鋼筋套筒灌漿料的研制與效果評價

馬先偉，趙林林，尤培波，武海榮，朱 凱，張建武

(河南城建學院 土木與交通工程學院，河南 平頂山 467036)

裝配式混凝土建筑是目前主推建筑結構形式之一，鋼筋套筒灌漿連接是混凝土剪力墻和承壓柱豎向鋼筋連接的推薦方式。灌漿料作為鋼筋和套筒之間的黏結材料，其性能好壞直接影響鋼筋連接的牢固性和結構的安全性。

目前，鋼筋套筒灌漿料按組成可分為硅酸鹽水泥+膨脹劑、硫鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥復合。膨脹劑雖對硅酸鹽水泥高強灌漿料的早期強度和抗收縮性有利，但會降低后期強度[1]，且膨脹量和膨脹持續(xù)時間難以做到與自收縮發(fā)展相匹配。硫鋁酸鹽水泥灌漿料雖早期強度較高，但后期強度難以達到要求。硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥復合灌漿料兼顧了硫鋁酸鹽水泥的早強特性和硅酸鹽水泥后期強度穩(wěn)步增長的特點，但其性能對它們的比例非常敏感。滕飛、楊清等發(fā)現(xiàn)了隨著硫鋁酸鹽水泥增加，凝結時間快速降低，流動性降低，抗壓強度在20%前降低，此后持續(xù)增加[2-3]。任宏偉等[4]發(fā)現(xiàn)：當硫鋁酸鹽水泥占水泥總量的比例小于50%時，1 d強度在20 MPa以下，當超過60%時，可以達到35 MPa。然而，黃石明等[5]發(fā)現(xiàn)當硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥比例為28、硅灰摻量3%和水膠比0.22時，1 d和3 d抗壓強度分別達到36.9 MPa和63.6 MPa。這種結果的差異與硫鋁酸鹽水泥組成和種類有關。因此，需要結合具體的硫鋁酸鹽水泥做進一步研究。

施工中穩(wěn)定的流動度是保證澆筑質量的前提，但若流動度損失小，勢必會影響到早期強度，兩者難平衡性導致灌不滿現(xiàn)象非常普遍?？镏酒降萚6]發(fā)現(xiàn)鋼筋與灌漿料間的黏結承載力主要受灌漿料飽滿度影響。陳曦等[7]發(fā)現(xiàn)灌漿飽滿度對連接試件的拉伸性能有顯著影響，較低的飽滿度會導致鋼筋滑移破壞。此外，灌漿飽滿度也難以評價或評價方法不易實施。因此，本文采用硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥復合配制灌漿料，研究其比例變化對灌漿料流動性、強度和豎向膨脹率影響，同時通過圖像法和拉伸法來評價灌漿料和套筒及鋼筋的結合力，為鋼筋套筒灌漿料的制備和效果評價提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

水泥采用平頂山大地水泥有限公司生產(chǎn)的PO42.5，硫鋁酸鹽水泥為42.5低堿度硫鋁酸鹽水泥；粉煤灰采用姚孟電廠的II級灰，硅灰采用洛陽匯矽微硅，高吸水樹脂SAP采用D50為100 μm的粉狀顆粒，早強劑采用三乙醇胺，砂子采用天然河砂，粒徑在0.15～2.36 mm，含泥量小于0.5%。減水劑采用科之潔的聚羧酸減水劑，固含量40%。

套筒采用中建機械洛陽有限公司生產(chǎn)的滾壓型全灌漿套筒，型號為GTJQ 16。套筒外徑D2為42 mm；套筒總長L為310 mm；預制端錨固長度L0為135 mm；裝配端錨固長度L1為135 mm。鋼筋和木制仿制筋的直徑為16 mm，其中鋼筋等級為HRB600。

1.2 試驗方法

將水泥、硅灰、粉煤灰、早強劑、減水劑和水先慢速攪拌30 s，然后快速攪拌2 min，再加入河砂快速攪拌1 min。

灌漿料的流動度、強度和豎向膨脹率按照 《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JG/T 408-2019)提供的方法進行。試驗溫度保持在20 ℃±1 ℃。試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。為了與現(xiàn)場情況相似，強度和膨脹試樣成型時試模內部先放置塑料薄膜，成型后表面用塑料薄膜包裹。灌漿料組成見表1。

表1 灌漿料組成設計

灌漿料與鋼筋及套筒的黏結力通過鋼筋拉伸試驗進行測試。先把鋼套筒和鋼筋豎直固定好，采用壓力槍把灌漿料從進料口壓入套筒內，直到灌漿料從出料口流出，停止注漿，用橡皮塞塞住進、出料口，并補齊上口漿料。上下面密封好后，養(yǎng)護到一定齡期，用WAW-1000型電液伺服萬能試驗機進行拉伸試驗。當鋼筋發(fā)生斷裂或強度達到最大屈服強度后，停止試驗。

灌漿料飽滿度采用切片法。成型方法同上，采用同尺寸的塑料套筒和木棍替代。20 ℃養(yǎng)護28 d后，使用切割機將塑料套筒切成厚5 mm左右的薄片，用超景深三維視頻顯微鏡觀察灌漿料在套筒和仿制筋周圍的填充程度，以評價灌漿飽滿度。

2 結果與討論

2.1 灌漿料流動性

圖1 摻SAP灌漿料的流動度

圖2 摻SAP灌漿料的抗壓強度

圖3 未摻SAP灌漿料的抗壓強度

摻SAP灌漿料的初始流動度及30 min流動度如圖1所示。隨著硫鋁酸鹽水泥摻量增加，灌漿料的初始流動度和30 min流動度減小。相對初始流動度而言，30 min流動度在硫鋁酸鹽水泥摻量超過4%時變化比較明顯，到10%時減小了大約30 mm，這表明硫鋁酸鹽水泥逐漸發(fā)揮其快速凝結的特性，因此其摻量不易過大，以免影響澆筑效果。其他研究者也發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象[2-3]。

在本研究中摻入10%的硫鋁酸鹽水泥仍滿足初始流動度大于300 mm和30 min流動度大于270 mm的要求。

2.2 灌漿料抗壓強度

(1)摻SAP灌漿料

摻SAP灌漿料分別養(yǎng)護1 d、3 d、28 d后的抗壓強度見圖2。1 d時硫鋁酸鹽水泥摻量在小于4%時，對強度影響不大，超過4%時強度明顯降低。但在3 d時，硫鋁酸鹽水泥摻量在2%～4%時具有較高的強度，大于5%時，強度降低較快。在28 d時，硫鋁酸鹽水泥摻量在1%～6%時強度增加比較明顯，增加了約20 MPa。

硫鋁酸鹽水泥對水化影響與石膏在硅酸鹽水泥中的作用相似，其主要組成硫鋁酸鈣將會快速與石膏和水反應形成鈣礬石，形成的鈣礬石對于早期強度發(fā)展有利，但摻量較高時，形成的鈣礬石可能會影響到C3S的水化，從而影響早期強度的發(fā)展。30 min流動度變化也驗證了硫鋁酸鹽水泥對水化的影響。

從1 d到28 d強度發(fā)展來看，硫鋁酸鹽水泥摻量應控制在5%以內。盡管28 d強度較高，但1 d和3 d強度仍略低于標準要求，需要進一步改進。

(2)未摻SAP灌漿料

本體系最初希望通過SAP和硫鋁酸鹽水泥協(xié)同降低自收縮的影響，從以上結果來看，早期強度比較低。這與SAP孔形成和它對早期水化延遲作用有關[8]。同時，硫鋁酸鹽水泥具有一定膨脹性和早強效果。因此，在組成中去掉SAP，能夠更好發(fā)揮硫鋁酸鹽水泥的早期作用。

結合上述影響，主要考慮3%、6%和9% 3個摻量，灌漿料流動性指標仍符合標準要求，各齡期強度如圖3所示。未摻SAP灌漿料強度隨硫鋁酸鹽水泥摻量變化與摻SAP時相似，而且強度進一步提高，在摻量3%～6%時1 d和3 d強度均達到標準要求，28 d強度也達到110 MPa。

2.3 灌漿料膨脹性

未摻SAP灌漿料24 h豎向膨脹率如圖4所示。未摻硫鋁酸鹽水泥時，漿體出現(xiàn)收縮，這與其較低的水膠比有關。當水膠比小于0.36時，即使采用澆水保濕，仍會產(chǎn)生自收縮，而硅灰的加入會進一步增大自收縮[9]。本體系的水膠比只有0.24，還含有10%的硅灰，且采用密封養(yǎng)護，因此自收縮比較大。硫鋁酸鹽水泥摻量在3%時，還不足以消除自收縮，產(chǎn)生稍微地收縮，當大于3%時呈現(xiàn)豎向膨脹，不過膨脹率不大，摻量9%時的膨脹率僅有0.035%，屬于微膨脹。這種微膨脹不會引起開裂，有助于增加灌漿料與鋼筋及套筒的黏結力。

2.4 灌漿料與鋼筋及套筒的結合

灌漿料的灌漿效果除了自身強度之外，還在于能否有效填充鋼筋與套筒之間的間隙，即飽滿度。飽滿度也直接影響灌漿料與鋼筋及套筒間的黏結力，本文通過鋼筋拉伸試驗和顯微結構分析來判定其灌漿料、鋼筋和套筒間的黏結力。

(1)拉伸性能

未摻SAP灌漿料連接鋼筋套筒試件的拉伸性能見圖5和表2。

圖4 豎向膨脹率隨硫鋁酸鹽水泥摻量變化

圖5 硫鋁酸鹽水泥摻量對試件拉伸性能的影響

試件的拉伸性能與鋼筋相似，也表現(xiàn)出鋼筋4個受拉階段，且與鋼筋屈服強度相等，即在屈服階段前后主要表現(xiàn)為連接鋼筋的變形。當未摻入硫鋁酸鹽水泥時，試件塑性變形最小，抗拉強度也較小，當摻入硫鋁酸鹽水泥時，抗拉強度與鋼筋相近(見表2)，只是變形量相對較小，其中摻量6%和9%時變形相差不大。

表2 抗拉強度與硫鋁酸鹽水泥摻量的關系

從最終破壞形態(tài)來看，套筒外鋼筋被拉斷(見圖6)。高潤東等[10]認為套筒灌漿料在加載過程中，如果鋼筋發(fā)生屈服，均是接頭外鋼筋發(fā)生屈服，接頭內鋼筋一般不再屈服。匡志平等[6]發(fā)現(xiàn)當黏結承載力達到鋼筋抗拉承載力時,破壞形態(tài)由黏結破壞 (灌漿料劈裂或鋼筋拔出) 轉變?yōu)殇摻罾瓟?。因此，所研制的灌漿料與套筒及鋼筋間黏結力比較大，受拉時表現(xiàn)為鋼筋屈服和破壞，從而實現(xiàn)豎向鋼筋間的有效連接，保證結構的穩(wěn)定性。

圖6 試件最終破壞狀態(tài)

(2)灌漿飽滿度

對試件沿軸線進行橫向切割，切片在超景深三維視頻顯微鏡下顯微結構如圖7所示，每幅圖的左邊表示套筒與灌漿料之間的界面，右邊為灌漿料與仿鋼筋木棍的界面。

(a) 0%

(b) 3%

(c) 6%

(d) 9%

灌漿料與套筒之間結合非常緊密，沒有明顯的縫隙，同時灌漿料也比較密實，氣孔較少。然而，代替鋼筋的木棍與灌漿料之間的結合受到硫鋁酸鹽水泥摻量的影響。在未摻和摻3%硫鋁酸鹽水泥的試樣中木棍與灌漿料之間有明顯的間隙，而在摻量6%和9%的試樣中它們的結合非常緊密。這些間隙的產(chǎn)生與灌漿料自收縮有關。由于木棍吸水，造成周圍漿體水膠比進一步降低，致使這部分漿體自收縮增加，而塑料套管不吸水，影響較小，在木棍與漿體接觸處出現(xiàn)了間隙。這在一定程度上降低了抗拉強度。隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，膨脹量增大，使這部分間隙得到有效填充，試件的抗拉強度得到提高。

由于鋼筋不吸水，其與灌漿料的結合與木棍不同，其斷面不太容易得到，因而有必要對木棍表面進行處理，并做進一步研究。

3 結論

(1)灌漿料流動度隨硫鋁酸鹽水泥摻量的增加而降低，合適摻量可以保證較高的早期強度和后期強度，并處于微膨脹狀態(tài)，而SAP的存在會影響硫鋁酸水泥的增強效果。

(2)硫鋁酸鹽水泥提高了硅酸鹽水泥灌漿料與鋼筋及套筒的結合力，使其具有單根鋼筋相似的變形行為和抗拉強度，實現(xiàn)了鋼筋的有效連接。