近年来, 随着国家推进建筑产业现代化和促进传统建筑业转型升级的迫切需要, 明确提出了大力发展装配式建筑, 不断提高装配式建筑在新建筑中比例的重大战略。装配式混凝土结构 (Prefabricated concrete structure) 是以预制构件为主, 经装配、连接而成的混凝土结构, 因其工业化程度高、建造速度快、结构整体性能好、产品质量高、效益好等优点, 在国内得到了迅速推广及使用。对于装配式混凝土建筑结构, 其技术的关键是构件之间的连接。构件之间的节点是整体结构的传力枢纽, 同时也是其最为薄弱的环节, 如果构件之间的连接出现问题, 则会影响力的传递, 引起结构解体、垮塌等严重后果^[1,2,3,4]。

目前, 装配式混凝土结构普遍采用的是钢筋灌浆套筒连接技术, 即采用内部空腔具有凹凸结构的高强度圆形套筒, 将构件中预留钢筋由两端插入, 并通过灌浆机注入由水泥、细骨料、外加剂和矿物掺合料等材料组成的微膨胀高强灌浆料, 灌浆料在套筒内硬化后, 套筒、预留钢筋被牢固地粘结成整体, 通过套筒内灌浆料的剪切强度来传递轴向力。灌浆套筒连接技术的优势为灌浆料增强了构件连接处吸收能量的能力, 有效减小了应力集中, 施工方便, 容易操作。

套筒灌浆料的性能则是钢筋套筒连接可靠性的主要保障, 其性能优劣对结构安全性以及耐久性等均起着至关重要的作用^[5,6,7,8]。标准《钢筋连接用套筒灌浆料》JG/T408-2013对其性能提出了严格的要求^[9]:流动度应在180~300 mm之间;膨胀率应在0%~0.5%范围;力学强度:龄期为1 d的抗压强度大于或等于35 MPa, 7 d抗压强度大于或等于60 MPa, 28 d抗压强度大于或等于85 MPa;氯离子含量小于或等于0.03%;泌水率为0%。为此, 国内外学者对钢筋套筒灌浆料的力学强度、流动性及膨胀性等性能做了大量研究。本文对钢筋套筒灌浆料的研究和应用现状进行了总结, 为装配式混凝土结构钢筋套筒灌浆料下一步的发展提供借鉴。

钢筋套筒灌浆料是以水泥为胶凝材料, 配以细骨料、混凝土外加剂及其他材料组成的, 加水搅拌后具有良好的流动性及早强、高强、微膨胀等性能, 填充于套筒和带肋钢筋间隙内的干粉料^[8,9]。

在常规灌浆施工中, 所用灌浆材料根据材料的性质可分为两大类:一类是化学灌浆材料, 主要有丙烯酞胺类灌浆材料、环氧树脂灌浆材料、水溶性化学灌浆材料、水溶性聚氨酯化学灌浆材料, 这类灌浆材料粘度低, 有较好的可注性, 能注入结构中细小孔隙或裂隙, 且凝结时间可调控, 其缺点是强度不高、耐久性较差、对环境具有一定的污染及价格较贵;另一类是非化学灌浆材料, 主要有水泥灌浆料、粘土灌浆料以及水泥粘土复合灌浆料等, 这类灌浆材料来源广泛、成本低、强度高、无毒、耐久性好, 但非化学灌浆材料的颗粒对浆体的稳定性、泌水率、收缩率等影响较大。

装配式混凝土结构工程应用的钢筋套筒灌浆料主要是水泥基类灌浆料, 根据灌浆料中胶凝材料的不同可分为三类^{[10,11,12,13]}:

(1) 以硅酸盐类水泥为主要胶凝材料的灌浆料, 该类灌浆料配制简单, 成本较低, 应用广泛。硅酸盐类水泥具有凝结较慢、水化热较大、后期硬化收缩大等缺点, 一般通过在硅酸盐水泥中同时加入膨胀剂及其它外加剂控制水化硬化产生的体积收缩。

(2) 以硫铝酸盐类水泥为主要胶凝材料的灌浆料, 这类灌浆料凝结快, 有较高的早期强度及可靠的膨胀性, 主要应用在客运专线盆式橡胶支座的灌浆以及水泥混凝土路面的快速修补等工程。但是, 硫铝酸盐水泥生产成本较高, 后期强度不高, 使得灌浆料在具有早强特性的同时会出现凝结速度太快、施工可操作时间短、流动度经时损失大等问题。

(3) 以硅酸盐类水泥与硫铝酸盐水泥 (或铝酸盐水泥) 复配体系为主要胶凝材料的灌浆料。此类材料的早期和后期强度均较高, 但由于原料成分较复杂, 且配合比需经常调整, 稳定性差, 通常应用石膏等缓凝剂控制钙矾石生成的数量来改善复合体系的力学性能及膨胀性能。

水胶比、胶砂比是灌浆料配合比的重要参数, 水胶比与胶砂比的大小不仅影响灌浆料的力学强度、密实度, 还会影响到灌浆料的流动度、泌水率。

汪秀石^[14]通过流动度、强度和膨胀性试验, 对高强套筒灌浆料配合比进行了优化设计, 得出最优配合比, 并研究了水胶比、减水剂掺量和膨胀剂掺量与其性能关系, 当水胶比为0.29, 胶砂比为0.86时, 灌浆料具有较好的流动度和力学强度。成志强等^[15]通过研究水胶比、砂胶比等因素对水泥基灌浆材料泌水率的影响, 研究发现随水泥基灌浆材料水胶比的增大, 泌水率呈上升趋势, 最佳水胶比为0.55。孙长征等^[16]研究了铝酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、石膏和硅灰四元复合体系超早强灌浆料的流动度、凝结时间和力学性能, 研究表明采用高胶砂比, 灌浆料的初始流动度大于325 mm, 30 min流动度大于280 mm, 28 d抗压强度大于99.9 MPa。赵素宁^[17]研究了水胶比、加水方式以及搅拌时间对套筒灌浆料物理性能的影响, 研究表明, 增加水胶比或搅拌时间能够改善流动性, 搅拌时采用二次加水增大灌浆料流动度, 随着用水量的增加, 流动度变大而强度则会降低。

由此可见, 现有研究通过配合比设计, 采用高水胶比、高胶砂比, 并掺入一定外掺料使得灌浆料具有较好的流动度和力学强度, 能满足工程施工要求, 但高水胶比灌浆料易出现离析和泌水现象, 高胶砂比则会使水泥水化过程中释放大量水化热, 而水泥水化不完全, 使得材料强度降低。合适的水胶比、胶砂比, 可减少水泥灌浆料的单位用水量, 并有效改善灌浆料的流动性、和易性及泌水和离析等现象。

矿物掺合料是高性能灌浆料的重要原材料之一。矿物掺合料能改善、调节灌浆料在施工过程中的物理性能, 尤其是耐久性及抗氯离子渗透性。

董军军等^[13]配制出硫铝酸盐水泥-硅酸盐水泥-石膏的三元复合体系新型套筒灌浆料, 并研究了硅灰、粉煤灰和矿粉对浆体流动度、抗压强度以及竖向膨胀率等性能的影响, 研究表明粉煤灰与矿粉复掺能显著改善灌浆料的流动度, 硅灰和矿粉复掺则对强度的作用最大, 浆体竖向膨胀率受粉煤灰影响最大。韩玮霖等^[18]以快硬硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥作为胶凝材料, 研究粉煤灰、硅灰、偏高岭土等组分对灌浆料物理力学性能、流动度和泛霜程度的影响, 结果表明硅灰掺量为7%、粉煤灰10%和偏高岭土掺量5%时, 灌浆材料流动性、强度和泛霜程度均满足工程要求。高安庆^[19]对矿物掺合料、骨料等与高强钢筋套筒灌浆料各项性能的作用和影响关系进行了研究, 通过试验制备出一种28 d抗压强度大于110 MPa, 且具有较高流动度和膨胀率的高强钢筋套筒灌浆料。杨萍等^[20]研究了粉煤灰和偏高岭土对高贝利特水泥基灌浆材料物理力学性能的影响规律, 研究表明粉煤灰可减缓灌浆材料水化速度, 减小灌浆材料因水化热引起的温升, 对防止灌浆材料产生温度裂缝十分有利;偏高岭土则起到增加灌浆材料的密实度和强度的作用, 粉煤灰与偏高岭土复掺, 提高了灌浆材料的综合性能, 增加了灌浆料耐久性。刘娟红等^[21]研究了特制砂、粉煤灰及抗裂防水剂对高性能水泥基灌浆材料收缩性能的影响, 结果发现特制砂和粉煤灰掺量的增大会降低水泥基灌浆材料的收缩率, 这是由于骨料的骨架作用及粉煤灰的掺加相应减少了水泥用量, 减慢了早期的水化反应, 延长了水泥基灌浆材料浆体中自由水的消耗, 减小了自收缩。刘正元等^[22]利用燃煤固硫灰、火山灰具有活性、自硬性及膨胀性的优点, 配制出性能优异、成本低的灌浆料, 研究发现在固硫灰粒径为8.4μm、掺量为40%时, 灌浆料具有较好的流动性与力学强度。

矿物掺合料的火山灰效应能使水泥水化产物Ca (OH) ₂产生二次水化, 增加低碱度的C-S-H凝胶, 改善了水泥石与集料间的界面结构, 从而降低浆体孔隙率, 提高了灌浆料的力学强度与耐久性。

在套筒灌浆料中掺入外加剂, 可调节灌浆料凝结和硬化速率, 加速或延缓凝结时间, 提高灌浆料的稳定性、耐久性、防渗漏和抵抗破裂等。外加剂种类和掺量不同对灌浆料强度、流动性等影响也不相同。

王冬等^[23]开发出HLC-PE水泥基灌浆材料有机塑性膨胀剂, 并对其进行了研究, 结果表明HLC-PE掺量为水泥用量的1%~3%时, 水泥基灌浆材料具有较好的竖向膨胀性, 且HLC-PE与硫铝酸钙膨胀剂复合使用可有效弥补水泥基灌浆材料随龄期而产生的体积收缩, 保证了灌浆质量及体积稳定性。张毅等^[24]研究了掺有膨胀剂和早强剂的硅酸盐水泥灌浆料的水化机理, 结果表明膨胀剂有效解决了灌浆料收缩问题, 掺量为6%时, 灌浆料24 h膨胀率为0.027%, 此外, 膨胀剂对水泥水化产物影响不大, 有利于生成收缩较小的钙矾石晶体。何涛等^[25]研究了生物胶、缓凝剂、消泡剂在不同剪切速率下对灌浆料表观粘度的影响, 同时还研究了料浆的触变性能, 结果表明剪切速率不同, 外加剂品种及掺量不同, 灌浆料粘度随时间的变化亦不一样, 生物胶能增加灌浆料粘度, 缓凝剂则会降低其粘度, 此外, 生物胶与缓凝剂能够减小灌浆料的触变性, 消泡剂则会增大其触变性。

自钢筋套筒灌浆连接技术发明以来, 其一直应用于建筑工程, 最早使用套筒连接技术的是美国, 上世纪60年代, 夏威夷38层阿拉莫阿那酒店工程中首次采用了该技术进行预制混凝土柱间的连接。1972年日本Nisso Master Builders (NMB) 公司引进该项技术, 对其进一步研究, 并将其应用于工程、生产中, 如日本横滨38层框架结构的公寓楼。国内由于近年来建筑行业的快速发展, 钢筋套筒灌浆连接技术在装配式建筑结构领域得到广泛应用。上海市杨浦区某商业办公楼项目, 该项目由3栋多层和1栋高层建筑组成, 其中高层建筑为装配整体式框架-核心筒结构, 该工程框架体系中预制柱的竖向钢筋采用的就是套筒灌浆连接法。上海市青浦区的中建虹桥生态商业社区项目, 采用装配式整体框架, 其预制柱之间采用钢筋套筒灌浆连接技术进行连接。此外, 南京万科上坊全预制装配式整体式框架保障性住房项目, 沈阳万科春河里16层框架结构住宅项目以及上海城建集团浦江镇装配式住宅项目等均采用钢筋套筒灌浆连接技术。

灌浆料作为钢筋套筒连接工艺中的粘结剂, 是保证装配式建筑构件连接质量和结构可靠性的关键所在。目前工程中使用的套筒灌浆料主要存下以下几个问题^{[26,27,28,29,30]}:

(1) 初始流动度不高, 且流动性损失较大, 使得可注性较差, 从而影响施工效率, 施工便捷性受到约束。

(2) 初始力学强度不足, 体积收缩, 无法满足装配式建筑结构快速施工的进度及安全要求。灌浆料的高强度和微膨胀性是保证套筒内部浆料的密实度、使其与预留带肋钢筋粘结紧密的重要指标。

(3) 灌浆料性能受温度变化、施工季度影响大, 不具备较强的适应性及较好的稳定性。

(4) 难以满足多种情况下的装配式建筑构件连接使用。目前, 装配式建筑构件连接方向具有多样性, 且连接部位受力方向也是多样性的, 但传统灌浆料的力学性能侧重于抗压强度, 而抗拉强度、抗折强度性能等非常有限。

(5) 套筒灌浆料原料及外掺料复杂, 容易导致其性能不稳定和生产成本高, 难以满足经济效益和性能要求。

鉴于目前的研究和应用现状, 钢筋套筒灌浆料未来的发展主要以高性能硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥或两者复配体系作为胶凝材料, 通过改变胶砂比、颗粒级配, 使其具有较好的流动度和较高的力学强度, 并在此基础上掺入一定的外加剂和外掺料, 优化灌浆料配比、改善其配合比缺陷、减少复杂性, 使其性能稳定而不受限于施工环境。其次, 灌浆料凝结时间应能准确控制, 并可以在几秒到数小时范围内任意调整, 满足现场施工需求。此外, 灌浆料还需在各方向上具有良好的力学强度, 满足装配式建筑结构工程构件连接多样化的需求。因此, 未来灌浆料不仅要满足流动度、膨胀率、力学强度、工作性、充盈性和抗钢筋锈蚀的综合要求, 还要求材料性能配合比稳定, 施工简单, 灌浆便捷高效, 质量稳定。

钢筋套筒连接技术使装配式建筑结构的整体性能得到提高, 节约成本、降低能耗, 推动了建筑产业化发展, 减少环境污染, 符合绿色发展要求, 具有广阔市场。国内外学者对灌浆料进行了系列研究, 主要从配合比、外加剂及矿物掺合料等方面对灌浆料的力学强度、流动性及膨胀性等性能影响做了相关研究, 并取得一定的成果。但是, 灌浆料仍存在一些问题, 如收缩过大、流动性差、早期强度偏低以及价格昂贵等, 这些因素制约着装配式建筑结构的发展。因此, 开展新型钢筋套筒灌浆料的应用研究具有重要意义。