近年来, 随着国务院办公厅《关于大力发展装配式建筑的指导意见》 (国办发[2016]71号) 文件的出台, 我国装配式建筑开始进一步发展。所谓装配式建筑, 是用预制构件、部品部件在工地装配而成的建筑。发展装配式建筑是传统现浇方式的重大变革, 有利于节约能源、减少施工污染、提升劳动生产率和质量安全水平。装配式混凝土结构要达到现浇结构抗震及其他性能要求, 必须保证预制构件与预制构件之间或者现浇部分与预制构件之间的节点或接缝的承载力、刚度、防水等性能不低于现浇结构, 可见节点或节缝的连接十分关键^[1]。预制构件之间连接方式有钢筋套筒灌浆连接、焊接连接、浆锚搭接、机械连接、螺栓连接和栓焊混合连接、绑扎连接等, 而现阶段应用最广的为钢筋套筒灌浆连接, 钢筋套筒灌浆料应满足可操作时间长、早强、高强、大流动度、微膨胀等性能, 现阶段市场上出现的套筒灌浆料基本靠特种水泥来提高前期强度, 后期工程应用稳定性令人堪忧^[2,3]。本文通过钢筋套筒灌浆料配合比设计、物理力学性能和膨胀性能研究分析与讨论配制新型高强微膨胀钢筋套筒灌浆料。

普通硅酸盐水泥采用台泥52.5普通硅酸盐水泥, 初凝和终凝时间分别为130min与280min, 3d、28d胶砂强度为25.1MPa与52.5MPa, 比表面积350m²/kg, 其主要矿物成分如表1;硫铝酸盐水泥采用唐山42.5R快硬性硫铝酸盐水泥, 初凝/终凝时间分别为24min与205min, 3d、28d胶砂强度为45.5MPa与52.3MPa, 比表面积为390m²/kg, 其主要矿物成分如表2。

二水石膏:南京汤山新型建材厂。集料:石英砂, 细度模数2.6。外加剂:PC聚羧酸减水剂, X型消泡剂, H型缓凝剂, B型保水剂。水:实验室自来水。

(1) 硫铝酸盐水泥与普通硅酸水泥复配使用时, 常出现闪凝现象, 钢筋套筒灌浆料在具有早期大流动度的同时, 更要保证0.5h后流动度, 掺入适量缓凝剂, 可推迟复合后水泥凝结时间, 从而保证钢筋套筒灌浆料加水搅拌后工作性能。

(2) 保证钢筋套筒灌浆料工作性能的同时, 降低水料比可提高钢筋套筒灌浆料强度, 向钢筋套筒灌浆料中掺入一定量高性能聚羧酸减水剂, 即可提高套筒灌浆料的流动度, 也可提高其早期强度。

(3) 加水后高速搅拌钢筋套筒灌浆料会引入一定量的气体, 导致硬化后不够密实而降低钢筋套筒灌浆料强度, 掺入适量消泡剂可消除机械搅拌而引入的气泡, 从而提高硬化强度。

(4) 钢筋套筒灌浆料比普通灌浆料要求更大流动度, 单纯靠提高水料及减水剂将会造成浆料浮浆、泌水现象, 影响浆料性能。所以在考虑水料比、减水剂的同时, 掺入少量保水剂增加浆料稠度, 保证集料均匀分布于浆料中, 提高钢筋套筒灌浆料工作性能。

(5) 水泥石在硬化后会出现收缩现象, 掺入硫铝酸盐水泥和二水石膏, 水化后生成针状钙矾石可有效补偿收缩。

钢筋套筒灌浆料流动度试验:按JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》中附录A进行流动度试验, 其截锥圆模尺寸为下口径 (100±0.5) mm, 上口内径 (70±0.5) mm, 高 (60±0.5) mm。抗压强度试验:按附录B中进行试验, 其抗压强度试件采用尺寸为40mm×40mm×160mm的棱柱体, 按GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验》测定规定龄期钢筋套筒灌浆料水泥石强度。竖向膨胀率试验:按附录表C中要求进行试验, 其竖向膨胀率计算按公式 (1) 进行计算:

其中:

ε_t——竖向膨胀率;

h_t——试件龄期为t时的高度读数, mm;

h₀——试件高度的初始读数, mm;

h——试件基准高度100, mm。

在相同掺水量的前提下, 制备胶砂比为1:1、1:1.25、1:1.5、1:1.75的钢筋套筒灌浆料进行流动度试验, 其试验结果如表3所示。

随着胶砂比的增大, 钢筋套筒灌浆料初始流动度及0.5h后流动度开始减少, 当胶砂比在1:1.5时, 钢筋套筒灌浆料0.5h经时流动度已不满足JG/T 408—2013流动度要求, 原因是骨料中砂的掺入量增加, 胶浆料相对减少, 包裹于骨料颗粒的浆料变得稀薄, 骨料滚动阻力变大, 从而浆料粘度变大, 流动性能减少, 经确定钢筋套筒灌浆料宜采用最佳胶砂比为1:1。

掺水量是影响钢筋套筒灌浆料流动度及水泥石强度的重要因素。为更好研究掺水量对钢筋套筒灌浆料性能的影响, 采用42.5R硫铝酸盐水泥3.5%、52.5普通硅酸盐水泥为41.5%, 另外砂集料、复合外加剂 (PC减水剂、B型保水剂、X型消泡剂、P型缓凝剂) 、二水石膏含量分别为49.89%、 (0.18%、0.05%、0.08%、0.3%) 、4.5%, 以相同配合比不同掺水量进行试验, 其试验结果如表4、图1所示。

影响钢筋筒灌浆料流动性主要影响因素有掺水量、水泥、各矿物掺合料细度等。由表4所示可知, 对于钢筋套筒灌浆料, 在保证初始流动度在300mm以上的情况下, 掺水量可降至13.5%, 随着掺水量的增加, 钢筋套筒灌浆料初始流动度及0.5h后流动度均有不同程度增加, 但当掺水量在14%时, 钢筋套筒灌浆料初始流动度330mm, 0.5h后流动度达到310mm。当掺水量达到15%以后, 钢筋套筒灌浆料出现稍许泌水现象, 其原因是减水剂可以较少水泥需水量, 当掺水量大于钢筋套筒灌浆料水泥水化需水量时, 拌合水将以自由水的形式泌出。

掺水量是影响钢筋套筒灌浆料强度的重要因素。为考察掺水量对其强度的影响, 其不同掺水量对灌浆强度的影响如表5和图2所示,

从图表中可以看出, 钢筋套筒灌浆料1d、3d、28d强度随掺水量的增加呈先增加后降低的趋势, 其原因可能是当掺水量在14%时, 掺水量满足灌浆料中胶凝材料水化需水量。试验表明, 当掺水量达14%时, 钢筋套筒灌浆料28d强度达最大值96.3MPa。

硫铝酸盐水泥可以有效提高钢筋套筒灌浆料早期强度, 但凝结过快、水化热太高。因此, 采用42.5R硫铝酸盐水泥与52.5普通硅酸盐水泥复配作为钢筋套筒灌浆料的胶凝材料。其中胶凝材料为45%, 掺水量为14%, 另外砂集料、复合外加剂 (PC减水剂、B型保水剂、X型消泡剂、P型缓凝剂) 、二水石膏含量分别为49.89%、 (0.18%、0.05%、0.08%、0.3%) 、4.5%, 均匀混合后加水搅拌3min, 测量0h和0.5h后套筒灌浆料料液流动度, 成型后测1d、3d、28d水泥石强度, 其测试结果表6所示。

由表6可知, 钢筋套筒灌浆料随着硫铝酸盐水泥掺量的增加, 初始流动度及0.5h后流动度呈先增后减的趋势, 0h增大与减少的程度相差不大。当硫铝酸盐水泥掺量达到钢筋套筒灌浆材料的3.5%时, 钢筋套筒灌浆料浆料流动度达到330mm最大值, 其原因是钢筋套筒灌浆料加水搅拌后, 水泥颗粒几乎未水化, 产生的絮状凝胶较少, 其阻碍力随之较小, 加之聚羧酸减水剂包裹于水泥颗粒表面起润滑作用, 所以初期硫铝酸盐水泥掺量对钢筋套筒灌浆料料浆不会产生较大影响, 硫铝酸盐水泥掺量在3%~5%之间均满足JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》初始流动度要求。0.5h后流动度只有掺量在3%、3.5%、4%时满足标准要求。

硫铝酸盐水泥主要由无水硫酸钙和硅酸二钙矿物组成, 普通硅酸盐水泥由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙矿物组成。一般情况下不混合使用, 由此试验表明, 硫铝酸盐复配普通硅酸盐水泥最佳掺量为8%左右。由表7和图3可以看出, 随着硫铝酸盐水泥掺量的增加及养护时间的不同, 钢筋套筒灌浆料的强度表现出不同的变化趋势, 基本趋势随着硫铝酸盐掺量的增加呈先增大后减小, 说明硫铝酸盐水泥可以提高钢筋套筒灌浆料早期强度, 当硫铝酸盐水泥掺量在3.5%时, 钢筋套筒灌浆料1d强度达39.5MPa, 28d强度可达到99.4MPa。这说明当硫铝酸盐水泥掺量在3.5%时, 两种水泥复配相互作用较为剧烈, 硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥水化程度较高。当硫铝酸盐水泥掺量大于3.5%以后, 钢筋套筒灌浆料强度有所下降, 由于硫铝酸盐水泥颗粒3d水化基本结束, 强度往往在早期提供, 后期主要依靠普通硅酸盐水泥提供强度, 硫铝酸盐水泥含量的增加从一方面减少普通硅酸盐的含量, 加之硫铝酸盐的水化争夺钢筋套筒灌浆料中拌合水, 产生凝胶包裹于普通硅酸盐水泥颗粒, 阻止水化继续进行, 致使强度有所降低^[4]。

减水剂为一种表面活性剂, 其主要减水机理是减水剂分子的表面所带基团可有效减弱或消除水泥颗粒早期凝聚现象。聚羧酸减水剂分子链含有-OH、-COOH、-SO₃H官能团在水泥浆体中起缓凝作用, 这些官能团与水泥矿物质中Ca²⁺离子反应生成络合物包裹于水泥表面, 抑制水泥水化, 减少灌浆阻力, 从而水泥颗粒可以自由滚动^[5,6,7]。并充分排除凝胶物质中含有的自由水, 较少水化所需水量提高钢筋套筒灌浆料强度。

选取用42.5R硫铝酸盐水泥与52.5普通硅酸盐水泥含量分别为3.5%与41.5%, 掺水量为13.5%, 另外砂集料、复合外加剂 (B型保水剂、X型消泡剂、P型缓凝剂) 、二水石膏含量分别为49.89%、 (0.05%、0.08%、0.3%) 、4.5%, 改变聚羧酸减水剂掺量, 加水拌和0h与0.5h流动度及其强度, 其结果如表8、表9和图7所示。

由表9可知, 钢筋套筒灌浆料的流动度随着聚羧酸减水剂掺量增加而增加, 当掺量大于0.15%时, 初始流动度并未满足钢筋套筒灌浆料相关国家行业标准要求, 当聚羧酸掺量达到0.18%时, 钢筋套筒灌浆料初始流动度及0.5h流动度为330mm、310mm, 均满足国家行业标准要求, 当掺量达到0.20%时, 料浆初始流动度达350mm, 并出现轻微泌水现象。

钢筋套筒灌浆料在加入功能型外加剂聚羧酸以后, 聚羧酸减水剂自身亲水基团指向水溶液, 憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面, 使水泥颗粒带上同种电荷, 同种电荷相互排斥, 加之聚羧酸减水剂大分子梳妆结构产生的空间位阻, 致使水泥——水体系处于悬浮稳定状态, 达到减水、增大流动度作用。普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中含有的主要矿物水化产生交错絮状结构包裹大量自由水, 加入聚羧酸减水剂可释放浆料中部分自由水, 从而增大浆料强度^[8]。如表10和图5所示, 钢筋套筒灌浆料1d、3d、28d强度随聚羧酸减水剂的增大呈先增大后减少趋势。当聚羧酸减水剂掺量达0.18%时, 钢筋套筒灌浆料28d强度可达99.7MPa。当聚羧酸减水剂掺量大于0.18%时, 强度有所降低, 其可能原因是当灌浆料中加入相同当量的水, 聚羧酸释放大量自由水, 从而不同程度减少水泥水化用水量, 致使钢筋套筒灌浆料强度偏低^[9,10]。

水泥加水拌合以后在水化硬化过程中会产生一定量的体积收缩, 钢筋套筒灌浆料由于主要胶凝材料为普通硅酸盐水泥, 因此在加水搅拌后发生物理、化学变化而产生收缩现象。主要来自于几个原因: (1) 失水干缩; (2) 温度梯度冷缩; (3) 自身减缩。当钢筋套筒灌浆料硬化后抗拉强度小于收缩而产生的拉应力时, 钢筋套筒灌浆料浆体将出现裂纹, 严重影响钢筋套筒灌浆料水泥石强度, 对装配式建筑工程质量造成严重危害^[10-11]。

行业标准JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》中要求:套筒灌浆料3h竖向膨胀率大于等于0.02%, 24h与3h竖向膨胀率差值控制在0.02%~0.5%之间。在普通灌浆料中掺入硫铝酸盐水泥、石膏水化硬化后产生具有微膨胀的针状水化硫铝酸钙 (钙矾石) , 其配合比按2.3进行, SEM照片如图5所示, 针状钙矾石可有效补偿钢筋套筒灌浆料收缩而产生的微裂纹现象, 并可以有效提高钢筋套筒灌浆料水化硬化后的早期强度。其硫铝酸盐水泥掺量对钢筋套筒灌浆料水泥试件3h、24h膨胀率及3h与24h膨胀率差值见表10和图6。从图6可以看出, 钢筋套筒灌浆料随着硫铝酸盐水泥掺量的增加膨胀率随之增大, 当硫铝酸盐掺量达3.5%时, 其3h膨胀率和3h与24h膨胀率差值分别为0.030%、0.038%, 满足国家行业标准要求, 当硫铝酸盐掺量达5.0%时, 其3h膨胀率和3h与24h膨胀率差值分别为0.150%、0.3%, 但硫铝酸盐水泥掺量不宜过高, 否则钢筋套筒灌浆料中胶凝材料水化过快造成早期水化热过高, 而导致温度梯度收缩过大难以补偿灌浆水泥石开裂。

钢筋套筒灌浆料在装配式建筑中通常与钢筋套筒配合使用, 对于套筒、钢筋、灌浆料之间节点连接力, 灌浆料握裹及充盈度起着重要作用, 硫铝酸盐水泥膨胀剂的掺入有助于灌浆料在钢筋套筒内的充盈及压应力钢筋握裹效果。当硫铝酸盐水泥掺入3.5%时, 效果达到最佳, 钢筋套筒中灌浆硬化后剖面如图7所示。

(1) 钢筋套筒灌浆料中胶砂比影响其流动度, 试验确定胶砂比为1:1时流动度最佳。硫铝酸盐水泥与二水石膏混合水化生成针状钙矾石产生体积膨胀可有效补偿普通钢筋套筒灌浆料的收缩, 并可以有效增加钢筋套筒灌浆料早期强度, 且该配合比中钢筋套筒灌浆料硫铝酸盐水泥最佳掺量为3.5%。聚羧酸减水剂有效增加钢筋套筒灌浆料流动度、减少需水量、增加灌浆硬化强度, 保证施工性能, 且最佳掺量为0.18%。

(2) 本试验配制钢筋套筒灌浆料最佳掺水量、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、聚羧酸减水剂、复合外加剂 (B型保水剂、X型消泡剂、P型缓凝剂) 、二水石膏、中砂分别为14%、41.5%、3.5%、0.18%、 (0.05%、0.08%、0.3%) 、4.5%、49.89%时, 1d、3d、28d抗压强度分别为39.5MPa、70.5MPa、99.7MPa, 0h和0.5h流动度分别为330mm和310mm, 具有良好的物理力学性能及工作性能;3h膨胀率、3h与24h竖向膨胀率差值为0.035%、0.038%, 具有良好的微膨胀效果, 其各项指标均满足JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》技术指标要求, 适用于装配式建筑钢筋套筒连接灌浆材料。