硫鋁酸鹽水泥基套筒灌漿料強度性能試驗研究

楊光，溫子怡，張鑫，楊雨順，趙靖銘

（1.西安歐亞學院人居環(huán)境學院，西安 710065；2.城市智慧建造陜西省高校工程研究中心，西安 710065）

1 引言

近年來，隨著我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，預制裝配式混凝土建筑又開始煥發(fā)出了新的生機[1]。預制構(gòu)件的標準化和生產(chǎn)的工廠化，為裝配式建筑的快速發(fā)展奠定了良好的基礎。住房和城鄉(xiāng)建設部已經(jīng)明確指出了“十四五”期間裝配式建筑發(fā)展的重點任務，從2021 年至2025 年裝配式建筑占新建建筑的30%以上[2]。為保證后期裝配式建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的穩(wěn)定性，套筒灌漿節(jié)點連接技術已經(jīng)成為裝配式建筑的一種普遍連接技術。該連接技術是裝配式建筑構(gòu)造部位節(jié)點連接的關鍵技術之一，穩(wěn)固的連接是結(jié)構(gòu)整體性和抗震能力的重要保證[3]。與傳統(tǒng)的連接技術相比較，套筒灌漿連接技術具有很多優(yōu)點：灌漿料具有早期微膨脹性好，強度高等優(yōu)點；施工能更快和更省。

當前，工程施工采用的大都是鋼筋套筒灌漿料連接。其中，鋼筋套筒的質(zhì)量可靠性已經(jīng)得到完全解決，因此，灌漿料的性能對整個裝配式建筑物的穩(wěn)定性來說至關重要。通常，套筒灌漿料的膠凝材料主要以普通硅酸鹽水泥基和硫鋁酸鹽水泥基灌漿料為主，普通硅酸鹽水泥（OPC）的主要特性是抗凍性好，通常應用于預應力混凝土中[4]；而硫鋁酸鹽水泥（SAC）具有較高的早期強度、抗?jié)B抗凍性能優(yōu)良和耐腐蝕性好等特點，是制備該類灌漿料的理想膠凝材料。但由于硫鋁酸鹽水泥后期強度增長緩慢，甚至出現(xiàn)了倒縮的現(xiàn)象，故需加入礦物摻和料[5-7]，更有利于滿足環(huán)境溫度較低時的施工需求。

為了配制高強套筒灌漿料產(chǎn)品，本文以硫鋁酸鹽水泥作為套筒灌漿料的基礎膠凝材料，為防止套筒灌漿料后期出現(xiàn)強度倒縮的問題，向硫鋁酸鹽水泥中加入適量的粉煤灰、硅灰，以改善套筒灌漿料的流動性和抗壓強度，為后續(xù)類似的工程提供理論性參考。

2 試驗原材料和試驗方法

2.1 原材料

硫鋁酸鹽水泥：P·O52.5R 水泥，山東臨朐勝濰特種水泥有限公司，符合GB 20472—2006《硫鋁酸鹽水泥》的相關規(guī)定，其水泥的力學性能如表1 所示。

表1 硫鋁酸鹽水泥的力學性能

細骨料：細砂粒徑小于4.75 mm 的天然砂、粗細適中且級配良好，細砂的級配如表2 所示。

表2 砂的級配

礦物摻和料：粉煤灰、硅灰、超細碳酸鈣（超細CaCO3），粉煤灰中因化學成分在潮濕環(huán)境中會與堿性物質(zhì)發(fā)生化學反應，生成某種膠凝物質(zhì)，對提高套筒灌漿料的抗壓強度起到一定的作用，可以明顯地提高流動性和后期抗壓強度。

消泡劑：濟南國邦化工有限公司，白色粉末狀，后期攪拌過程中防止出現(xiàn)蜂窩麻面而影響試驗要求。

緩凝劑：酒石酸，防止硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時間過快而影響施工質(zhì)量。

水：自來水或符合JGJ 63—2006《混凝土用水標準》用水。

2.2 試驗方法

2.2.1 試驗基本指標及試塊準備

硫鋁酸鹽水泥在初始時的流動度需要達到300 mm 及以上才能滿足試驗要求，在環(huán)境溫度為-5 ℃時，硫鋁酸鹽水泥的凝結(jié)時間依舊保持在30 min 以內(nèi)，凝結(jié)時間太快而不能滿足試驗的相關要求。因此，需添加適量的緩凝劑（酒石酸）從而延長水泥凝結(jié)時間，使套筒灌漿料的性能發(fā)揮到最大。本文僅研究養(yǎng)護溫度為-5 ℃時套筒灌漿料的流動度和抗壓強度，所選用水泥試塊模具為符合規(guī)范設計要求的40 mm×40 mm×160 mm 棱柱模具。

2.2.2 套筒灌漿料流動度的測定

采用JG/T 408—2019《鋼筋連接用套筒灌漿料》附錄A 流動度試驗的有關準則進行流動度的測定。

2.2.3 試驗配合比

試驗配合比對套筒灌漿料的抗壓強度性能起著決定性作用，合理的配合比設計可以使灌漿料的強度達到更高。本文選用的試驗配合比為：水泥用量：700 g，且不超過最大用量的32%，水膠比為0.30。砂率不應大于5%，否則會降低試件的抗壓強度和流動性。試驗中用的骨料均為細骨料，質(zhì)量分數(shù)為15%，養(yǎng)護方式為標準養(yǎng)護，配合比見表3。

表3 試驗配合比

2.2.4 灌漿料抗壓強度的測定

在試驗開始前，應先對攪拌機進行加水潤濕，再將各種外加劑加入水中使其攪拌均勻，依次將硫鋁酸鹽水泥、硅灰、粉煤灰和細砂放至攪拌機，用攪拌機進行5 min 攪拌后，加入消泡劑放置約2 min 使攪拌過程中灌漿料內(nèi)產(chǎn)生的氣體自然排出，防止后期出現(xiàn)蜂窩麻面的現(xiàn)象，從而影響試件的抗壓強度及施工質(zhì)量。將配置好的套筒灌漿料一次性注入3 組40 mm×40 mm×160 mm 的水泥棱柱模塊中，模塊置于振動臺上振動1 min 后刮平，將灌漿料振實，再將其置于養(yǎng)護室溫度為-5℃下進行養(yǎng)護1 d、3 d 和28 d（7 d 負溫養(yǎng)護和21 d 標準養(yǎng)護），研究不同養(yǎng)護齡期下套筒灌漿料的抗壓強度，試驗中流動度和抗壓強度均應符合套筒灌漿料的性能規(guī)定。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同粉煤灰摻量的流動度測定

灌漿料在充分攪拌完成之后在環(huán)境溫度為-5 ℃時進行初始流動度和30min 后流動度測定，測定結(jié)果如圖1 所示。

圖1 流動度測定

由圖1 可知，水膠比為0.30 的灌漿料流動度隨粉煤灰摻量的增加不斷增大，由此可見，將適量的粉煤灰摻入灌漿料中時，可有效改善其流動度，粉煤灰摻量為5%時，流動度的增長較為緩慢，達不到試驗所需要求。而摻量為20%時，流動度達到最佳。

3.2 不同摻量粉煤灰對套筒灌漿料抗壓強度的影響

根據(jù)先前的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果分析來看，以硫鋁酸鹽水泥為主要的膠凝材料，以高強級配骨料、礦物摻和料及外加劑（超細CaCO3）等為主要原材料；將石英砂與膠凝材料按質(zhì)量比1∶1混合，配成套筒灌漿料進行試驗探究。

試驗主要研究硫鋁酸鹽水泥在不同摻量的礦物摻和料下的抗壓強度。試驗開始前，應將拌和水和套筒灌漿料充分攪拌后，以確保材料的性能發(fā)揮到最大，套筒灌漿料拌成后將其置于相應的環(huán)境溫度（-5 ℃）下進行養(yǎng)護，探究不同摻量的粉煤灰對套筒灌漿料抗壓強度的影響，試驗測定的抗壓強度如圖2 所示。

圖2 粉煤灰不同摻量對灌漿料的抗壓強度的影響

由圖2 可知，適量摻入粉煤灰可以提高套筒灌漿料的抗壓強度，這是由于粉煤灰的火山灰效應，該效應是基于粉煤灰中的某些化學物質(zhì)在濕度較高時，會與堿性物質(zhì)發(fā)生的化學反應，生成水化硅酸鈣的膠凝物質(zhì)，對套筒灌漿料的后期抗壓強度和流動度起到一定的作用。當摻量為5%、20%時，養(yǎng)護時間為28 d 時，灌漿料抗壓強度分別為80 MPa、98 MPa；可以看出，粉煤灰摻量為20%時的抗壓強度遠大于摻量為5%時的抗壓強度，從圖2 中抗壓強度來看，養(yǎng)護周期為28 d 時、粉煤灰摻量為20%時效果最佳。

4 結(jié)論

以硫鋁酸鹽水泥基作為套筒灌漿料的膠凝材料，通過探究礦物摻和料的不同摻量對套筒灌漿料的流動度和抗壓強度進行試驗，本文得出以下的結(jié)論。

1）從圖1 可知，粉煤灰的加入可以有效改善灌漿料的流動性。隨著攪拌時間的不斷增大，套筒灌漿料的流動度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。其中，粉煤灰摻量為20%時，流動度性能最佳，從而達到了試驗的相關要求。

2）從圖2 可知，礦物摻和料對灌漿料抗壓強度的影響較為顯著。隨著養(yǎng)護齡期不斷增加，不同摻量下灌漿料的抗壓強度也隨之增大。通過4 組的試驗數(shù)據(jù)對比分析可見，粉煤灰的摻量為20%時，套筒灌漿料的抗壓強度有較為明顯的提高，可滿足標準需求。

3）通過向套筒灌漿料中加入適量的礦物摻和料粉煤灰，對低溫型套筒灌漿料可以進一步起到降低用水量的作用，從而明顯改善了灌漿料的流動性，提高了其抗壓強度。

4）影響套筒灌漿料性能的因素較多，就水泥基灌漿料而言，應該充分考慮到各種外界的干擾對試驗結(jié)果的影響，從而提高套筒灌漿料連接節(jié)點的可靠性。