裝配式建筑用低溫型封漿料的制備及性能研究

徐鵬，楊輝，孔金鳴，周天正，柯偉席，蔡良飛

（1.武漢三源特種建材有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430083；2.武漢源錦建材科技有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引言

裝配式混凝土結(jié)構(gòu)具有高效率、低能耗和環(huán)保等特點(diǎn)，得到了政府各級(jí)部門(mén)的大力支持和推廣[1-2]。目前，裝配式混凝土結(jié)構(gòu)廣泛采用鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)[3]，封漿料作為鋼筋套筒連接技術(shù)的主要配套材料，用于裝配式建筑豎向構(gòu)件接縫封堵、分倉(cāng)[4]。

使用鋼筋套筒連接技術(shù)的裝配式混凝土結(jié)構(gòu)工程，其設(shè)計(jì)、施工及驗(yàn)收應(yīng)符合JGJ 355—2015《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和JGJ/T 104—2011《建筑工程冬期施工規(guī)程》的規(guī)定，環(huán)境溫度低于5℃時(shí)不宜灌漿施工，低于0℃時(shí)不得施工。但在我國(guó)北方地區(qū)，每年11月份即進(jìn)入冬季，按照現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)程要求不允許進(jìn)行施工。但考慮到裝配式相比于現(xiàn)澆混凝土的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于工程預(yù)制化、現(xiàn)場(chǎng)拼接快捷方便，如低溫不允許施工，其施工快速的優(yōu)勢(shì)無(wú)法發(fā)揮，勢(shì)必會(huì)造成工程延后，影響整體工程造價(jià)。鑒于目前的現(xiàn)狀，JG/T 408—2019《鋼筋連接用套筒灌漿料》中增加了低溫型套筒灌漿料。而作為鋼筋套筒連接技術(shù)主要配套材料的封漿料，目前暫未有低溫型的指標(biāo)要求。

本文通過(guò)研究普通硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-高鋁水泥三元體系，得到最佳的水泥復(fù)摻比例，采用緩凝劑調(diào)控低溫型封漿料的凝結(jié)時(shí)間，尋找最優(yōu)的緩凝劑種類(lèi)和摻量。最終在不同溫度條件下，探究低溫型封漿料抗壓強(qiáng)度以及凝結(jié)時(shí)間的變化，研發(fā)出一種適用于北方冬季裝配式建筑封邊用的低溫型封漿料。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

（1）膠凝材料：華新水泥有限公司的P·O52.5普通硅酸鹽水泥，3 d、28 d抗壓強(qiáng)度分別為34.1、61.8 MPa；宜城安達(dá)特種水泥有限公司的R·SAC42.5硫鋁酸鹽水泥，1 d抗壓強(qiáng)度為38.4 MPa；鄭州登峰熔料有限公司的CA50-Ⅱ型高鋁水泥，6 h、1 d、3 d抗壓強(qiáng)度分別為28.6、53.2、68.7 MPa。3種水泥的主要化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 3種水泥的主要化學(xué)成分 %

（2）砂：20～40目、40～70目石英砂，按1∶2質(zhì)量比配合使用。

（3）減水劑：ZJ-PC8010型高性能聚羧酸減水劑，減水率25%，江蘇兆佳建材科技有限公司。

（4）緩凝劑：左旋酒石酸，固含量97.2%，鄭州明瑞化工產(chǎn)品有限公司；硼酸，固含量99.8%，山東無(wú)雙化工集團(tuán)有限公司；葡萄糖酸鈉，固含量99.3%，山東西王糖業(yè)有限公司。

（5）早強(qiáng)劑：硝酸鈉和碳酸鋰，分析純，天津市恒興化學(xué)試劑制造有限公司。

1.2 試驗(yàn)環(huán)境與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)環(huán)境：在環(huán)境溫度模擬實(shí)驗(yàn)室（見(jiàn)圖1）中進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室尺寸為3.5 m×2.3 m×2.5 m，測(cè)試溫度范圍為-35～50℃，測(cè)溫精度為±1℃，顯示分辨率為0.1℃。將配制好的低溫型封漿料粉料以及試驗(yàn)器材提前1 d放入-5℃環(huán)境溫度模擬實(shí)驗(yàn)室內(nèi)。試驗(yàn)用水提前1 d放入0℃的恒溫恒濕箱中。

試驗(yàn)方法：抗壓強(qiáng)度按GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測(cè)試；流動(dòng)度按GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)試方法》進(jìn)行測(cè)試；凝結(jié)時(shí)間按JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試，開(kāi)始每5 min測(cè)量1次凝結(jié)時(shí)間，當(dāng)凝結(jié)時(shí)間測(cè)定儀顯示9N時(shí)，每1 min測(cè)量1次；試塊抗壓強(qiáng)度齡期參考JG/T 408—2019《鋼筋連接用套筒灌漿料》中低溫型套筒灌漿料進(jìn)行測(cè)試，分別測(cè)試-1、-3、28 d的抗壓強(qiáng)度（-1 d、-3 d代表在低負(fù)溫中養(yǎng)護(hù)1 d和3 d）。

2 結(jié)果與討論

通過(guò)大量探究性試驗(yàn)以及低溫型套筒灌漿料的研發(fā)基礎(chǔ)，初步確定以下配比：膠砂比為1∶1，水料比為0.15，硝酸鈉、碳酸鋰摻量分別占膠凝材料質(zhì)量的1.2%、0.1%。通過(guò)減水劑調(diào)整低溫型封漿料跳桌流動(dòng)度為160～180 mm時(shí)，施工性能較優(yōu)，成型抗壓強(qiáng)度試塊。

2.1 水泥復(fù)摻三元體系對(duì)低溫型封漿料性能的影響

在T/CCIAT 0004—2019《鋼筋套筒灌漿連接施工技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)封縫料抗壓強(qiáng)度達(dá)到30 MPa且與上下面混凝土粘結(jié)牢固后，方可進(jìn)行灌漿施工。在裝配式施工中，封邊1 d進(jìn)行灌漿施工，故要求低溫型封漿料-1 d抗壓強(qiáng)度不小于30 MPa[4]。

將普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥按照一定比例復(fù)摻，研究不同水泥復(fù)摻對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響?？紤]高鋁水泥價(jià)格較高，最高摻量設(shè)為膠凝材料質(zhì)量的10%。當(dāng)-1 d試塊被凍壞后，不再測(cè)試-3 d和28 d抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同水泥復(fù)摻對(duì)低溫型封漿料抗壓強(qiáng)度的影響

由表2可見(jiàn)：（1）當(dāng)高鋁水泥摻量為膠凝材料質(zhì)量的10%，硫鋁酸鹽水泥增加到膠凝材料質(zhì)量的50%時(shí)，砂漿試塊才不被凍壞。這是由于，在-5℃的溫度條件下，普通硅酸鹽水泥水化停滯，硫鋁酸鹽水泥由于水泥熟料煅燒溫度較低，所含β-C2S活性較高，能較早生成C-S-H凝膠，水化反應(yīng)首先生成鈣礬石，形成骨架，同時(shí)析出的鋁膠又與C-S-H凝膠一起使得砂漿的強(qiáng)度得以提高[5-6]。（2）低溫型封漿料漿體致密性較差，硫鋁酸鹽水泥水化對(duì)普通硅酸鹽水泥水化促進(jìn)作用較小。隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，-1 d抗壓強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)普通硅酸鹽水泥占比20%、硫鋁酸鹽水泥占比70%、高鋁水泥占比10%時(shí)，低溫型封漿料的-1 d抗壓強(qiáng)度最高，為43.6 MPa。這是由于普通硅酸鹽水泥是高堿度水泥，普通硅酸鹽水泥摻量越高，砂漿漿體的堿度越高，促進(jìn)硫鋁酸鹽水泥水化速度加快，早期鈣礬石和鋁膠的生成數(shù)量增加，但隨著生成大量的鈣礬石和鋁膠附著在水泥顆粒表面，又會(huì)阻止水泥顆粒的繼續(xù)水化。（3）對(duì)比S7和S10、S8和S9、S6和S11發(fā)現(xiàn)，同等摻量的普通硅酸鹽水泥，摻入10%高鋁水泥的砂漿-1 d抗壓強(qiáng)度比多摻10%硫鋁酸鹽水泥的砂漿抗壓強(qiáng)度高。這是由于高鋁水泥的主要礦物成分為CA和CA2等鋁酸鹽礦物，水化生產(chǎn)的CAH10或C2AH8，兩者相互結(jié)合，可使水泥獲得較高的早期強(qiáng)度[7-8]。

2.2 緩凝劑對(duì)低溫型封漿料性能的影響

凝結(jié)時(shí)間是保證施工現(xiàn)場(chǎng)材料能夠正常使用的關(guān)鍵指標(biāo)之一，表2中S7配方的凝結(jié)時(shí)間為5 min，這個(gè)時(shí)間對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)施工而言較短。砂漿凝結(jié)快是由于普通硅酸鹽水泥提高了漿體的堿度，加速了硫鋁酸鹽水泥的水化。水化產(chǎn)物中的氫氧化鈣也會(huì)加速高鋁水泥的水化，導(dǎo)致砂漿硬化失去流動(dòng)性。

在S7配方中分別摻入占膠凝材料質(zhì)量0～0.4%的酒石酸、硼酸、葡萄糖酸鈉，緩凝劑種類(lèi)及摻量對(duì)低溫型封漿料凝結(jié)時(shí)間的影響見(jiàn)表3。研究酒石酸摻量對(duì)低溫型封漿料-1 d抗壓強(qiáng)度的影響見(jiàn)表4。

表3 緩凝劑種類(lèi)及摻量對(duì)低溫型封漿料凝結(jié)時(shí)間的影響

表4 酒石酸摻量對(duì)低溫型封漿料-1 d抗壓強(qiáng)度的影響

由表3、表4可見(jiàn)：隨著酒石酸摻量的增加，低溫型封漿料漿體的凝結(jié)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)，而-1 d抗壓強(qiáng)度先提高后降低，當(dāng)酒石酸摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.4%時(shí)，-1 d抗壓強(qiáng)度降低較為明顯。最優(yōu)酒石酸摻量為0.3%，此時(shí)凝結(jié)時(shí)間為45 min，-1 d抗壓強(qiáng)度為41.6 MPa。酒石酸作為有機(jī)緩凝劑，分子中的羥基吸附在水泥粒子表面，在硫鋁酸鹽水泥表面生成不溶性鈣鹽的膜層，阻止硫鋁酸鹽水泥的水化，達(dá)到緩凝的作用[9]。隨著硼酸、葡萄糖酸鈉摻量的增加，低溫型封漿料的凝結(jié)時(shí)間也延長(zhǎng)，但延長(zhǎng)幅度較低，摻0.4%硼酸或者葡萄糖酸鈉，凝結(jié)時(shí)間均小于20 min。硼酸、葡萄糖酸鈉主要通過(guò)降低漿體的堿性來(lái)延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間，但對(duì)于硫鋁酸鹽水泥為主的體系效果不明顯。

2.3 溫度對(duì)低溫型封漿料性能的影響

溫度是決定水泥基材料綜合性能的主要因素之一，通過(guò)影響各組分的水化進(jìn)程從而導(dǎo)致水泥基材料出現(xiàn)不同的理化性能[10]。在北方進(jìn)入冬季后晝夜溫差較大，白天為正溫，晚上為負(fù)溫。進(jìn)入深冬后，溫度能達(dá)到-15℃以下。采用上述最優(yōu)配方，用0℃的水，分別在-15、-10、-5、0、5℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行試驗(yàn)。研究溫度變化對(duì)低溫型封漿料-1 d抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間的影響，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 溫度對(duì)低溫型封漿料-1 d抗壓強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間的影響

由表5可見(jiàn)：隨著溫度從-15℃升高到5℃，低溫型封漿料的-1 d抗壓強(qiáng)度提高，凝結(jié)時(shí)間縮短。在-15℃的條件下，低溫型封漿料的-1 d抗壓強(qiáng)度為1.3 MPa，試塊被凍壞，此時(shí)水泥無(wú)法進(jìn)行水化，砂漿漿體中的自由水變成了冰，建議不進(jìn)行裝配式低溫型封漿料封邊施工。在-10～5℃的條件下，低溫型封漿料的-1 d抗壓強(qiáng)度均高于30 MPa，凝結(jié)時(shí)間均大于30 min，可滿足低負(fù)溫條件下裝配式封邊施工的需求，封邊后不需要進(jìn)行加熱養(yǎng)護(hù)。

3 結(jié)論

（1）在-5℃的條件下，當(dāng)高鋁水泥摻量為膠凝材料質(zhì)量的10%時(shí)，低溫型封漿料漿體由于其致密性較差，早期強(qiáng)度主要依靠硫鋁酸鹽水泥水化。當(dāng)普通硅酸鹽水泥占比20%、硫鋁酸鹽水泥占比70%、高鋁水泥占比10%時(shí)，低溫型封漿料的-1 d抗壓強(qiáng)度最高，為43.6 MPa。

（2）同等摻量的緩凝劑，酒石酸緩凝效果最優(yōu)。隨著酒石酸摻量的增加，低溫型封漿料凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)。最優(yōu)的酒石酸摻量為占膠凝材料總質(zhì)量的0.3%，此時(shí)低溫型封漿料凝結(jié)時(shí)間為45 min，-1 d抗壓強(qiáng)度為41.6 MPa。硼酸、葡萄糖酸鈉在低負(fù)溫封漿料體系中，對(duì)延長(zhǎng)凝結(jié)時(shí)間效果不佳。

（3）在-10～5℃的條件下，低溫型封漿料的-1 d抗壓強(qiáng)度均高于30 MPa，低溫型封漿料的凝結(jié)時(shí)間均長(zhǎng)于30 min，可滿足裝配式建筑封邊施工，不需進(jìn)行加熱養(yǎng)護(hù)。在-15℃的條件下，砂漿試塊被凍壞，建議不進(jìn)行裝配式低溫型封漿料封邊施工。