負溫鋼筋套筒灌漿料研究進展

李 輝，馬先偉,趙林林，楊樂樂，張建武

(河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

鋼筋套筒灌漿連接是裝配式建筑鋼筋連接的主要方式，而灌漿料的質(zhì)量決定了鋼筋連接的效果?，F(xiàn)有研究大多集中于常溫灌漿料，但很多時候施工溫度在0 ℃以下，而常溫灌漿料5 ℃以下已不能達到質(zhì)量要求[1]，在負溫下極易被凍害，強度無法有效增大[2]。李文博[3]發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-二水石膏的復(fù)合套筒灌漿料在5 ℃時已無法滿足要求。

同時，環(huán)境溫度對灌漿料流動度也有一定影響，-10 ℃時灌漿料流動度迅速降低，難以滿足標準要求[4]。因此，需要一種適合在5 ℃以下使用的灌漿料，即低溫(5 ℃以下)灌漿料，尤其是負溫(0 ℃以下)灌漿料。

盡管負溫下混凝土通過保溫、蒸養(yǎng)、加早強劑或引氣劑等措施可以滿足工程要求，但鋼筋套筒灌漿料用量少，且套筒和鋼筋易散熱，保溫或蒸養(yǎng)在施工中也不易實現(xiàn)；同時，負溫下僅靠早強劑難以達到1 d 35 MPa的要求[1]，而引氣劑會造成強度損失。對負溫灌漿料的研究雖然取得了一定進展，但仍有許多問題有待解決(如灌漿料組成設(shè)計、外加劑的選用等)，在工程中使用效果也較差。此外，低溫環(huán)境的復(fù)雜性增加了實際應(yīng)用的難度。因此，本文從膠凝材料組成、外加劑、養(yǎng)護等方面對相關(guān)研究成果進行總結(jié)和分析，找出存在的主要問題，以更好促進負溫灌漿料的制備和工程應(yīng)用，從而推動裝配式建筑的發(fā)展。

1 膠凝材料體系

膠凝材料的組成決定了灌漿料的水化速率和強度發(fā)展。常用的灌漿料有純硅酸鹽水泥體系、純硫鋁酸鹽水泥體系和復(fù)合水泥體系。復(fù)合水泥體系有二元復(fù)合(硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合)、三元復(fù)合(硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和高鋁水泥復(fù)合)等。

圖1 硅酸鹽與硫鋁酸鹽水泥復(fù)配比例對強度的影響[5]

在負溫條件下，純普通硅酸鹽水泥體系早期強度較低，而快硬硅酸鹽水泥30 min流動度難以滿足；通常硅酸鹽水泥需要加入防凍劑、早強劑等，但負溫時單摻外加劑難以獲得較高的早期強度[1]。普通硫鋁酸鹽水泥體系雖然早期強度較高，但28 d強度難以達到要求。為此通常采用2種或3種水泥復(fù)合。董淑慧等[5]發(fā)現(xiàn)隨著硫鋁酸鹽水泥取代硅酸鹽水泥量的增加，灌漿料抗壓強度先增大后降低，合適比例為8515，如圖1所示。馬正先等[6]發(fā)現(xiàn)在普通硅酸鹽水泥中同時摻入高鋁水泥和硫鋁酸鹽水泥的效果優(yōu)于單摻高鋁水泥或硫鋁酸鹽水泥，三者合適的比例為721。此外，環(huán)境溫度不同，不同類型灌漿料的流動度也不同，如表1所示。

表1 不同類型灌漿料的低溫流動度[2]

總的來說，單一硅酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥難以滿足要求，應(yīng)采用二元或三元復(fù)合體系，但由于高鋁水泥或硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥之間會相互影響，造成性能損失，需要注意三者之間的比例關(guān)系。

2 外加劑的影響

要保持負溫下灌漿料的可施工性和較高的早期強度，需要加入一些外加劑。在硅酸鹽水泥灌漿料中，亞硝酸鈉效果較好，甲酸鈣和三乙醇胺次之，碳酸鋰較差，但是在-5 ℃時均達不到強度要求，且1 d強度偏低[1]，如表2所示。在硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合灌漿料中碳酸鋰對強度影響不大，而甲酸鈣有負面影響[5]。在硅酸鹽水泥、高鋁水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合灌漿料中硫酸鈉、甲酸鈣、硝酸鈉對強度有一定提高作用[7]。這表明早強劑在不同體系中作用效果存在差異。此外，在三元復(fù)合灌漿料和硅酸鹽水泥灌漿料中硅灰、礦粉和粉煤灰對流動性和強度的影響效果相似[8]。

表2 不同早強劑對硅酸鹽水泥灌漿料低溫(-5 ℃)抗壓強度的影響[1]

同時，外加劑也會影響到灌漿料流動性。陶成云等[4]發(fā)現(xiàn)-5 ℃時塑性膨脹組分摻量對硫鋁酸鹽水泥灌漿料流動度影響不大，高性能防凍組分對初始流動度均有提高作用，不過對30 min流動度無明顯影響，而早強組分對流動度有負面影響。硫酸鈉對三元復(fù)合灌漿料流動度的不利影響較大，硝酸鈉較小，且復(fù)摻更明顯；石膏、酒石酸起到緩凝作用，而碳酸鋰起到促凝作用[7]。

李本友等[9]發(fā)現(xiàn)在普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和高鋁水泥復(fù)合灌漿料中摻加促凝劑、緩凝劑和防凍劑后，早期強度可以滿足-5 ℃的使用要求。杭鑫坤[10]采用70%PO 52.5水泥、20%高鋁水泥和10%硫鋁酸鹽水泥復(fù)合，并加4%硅灰、12%石膏、0.16%酒石酸、0.16%碳酸鋰、0.4%硝酸鈉及適量聚羧酸型減水劑，在膠砂比為11和水膠比0.28時，獲得滿足-5 ℃要求的灌漿料。此外，謝松等[11]在硅酸鹽水泥中加入激發(fā)劑(主要成分C12A7)、超細礦粉(21 060 cm3/g)及緩凝劑，灌漿料在-5 ℃時可操作時間充足，4 h強度達35 MPa以上，3 d強度達60 MPa以上。

從上面分析看，在負溫條件下，防凍劑、早強劑及緩凝劑是調(diào)節(jié)灌漿料流動性和強度不可缺少的組分，但其作用會受膠凝材料組成體系的影響，應(yīng)在膠凝材料設(shè)計確定的前提下，選擇合適的外加劑，且應(yīng)盡可能減少外加劑種類，以減少拌和的程序和成本。

3 養(yǎng)護條件的影響

養(yǎng)護溫度和時間對灌漿料性能發(fā)展具有重要影響。謝松等[2]發(fā)現(xiàn)摻激發(fā)劑的硅酸鹽水泥灌漿料可在負溫下長期養(yǎng)護，如在-5 ℃養(yǎng)護28 d時抗壓強度能達到85 MPa以上；硫鋁酸鹽水泥灌漿料只可在負溫下短期養(yǎng)護，若-5 ℃養(yǎng)護7 d再繼續(xù)標養(yǎng)28 d也可達85 MPa以上，如表3所示。朱清華[12]等認為一般情況下若能保證灌漿及灌漿后4 h套筒內(nèi)溫度不低于0 ℃，就可進行灌漿施工，即使最低溫度低至-10 ℃，也不需采取任何加熱保溫措施。楊國剛等[13]發(fā)現(xiàn)0 ℃養(yǎng)護時對PO 52.5普通水泥和快硬硫鋁酸鹽水泥復(fù)合灌漿料的強度影響不大，但低于-5 ℃時需在-5 ℃以上預(yù)養(yǎng)4～5 h。顧旭東等[14]發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥灌漿料先在5 ℃預(yù)養(yǎng)護4 h后再在-5 ℃養(yǎng)護，3 d強度達到46.9 MPa，28 d強度達到87.2 MPa，如圖2(a)所示。董淑慧等[5]發(fā)現(xiàn)先標養(yǎng)2 h后-5 ℃養(yǎng)護3 d再標養(yǎng)至28 d時復(fù)合防凍劑可以使硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合灌漿料1 d和3 d抗壓強度提高2倍，28 d強度提高20%。

表3 不同養(yǎng)護方式下灌漿料的抗壓強度[2]

然而，孫小魏等[1]發(fā)現(xiàn)硅酸鹽水泥灌漿料10 ℃預(yù)養(yǎng)護2～8 h后在-5 ℃繼續(xù)養(yǎng)護至28 d時強度均沒有達到要求，建議提高預(yù)養(yǎng)護溫度，如圖2(b)所示。李文博[3]認為硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復(fù)合灌漿料在負溫施工時應(yīng)至少在10～20 ℃下預(yù)養(yǎng)護24 h，這種預(yù)養(yǎng)效果的差異與灌漿料的組成設(shè)計有關(guān)。顧旭東等采用的是硫鋁酸鹽水泥體系，孫小巍采用的是硅酸鹽水泥體系，李文博采用的是硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系。對于灌漿料保溫，李文博[3]發(fā)現(xiàn)套筒外壁纏繞電伴熱帶可以達到良好預(yù)熱效果，如圖3所示；李治[15]認為可以采用兩層棉氈和兩層塑料膜，同時保證套筒內(nèi)溫度不低于10 ℃。

此外，拌和水溫度[1-3]和攪拌時間對負溫灌漿料的性能也有一定影響。

(a)5 ℃預(yù)養(yǎng)24 h后，再-5 ℃養(yǎng)護至28 d[14] (b)10 ℃預(yù)養(yǎng)2～10 h，再-5 ℃養(yǎng)護至28 d[1]

圖3 套筒外壁纏繞電伴熱帶預(yù)熱效果[3]

從上面分析來看，在負溫下適當?shù)念A(yù)養(yǎng)護對于灌漿料早期強度發(fā)展具有重要影響，但在實際工程中如何實現(xiàn)預(yù)養(yǎng)護是需要考慮的問題，如可預(yù)養(yǎng)的溫度范圍、有效的保溫措施等。同時，在預(yù)養(yǎng)護溫度和時間設(shè)計時需要考慮所用膠凝材料的組成設(shè)計。此外，原材料初始溫度、拌和工藝等也需要綜合考慮。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)有常溫灌漿料基本上不能滿足-5 ℃以下的使用要求，應(yīng)重新設(shè)計其組成；采用硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和高鋁水泥三元復(fù)合體系制成的負溫灌漿料效果較好，但相對比例比較敏感。

(2)早強劑、防凍劑和緩凝劑組合是保證負溫灌漿料強度和流動性的較好選擇，但需要綜合考慮灌漿料性能來調(diào)整各自摻量。

(3)初始預(yù)養(yǎng)護是改善負溫灌漿料強度的有效措施之一，但是如何在工程上實現(xiàn)預(yù)養(yǎng)護是需要考慮的問題，同時需要根據(jù)膠凝材料的組成來設(shè)計。

(4)滿足工程要求的負溫灌漿料非常少，尤其當環(huán)境溫度為-5～-10 ℃時，需要進一步加強研究。