究主要針對(duì)灌漿料本身的物理力學(xué)性能，但在實(shí)際應(yīng)用中，灌漿料需要和套筒、鋼筋共同工作。因此，在當(dāng)前針對(duì)灌漿料性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)該進(jìn)一步開展灌漿料和套筒、鋼筋的協(xié)同工作性能研究。

針對(duì)低負(fù)溫灌漿料應(yīng)用的發(fā)展趨勢及當(dāng)前研究的欠缺，未來針對(duì)低負(fù)溫套筒灌漿料的研究可以從如下方面進(jìn)行：

1)宏觀與微細(xì)觀研究的結(jié)合。利用XRD及SEM等手段研究灌漿料的水化過程及微觀結(jié)構(gòu)的形成，并根據(jù)宏觀物理力學(xué)性質(zhì)，建立宏觀性質(zhì)與微細(xì)觀結(jié)構(gòu)間的聯(lián)系，從而探究灌漿料不同組成成分對(duì)其性能影響的機(jī)理。

2)養(yǎng)護(hù)條件對(duì)灌漿料力學(xué)性能的影響。灌漿料力學(xué)性質(zhì)除受自身組成成分影響外，還較大程度受到養(yǎng)護(hù)條件的影響?？梢酝ㄟ^改變養(yǎng)護(hù)條件，分析灌漿料力學(xué)性能的變化規(guī)律，探究養(yǎng)護(hù)條件對(duì)低負(fù)溫灌漿料力學(xué)性能的影響。

3)鋼筋套筒灌漿試件整體性能研究。在低負(fù)溫灌漿料性能及機(jī)理研究的基礎(chǔ)之上，利用鋼筋套筒、鋼筋及低負(fù)溫灌漿料，制作鋼筋套筒灌漿試件，根據(jù)低負(fù)溫環(huán)境下試件的性能發(fā)展，研究低負(fù)溫灌漿料同鋼筋套筒、鋼筋之間的協(xié)同作用效果，以及灌漿料與鋼材之間的耦合性能。

5 結(jié)束語

隨著裝配式建筑的不斷發(fā)展，適用于低負(fù)溫環(huán)境的套筒灌漿料的研制迫在眉睫，很多學(xué)者已經(jīng)針對(duì)低負(fù)溫灌漿料的研制做了大量的工作和努力，從低負(fù)溫灌漿料的研制到工程應(yīng)用還有很多的問題需要解決。可以預(yù)見，低負(fù)溫套筒灌漿料的使用對(duì)于裝配式建筑在冬季和高海拔地區(qū)施工都具有重要的作用。