装配式建筑套筒灌浆料早期强度与流动性的试验研究_任皓.pdf

第 卷第 期 河 南 城 建 学 院 学 报 年 月 收稿日期：基金项目：武汉轻工大学校立科研项目（，）；湖北省教育厅科学技术研究项目（）作者简介：任 皓（），男，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向：新型建筑材料。通信作者：付弯弯（），女，江西九江人，博士，讲师，研究方向：新型建筑材料。文章编号：（）：装配式建筑套筒灌浆料早期强度与流动性的试验研究任 皓，付弯弯，吴世芳，魏 靖（武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉）摘 要：为了提高套筒灌浆料的早期强度和流动性，分别将早强剂掺量、减水剂掺量和硫铝酸盐水泥掺量作为不同变量来进行试验，探究这 个因素对套筒灌浆料早期强度（和 抗压强度）和流动性的影响规律。结果表明：适当掺量的早强剂和硫铝酸盐水泥会使早期抗压强度增大，但同时会使流动度减小；在一定范围内，抗压强度和流动度随减水剂掺量的增加而增大，抗压强度随减水剂掺量的增加而减小；当早强剂掺量 、减水剂掺量 、硫铝酸盐水泥代替普通硅酸盐水泥比例为 时，套筒灌浆料的工作性能和早期抗压强度综合最优。关键词：套筒灌浆料；早期性能；混凝土外加剂；水泥复配中图分类号：开放科学（资源服务）标识码（）：文献标识码：，（，）：，（），：；由于装配式建筑与传统现场浇筑的方式相比具有构件质量稳定、施工周期短、人工成本低、施工过程安全、绿色低碳环保等优势。因此，装配式建筑是未来建筑发展的必然趋势。在装配式建筑中，钢筋竖向连接的主要方式为灌浆套筒连接。其原理是把水泥灌浆料填充在套筒和内部带肋钢筋之间的环形间隙内，并通过凝固之后灌浆料自身的剪切强度来传递轴向应力。其中套筒灌浆料是以水泥为胶凝材料，配上细骨料和各种混凝土外加剂组成的干混料。首先，该材料需要有较好的工作性能即较大的即时流动性，这是为了确保浆料可以顺利地灌入套筒中；同时，由于装配式建筑施工工期短，建造速度快的特点，该材料在凝固后要有较高的早期抗压强度，这是装配式建筑结构安全性的保障；最后，该材料要具有微膨胀的性能，这样在浆料填充进套筒中后能形成更好的握裹力，使得灌浆料在套筒结构中有效地传递应力。综上可知，套筒灌浆料的早期强度和流动度尤为重要。本文以硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复配为基础，以硫铝酸盐水泥掺量、减水剂掺量、早强剂掺量为不同的单一变量，分别进行试验，测试其 和 抗压强度以及流动性，分析各组分不同掺量对早期抗压强度和流动性的影响规律，并确定最佳配方。试验部分 原材料水泥：采用山东省诸城市杨春水泥有限公司生产的 普通硅酸盐水泥和河南省登封市登电集团水泥有限公司生产的世利牌 硫铝酸盐水泥，其各项性能均符合 、等规范的各项规定。细骨料：采用山东省潍坊市生产的粒径为 的石英砂，颗粒大小均匀，其各项性能均符合 、等规范的相关规定。粉煤灰：采用山西省运城市生产的一级粉煤灰，其各项性能均符合国家规范 。偏高岭土：采用山西省大同市金源高岭土厂生产的偏高岭土，外观为白色粉末，各项性能均符合国家规范 。减水剂：采用西卡公司生产的 高效聚羧酸减水剂，外观为白色粉末，易溶于水，各项指标均符合国家规范标准 的要求。早强剂：采用北京凯利天威科贸有限公司生产的工业级甲酸钙，纯度，外观为白色粉末，易溶于水，符合 的各项要求。水：满足试验规范要求的自来水。试验仪器及测试设备 行星式水泥胶砂搅拌机、水泥胶砂试模、水泥胶砂抗压抗折一体机、流动度测试仪、恒温恒湿标准养护箱。试验设计为保证套筒灌浆料在低水胶比的情况下具有较好的流动性，加入高效聚羧酸减水剂；为保证套筒灌浆料具有良好的早期强度，加入甲酸钙早强剂和硫铝酸盐水泥，其中减水剂和早强剂掺量为占水泥掺量的百分比，硫铝酸盐水泥掺量为代替普通硅酸盐水泥的比例。通过对这 个因素分别进行水平试验，探究其对套筒灌浆料早期强度（和 抗压强度）和流动性的影响规律。配合比设计在进行早期探索试验后，固定水胶比为 ，胶砂比为，偏高岭土掺量为，粉煤灰掺量为，都为内掺法。以早强剂为变量的试验中，固定减水剂掺量为 ，早强剂掺量分别为、。以减水剂为变量的试验中，固定早强剂掺量为 ，减水剂掺量分别为 、。以硫铝酸盐水泥为变量的试验中，固定早强剂为 ，减水剂为 ，硫铝酸盐水泥代替普通硅酸盐水泥比例为、。试验方法 流动度试验方法 第 卷第 期 任 皓，等：装配式建筑套筒灌浆料早期强度与流动性的试验研究 按照钢筋连接用套筒灌浆料（）中附录 流动性试验中的相关要求进行流动性性能测试。抗压强度试验方法按照水泥胶砂强度检验方法（法）（）中规定的方法进行抗压强度测试。先将减水剂和早强剂加入水中使其混合均匀，其次将水泥、偏高岭土、粉煤灰和石英砂依次加入搅拌锅中，慢速干搅 使其混合均匀，然后边加水边搅拌，把加入减水剂和早强剂的水在 内加入搅拌锅中，慢速搅拌，最后调整成快速搅拌模式搅拌。将搅拌好的砂浆装入 的试模中，随后将试件连模具放入恒温恒湿养护箱中进行 的湿气养护，拆模后在水中养护至强度试验。将养护后的 个长方体试块进行抗压强度测试，抗压强度值 以 为单位，其计算公式为：（）式中：破坏时的最大荷载，；受压部分面积，。结果与分析 早强剂掺量影响因素不同早强剂掺量对套筒灌浆料流动度和抗压强度的影响如图 和图 所示。随着甲酸钙早强剂在 这个区间内不断增加，流动度呈逐渐下降趋势，且当掺量从 增加到 时，流动度下降速率较快，由 下降到 ；掺量从 增至 时，流动度下降速率较慢，由 下降到。和 抗压强度都随着早强剂掺量的增加呈先增大后减小的趋势。抗压强度在掺量为 时达到峰值 ，抗压强度在掺量为 时达到峰值 。综合考虑流动度、和 抗压强度，初步确定早强剂掺量为。此时流动度为，抗压强度为 ，抗压强度为 ，综合性能最佳。图 流动度随早强剂掺量变化图图 抗压强度随早强剂掺量变化图 甲酸钙能够使套筒灌浆料早期强度增大的主要原因是甲酸钙能够提高砂浆中 的浓度，加快了水泥水化的反应速度；且其中的 扩散速度较快，可以渗透到 和 的水化反应层，加速了氢氧化钙的沉淀以及硅酸钙的分解。依附在硅原子表面，交联或结合相邻的硅酸盐基团，交联的的存在会导致更多的 凝胶的生成，因此增大了抗压强度。减水剂掺量影响因素不同减水剂掺量对套筒灌浆料流动度和抗压强度的影响如图 和图 所示。随着聚羧酸高效减水剂在 这个区间内不断增加，流动度呈逐渐增大趋势，由 逐步增大到 ，且速率基本保持一致。通常，聚羧酸减水剂在水泥体系中的作用主要有 种，即静电斥力作用、空间位阻效 河南城建学院学报 年 月应和水化膜润滑作用。这 种作用使得水泥在加水初期所形成的絮凝状结构分散解体，将其中包裹的水分释放出来，增大了流动度，即增强了工作性能。同时从图 可以看出，和 抗压强度随着减水剂增加变化有所不同。随着减水剂掺量逐渐增大，抗压强度呈下降趋势，由 下降到；而 抗压强度呈逐渐增大趋势，由 增大到 。这是由于减水剂的加入使得水胶比有较大幅度的下降，使水泥水化后内部的孔隙体积有了明显的减少，增大了中期和后期强度；同时也会使得水泥砂浆体系中的自由水增大，增大了凝结时间，延缓了水泥硬化的时间，减小了初期的强度。因此，后续需加入其他外加剂通过减少凝结时间来补偿初期强度。综合流动度、和 的抗压强度，选用减水剂掺量为 来进行后续试验，此时流动度为 ，抗压强度为 ，抗压强度为 。图 流动度随减水剂掺量变化图图 抗压强度随减水剂掺量变化图 硫铝酸盐水泥掺量影响因素不同硫铝酸盐水泥掺量对套筒灌浆料流动度和抗压强度的影响如图 和图 所示。图 流动度随硫铝酸盐水泥掺量变化图图 抗压强度随硫铝酸盐水泥掺量变化图 随着硫铝酸盐水泥代替普通硅酸盐水泥的比例从 增至，流动度呈逐渐减小的趋势，当硫铝酸盐水泥掺量在 增至 时，流动度由 降为 ，而从 增至 时，则迅速从 降为。和 的抗压强度随着硫铝酸盐水泥掺量的增大，都呈先增大后减小的趋势，且都在 达到峰值，分别为 和 。综合考虑流动度、和 的抗压强度，硫铝酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥的比例为 时，流动度为，抗压强度为 ，抗压强度为 ，超过套筒灌浆料国家规范标准：流动度 ，抗压强度 ，抗压强度 第 卷第 期 任 皓，等：装配式建筑套筒灌浆料早期强度与流动性的试验研究 。硫铝酸盐水泥能够早强的主要原因是其含量较高的无水硫铝酸钙和硅酸二钙在低水胶比的情况下水化反应速度较快，能够迅速生成较多的钙矾石，在浆体中以针状体析出，相互交错构成结晶体状的骨架，同时水化反应生成的铝胶填充在骨架中，使得浆体有较高的早期强度。但由于硫铝酸盐水泥后期水化产物会从 和 转化为，导致其固相的体积分别减少了 和，形成孔隙造成了后期强度的降低。同时由于硫铝酸盐水泥的水化速度快于普通硅酸盐水泥，凝结时间较短，因此随着掺量的增大，流动度也会有相应下降。结论与传统水泥砂浆相比，套筒灌浆料对工作性能和早期强度有较高要求，因此需加入各种外加剂、矿物掺合料等来提高性能，且适当比例的硫铝酸盐水泥和普通硅酸盐水泥复配能实现在高流动性下依然具有较高的早期强度。通过试验研究发现：（）随着甲酸钙早强剂的加入，流动度逐渐降低，和 抗压强度都随甲酸钙早强剂的加入先增大后降低，分别在 和 处达到最大。（）聚羧酸高效减水剂掺量增加会使流动度和 抗压强度增大，但会降低 抗至强度。（）使用硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥复配能够弥补硅酸盐水泥早期强度不足的缺点，随着硫铝酸盐水泥掺量的增大，流动度逐渐下降，在掺量超过 后下降速率较快。和 抗压强度都随硫铝酸盐水泥掺量的增加先增大后减小，且都在掺量达到 时，达到最高值。（）当水胶比为 、胶砂比为、偏高岭土掺量为、粉煤灰掺量为、早强剂掺量为 、减水剂掺量为 、硫铝酸盐水泥代替普通硅酸盐水泥比例为 时，套筒灌浆料的工作性能和早期抗压强度综合最优。此时流动度为 ，抗压强度为，抗压强度为，均达到套筒灌浆料规范 的性能要求。参考文献 夏春蕾，杨思忠，李世元 装配式建筑套筒灌浆料研究进展 市政技术，（）：韩超，郑毅敏，赵勇 钢筋套筒灌浆连接技术研究与应用进展 施工技术，（）：韩瑞龙，施卫星，周洋 灌浆套筒连接技术及其应用 结构工程师，（）：戢文占，赵亚丁，郭海山，等 高强钢筋连接用套筒灌浆料的试验研究 建筑结构，（）：，：张慢 化学外加剂对水泥水化历程的调控及作用机理研究 武汉：武汉理工大学，（）：李修固，王立艳 聚羧酸减水剂的研究进展 建材技术与应用，（）：，（）：袁进科，陈礼仪 普通硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复配改性灌浆材料性能研究 混凝土，（）：王甲春，王玉彤，桂海清，等 混合材对高铝水泥强度影响的试验研究 沈阳建筑工程学院学报（自然科学版），（）：左楠楠，李伟斌，赵君，等 早强型水泥基封孔材料的制备与性能研究 粉煤灰综合利用，（）：河南城建学院学报 年 月