伴随经济的快速发展, 建筑业也发生了革命性的变化, 传统的建筑产业能耗大、污染率高, 已经不符合现今社会的发展。上世纪从西方兴起的装配式建筑如今正如火如荼地发展起来, 装配式建筑施工速度快、能耗低、不污染环境, 成为未来建筑业发展的大趋势。而钢筋套筒灌浆料的优劣直接关系到建筑物的整体稳定性^[1], 传统灌浆材料存在强度不够、膨胀性不足等诸多问题, 因此研制高性能灌浆料对实现建筑产业化意义重大。

由于灌浆料的强度要求较高, 故试验需采用高强度早强水泥, 选取华东地区某品牌52.5R水泥, 表面积为375m²/kg, 其标准稠度用水27.2%, 初凝2h20min, 终凝3h。

硅灰粒径较小, 硅灰和水泥颗粒搅拌在一起能使灌浆料密实度更高, 硅灰可以提高灌浆料的抗压、抗折和抗渗等性能^[2]。同时, 硅灰的价格较水泥低, 能够降低成本。本试验用北京某公司生产的硅灰。

粉煤灰不但可以增强砂浆的密实性, 而且可以降低成本, 提高砂浆的力学性能^[3], 但粉煤灰在施工过程中会造成粉尘污染。本试验采用某电厂一级粉煤灰。

矿粉可以减少砂浆的泌水量, 同时不损害灌浆料的流动性, 改善灌浆料的和易性^[4]。本试验采用河北某公司生产的超细矿粉, 运费较为适中。

采用三种粒径的砂子。石英砂粒径分别为0.15~0.3mm, 0.21~0.43mm, 0.5~1.0mm。

塑性膨胀剂是保证灌浆料早期膨胀性能的重要试剂。本试验膨胀剂由北京某公司提供。

缓凝剂对灌浆料影响特别明显, 它可以延缓水泥的水化过程^[5]。本试验采用的是酒石酸缓凝剂。

试验采用固体聚羧酸系减水剂。聚羧酸系减水剂与水泥适应性好, 但聚羧酸系减水剂也有不足之处。首先是聚羧酸系的功能性产品较少;其次是它的黏度高, 在高掺合材、低水胶比混凝土配制中, 砂浆黏度高, 不利于施工^[6]。

本试验的消泡剂是有机硅, 消泡效果符合试验的要求。

采用普通自来水。

灌浆料的流动性是保证灌浆料能够正常使用的重要指标, 根据《水泥基灌浆材料应用技术规范》, 用微坍落度测量灌浆料的流动度^[7]。

锥模上口直径为70mm, 下口直径为100mm, 锥模的高度为60mm;将刚搅拌好的灌浆料倒入锥模中, 锥模下面放置玻璃板使灌浆料能无阻力地流动, 用刮刀将上口刮平后将锥模匀速提起, 当灌浆料在玻璃板上流动静止时, 测量两个垂直方向的尺寸得平均值。

根据《水泥基灌浆料应用技术规范》, 采用百分表法进行测量^[8], 如前所述砂浆竖直自由膨胀率对整个灌浆料性能来说至关重要。具体步骤如下:在试模中间位置处水平放上光滑的玻璃板;把拌合料倒入试模, 一次倒入, 将两侧的浆体用湿棉丝覆盖;在玻璃板中央处垂直 (与玻璃板) 放上百分表测量头, 固定好装置;当时间为30s时, 记录读数, 记为H₀, 操作时间过程不宜过长, 应该在3min内完成, 在加水搅拌后的3h和24h的时候, 读取百分表的读数H_t, 在操作的整个过程中, 要保持整个装置稳定不受外力的干扰, 不产生震动, 此外还需要确保整个过程中试样的成型养护温度为 (20±2) ℃。

竖向膨胀率的具体计算如式 (1) :

式中:ε_t—试验计算试件的竖向膨胀率, %;

H₀—所用试件初始的高度, mm;

H_t—时间从加水搅拌开始t后的试件高度, mm;

H—试件规定的基准高度, 取l00mm。

抗折抗压试验使用的仪器是全自动水泥强度试验机, 灌浆料的抗折、抗压强度直接关系到灌浆料在实际应用中的效果。抗折试验过程中, 我们设定速度均匀加载, 试验速度为50N/S, 抗压强度试验过程中, 速度也为均匀加载, 速度为4KN/S^[9]。

水泥基灌浆料良好的性能是保证其工程应用的前提, 影响灌浆料性能的因素有很多, 试验材料如第二部分所述, 分别是P.II52.5R海螺水泥、粒径分别为0.15~0.3mm, 0.21~0.43mm, 0.5~1.0mm的普通砂, 以河北灵寿县恒石矿产品工厂的粉煤灰、河北科旭建材有限公司生产的硅灰、河北廊坊双贵化工产品销售有限公司的聚羧酸系减水剂、河北闵诺生物科技有限公司的酒石酸缓凝剂为原材料。实验采取的胶砂比为1/1。下面对各种因素对它的影响进行分析。

将原材料加进砂浆搅拌机内, 加水搅拌制成灌浆料。按照规定的时间搅拌, 制成后直接按照《水泥胶砂流动度测试方法》进行流动度测试, 首先按照经验值大致设定几组水胶比, 当水胶比在0.24~0.26时比较合适, 我们从这几组水胶比中选取几组来表明不同水胶比对水泥基灌浆料工作性的影响, 见表1。

由表1可知, 对水泥基灌浆料, 当水胶比为0.24时, 可以保证初始流动度大于300, 水胶比低有利于灌浆料的强度。灌浆料强度是灌浆料性能的基本保证, 而配比中的水分和强度成反比, 但配比中水分过低会影响灌浆料的流动性;尤其是静止0.5h的流动度。0.24的水胶比可以保证初始流动度在310mm以上, 30min后的流动度在300mm以上。从试验结果可看出, 流动性随着水胶比的增大而提高, 含水量增多, 流动性自然增加。

灌浆料要想获得较大的流动性必须掺加高效减水剂^[10]。但是, 减水剂与不同水泥之间的适应性有很大差别。试验在原材料基础上掺入不同量的聚羧酸系高效减水剂, 测定水泥基砂浆初始流动度, 结果见表2。

由表2可以看出, 聚羧酸系的掺量和灌浆料的流动性成正比关系, 当其掺量超过0.7%时, 会出现离析泌水等现象, 所以本试验采用0.7%的掺量, 满足灌浆料的试验要求。

增稠剂可以保证灌浆料的黏稠性。但当增稠剂的掺量超过0.01%时, 灌浆料的强度会呈现断崖式的下降^[11]。试验在原材料的基础上掺入不同剂量的有机硅, 测定水泥基砂浆流动度, 结果见表3。

由表3可知, 随着增稠剂用量的增加, 灌浆料的流动性先增加后降低, 说明增稠剂对灌浆料的工作性有一个最佳掺加量在0.0072%~0.0083%之间, 本试验取0.0072%满足要求。

试验在原材料的基础上掺入酒石酸缓凝剂。第一组试验没有加入酒石酸, 按照不同的酒石酸掺量做三组对比试验, 按照《水泥胶砂流动度测试方法》所示的要求进行流动度测试, 见表4。

由表4可看出, 当灌浆料里不掺加缓凝剂时, 灌浆料30min后的流动度低于300mm, 不满足灌浆料的要求, 需要掺加缓凝剂来延长灌浆料的凝固时间;当掺加量为0.3%时, 灌浆料会出现过分缓凝的现象, 会抑制灌浆料的水化, 影响灌浆料强度的增长, 本试验取缓凝剂掺量为0.2%。

灌浆料的强度是灌浆料重要的一种性能, 它直接影响装配式建筑整体的使用性和耐久性。本节对灌浆料强度做出具体的分析。

将不同水胶比的灌浆料制好后, 倒入尺寸为40mm×40mm×160mm的试模中, 试模为标准的三联模, 每块模具可以得出一组灌浆料强度的数据, 三组数据求得平均值即为这次灌浆料强度的实验值, 将其装满、刮平。标准养护后测量1d、3d、28d的抗压强度值。

通过调节水胶比, 测定不同水胶比的强度数据。试验结果见表5。

由表5可知, 水胶比和1d、3d、28d的强度成反比, 因为灌浆料中水分增多, 会形成很多的自由水分, 自由水蒸发以后在浆体内部会留下大量的毛细孔, 这些毛细孔在试件受压时大大降低了试件的强度^[12]。但是不能一味地降低水胶比, 首先是水胶比过低会影响灌浆料的流动性, 其次是如果材料里水分过少, 部分水泥无法发生水化反应, 也会影响到灌浆料的强度。由试验数据可知, 当水胶比为0.24时, 其灌浆料强度符合要求。

试验掺加不同比例的塑性膨胀剂, 来研究塑性膨胀剂对灌浆料强度的影响, 将按照上述配比制备的灌浆料倒入尺寸为40mm×40mm×160mm的试模中, 试模为标准的三联模, 每块模具可以得出一组灌浆料强度的数据, 三组数据求得平均值即为这次灌浆料强度的试验值, 将其装满、刮平。标准养护后测量1d、3d、28d的抗压强度值。不同膨胀剂掺量下灌浆料的强度见表6。

试验往材料里加入不同量的消泡剂, 倒入尺寸为40mm×40mm×160mm的试模中, 试模为标准的三联模, 每块模具可以得出一组灌浆料强度的数据, 三组数据求得平均值即为这次灌浆料强度的实验值, 将其装满、刮平。标准养护后测量1d、3d、28d的抗压强度值。灌浆料的强度见表7。

由表7可知, 随着消泡剂掺量的增加, 灌浆料内部的气泡越来越少, 灌浆料内部结构愈加密实, 进而灌浆料的强度越来越强。本试验取0.03%。

体积稳定性是灌浆料性能的重要指标, 因为当把灌浆料倒入套筒内时, 如果灌浆料发生收缩, 那么会严重影响整个钢筋套筒的拉拔性能, 在实际应用的过程中钢筋很可能会被抽出, 关系到建筑物的整体稳定性。灌浆料的膨胀可以分为浆体早期膨胀 (凝结前的膨胀) 和浆体中后期膨胀 (凝结后的膨胀) 。

实验采用塑性膨胀剂和UEA膨胀剂, 当只采用塑性膨胀剂时, 膨胀的系数见表8。

塑性膨胀剂掺量和早期膨胀量成正比, 但塑性膨胀剂不能保证灌浆料的后期膨胀率, 而后期膨胀率也是灌浆料重要的性能之一^[13], 所以需要掺加普通的UEA膨胀剂。试验取塑性膨胀剂掺量为0.2%时, 灌浆料膨胀率可以到达0.022%, 满足膨胀率的要求。

试验采用塑性膨胀剂和UEA膨胀剂, 固定塑性膨胀剂为0.05%时, 不同UEA膨胀剂下灌浆料的膨胀系数见表9。

由表9可知, 纯水泥的灌浆料拌合一段时间后就会产生收缩;掺加UEA膨胀剂后, 浆体的自由膨胀率显著增大;成型3h时, 掺1%、3%、5%, UEA膨胀剂浆体的竖直自由膨胀率分别为0.2%、0.4%、0.51%;24h时, 浆体的竖直自由膨胀率分别为0.02%、0.03%、0.04%。试验采用UEA膨胀剂的掺量为5%。

灌浆料中骨料的含量关系到整个灌浆料的性能, 骨料过少会降低灌浆料的流动性, 试验采用单一变量原则, 在相同的条件下分别研究胶砂比为1∶1、1∶1.25、1∶1.5的流动性, 试验结果见表10。

由表10可知, 当胶砂比为1∶1.25和1∶1.5时, 灌浆料的流动不均达不到300mm, 当然如果掺加聚羧酸系, 灌浆料流动度可以得到提升, 这里为了保证灌浆料在任何条件下能够得到较高的流动度 (初始和30min后的流动度都大于300mm) , 所以本试验选取的胶砂比为1∶1。

胶凝材料是灌浆料最基本的构成材料, 如果只是用水泥作为灌浆料的胶凝材料, 制备的灌浆料达不到理想的状态, 纵使外加剂搭配合理也会因其胶凝材料密实度不够, 生产出来的灌浆料强度很难达到标准的要求。所以选取合理的矿物掺合料对灌浆料来说十分必要^[14], 根据最大密实度理论, 来选择和水泥搭配的矿物掺合料及矿物掺合料好的流动性和强度, 确定硅灰与粉煤灰的最佳掺量, 发挥各自的优势, 这样得到的胶凝材料最密实, 把已经搅匀的矿物掺合料装进相同容积的容器中去, 测它们的重量, 试验数据见表11。

由表11可知, 当硅灰掺量为5%、粉煤灰掺量为8%时, 容积的重量最大, 可知此时容积内的干粉密实度最高, 同时硅灰掺量为5%、粉煤灰掺量为8%时, 也符合矿物掺合料产量对灌浆料经济因素和强度、流动性等性能的影响。故本试验所用掺量为硅灰5%、粉煤灰8%。

最后确定出其最佳配合比见表12, 按照最佳配合比配制灌浆料后对其各项性能指标进行测试, 试验结果见表13。

实验数据如下:由表13可知, 各项性能均能满足JG/T408-2013《钢筋连接套筒灌浆料》行业标准的要求。

此外, 由于各家公司的粉煤灰和硅灰效果差异比较大, 虽然试验中已经尽力选取了较好的矿物掺合料, 但是仍然需要在多家公司的样品中通过试验进行选择, 不能选取更加适合灌浆料的矿物掺合料十分遗憾。