不同掺量外加剂对高强套筒灌浆料性能的影响研究

徐 驰 杨玉海 李红霞

（中铁津桥工程检测有限公司，吉林 长春 130033）

装配式建筑施工中，可以在工厂标准化、集成化预制所需使用的构件，构件运输至施工现场，通过吊装、拼接、固定后即可完成，能够确保建筑结构的整体性。相较于常规施工方法，预制拼装有很多优势，一方面，各个构件均经过标准化流程生产，建筑质量有保障；另一方面，省去了现场制作构件环节，有效缩短了施工周期，耗能更低、环保性更好，具有良好的应用价值[1-2]。装配式建筑结构施工过程中，设置梁、柱、框架结构时，通常需要采用钢筋连接套筒，套筒构件的连接质量直接影响装配式建筑框架结构的整体性及安全性。工程实践中，需要保证套筒结构能够承受足够次数循环荷载后，依旧保持良好的受力状态，套筒内部灌浆料质量就必须得以保证，以确保结构安全可靠[3-4]。当前，国内外学界已经针对套筒灌浆材料进行了一系列研究，并取得了很多成果，但套筒灌浆料性能与掺加外加剂种类之间关系的研究数量尚少[5-6]。基于此，依托工程规范要求设计试验，评价不同外加剂种类下灌浆料的性能指标差异，以期寻找适用性更强的套筒灌浆料，保障装配式建筑施工高质量开展。

1 材料及配合比

1.1 试验材料

试验中所用水泥为采购自当地某水泥厂生产的低碱硅酸盐水泥，强度等级为52.5级；所用矿物掺合料取自当地生产的粉煤灰，所用粉煤灰含水量经检测显示在0.2%以下；所用骨料采购自某厂商的石英砂，含泥量在0.1%以下；试验中用水均为试验室自来水；所用外加剂包含UEA-Ⅱ型膨胀剂和羧酸系高性能减水剂。

其中，膨胀剂属塑性膨胀剂，该膨胀剂为铝矾土、氧化钙和碳在1700℃氮气环境下处理后所得到的产品磨细制备而成。该类膨胀剂能够在灌浆料进入塑性阶段时，充分与其中的水发生反应，反应产物中包含大量气体，气体一方面通过灌浆料微小孔道排出结构外，从而扩充灌浆料内部孔道，另一方面则部分停留于灌浆料结构中并形成微小气泡。在两方面共同作用下，实现灌浆料的微膨胀，进而避免塑性阶段灌浆料出现收缩等问题。试验所用UEA-Ⅱ膨胀剂，经工程实践检验，不会对钢筋产生锈蚀作用；同时由于膨胀剂组分当中不含钠盐，混凝土结构内部不会发生碱性骨料反应；膨胀性能好，应用后灌浆料强度性能显著提升，具有良好的应用价值。

1.2 配合比设计

依据相关规定要求试配高强套筒灌浆料，具体配合比见表1。

表1 试配灌浆料配合比/kg/m3

依据上述配合比，在设置水胶比始终为0.28 的基础上逐渐增加胶砂比，固定微硅粉和超细矿粉掺量的同时灵活变动粉煤灰掺量和水泥掺量，依据掺量灵活选择外加剂用量，正常情况下膨胀剂和减水剂掺量分别取10%和0.3%。

1.3 配合比试验结果

对试配混合料进行性能试验，以结果为依据即可进一步探究水胶比、外加剂和矿物掺合料等因素对灌浆料性能的影响，所得结果见表2。

表2 试配不同配合比下混合料性能

结合表2可知，各组混合料均具有良好的流动度水平，试验过程中并未发生混合料泌水等问题，A 组配合比下混合料1d 强度水平较低，略低于35MPa 的性能规范要求，其余性能水平良好，而除A组以外各组均具有良好的性能指标水平。

对比各组配合比下混合料的性能水平，结果显示各组混合料的流动度、强度水平均随胶砂比的提升而逐渐提升，但胶砂比达到0.95 时混合料的强度整体略有降低且流动度有所降低。综合考虑下认为C配合比下混合料具有更加优异的综合性能，因此，取该组配合比为基准开展后续试验。

2 水胶比对灌浆料的性能影响

装配式建筑采用高强套筒灌浆料施工时通常所用灌浆料会在水泥硬化过程中表现出一定收缩，导致结构整体早期抗压强度相对较低，同时膨胀性能难以满足工程规范要求。不同区域所制备灌浆料之间也表现出一定的地域差异性，其原因主要在于不同地区制备灌浆料所用原材料存在一定差异，因而各工程所用灌浆料材料不同，同时不同地域特征下灌浆料制备所受影响不同，导致同样的灌浆料可能在不同区域表现出差异较大的基础性能[7-8]。文中取工程所在区域材料，分别取0.27～0.32水胶比制备灌浆料混合料并分别评价不同组材料的强度、流动度差异，所得结果如图1、图2、图3所示。

图1 水胶比与流动性关系

图2 水胶比与抗压强度关系

图3 水胶比与抗折强度关系

结合图中1～图3可知，混合料30min流动度和初始流动度均随水胶比提升而不断提升，其中水胶比处于较低水平时混合料表面流动低于规范要求，而提升水胶比至0.31 时混合料已经出现表面轻微泌水问题，进一步提升水胶比至0.32则泌水问题更加严重。除上述以外各其他水胶比条件下混合料具有良好流动性能。

混合料的抗折强度和抗压强度随水胶比提升均有所降低，其中强度最大值出现于水胶比为0.27条件下，此时28d抗压强度和28d抗折强度分别达到113MPa和15.7MPa。当水胶比提升至0.31 时抗压强度和抗折强度均已经降低至较低水平，难以满足规范要求。

经对比可知，水胶比取值范围在0.28～0.30 区间范围内灌浆料具有良好性能。

3 外加剂对灌浆料的性能影响

3.1 减水剂

高效减水剂的掺量会对高性能水泥基材料基本性能产生直接影响，试验中所用高效减水剂的厂家建议掺量为0.30%，试验以此为依据，设计减水剂掺量为胶凝材料的0.20%～0.35%并分别制作灌浆材料拌和物，分析各组混合料的龄期强度和流动性能。所得结果显示，初始流动度方面，混合料流动性随减水剂掺量提升而表现为增加趋势，其中掺量在0.24%～0.28%时流动度增速较快，掺量提升至0.32%时增加速度较低，提升至0.35%时混合料流动度反而有所降低。而30min 流动度随减水剂掺量提升表现出大致相同的增长曲线，但曲线从头到尾均为增长，增长过程相对平滑。综合来看，减水剂掺量取值范围在0.26%～0.30%左右时对流动性的改良达到最佳效果。

随减水剂掺量提升，混合料的抗折强度和抗压强度变化过程则具有一定离散性，均为先逐渐提升，掺量提升至0.26%～0.28%左右时略有降低[9-10]。其中减水剂掺量为0.26%时抗压强度达到最大值，而后进一步提升减水剂掺量则抗压强度逐渐降低。减水剂掺量取0.26%时抗折强度均达到最大值，而后随掺量进一步增加而逐渐降低。综合考虑下建议取0.26%～0.28%减水剂掺量以获得最佳的抗压强度、抗折强度改良效果。

综合考虑经济效益和应用性能，后续试验中采用0.28%减水剂掺量。

3.2 膨胀剂

灌浆料硬化过程中会在温度、干燥、灌浆料自身反应等效应共同影响下导致结果出现收缩，收缩应力作用下很容易导致材料出现裂缝，对灌浆料承载性能产生不利影响，虽然随时间推进，收缩效果会有所减缓，但如果能够采取有效措施抑制混合料收缩则能够有效保障其工厂应用效果[11-12]。而膨胀剂组分能够使得高强套筒灌浆料与钢筋结构之间形成明显预压力，进而使得钢筋连接节点具有相对更强的粘结力，在相同粘结力条件下所用钢筋结构总量更少，在相同用量下则能进一步提高结构整体性，保障材料使用性能，具有良好应用效益。

分析膨胀剂掺量与混合料膨胀率之间关系，结果显示3h 膨胀率、24h 与3h 膨胀率差值均随膨胀剂掺量的提升而逐渐增加，其中膨胀剂掺量在8%以下时虽然也能有一定膨胀作用，但整体来看膨胀效果较差，甚至会出现部分试块收缩的问题，难以满足工程应用需求。提升膨胀剂掺量至13%过程中，两者数据提升速度越来越快，且具体数值均满足工程规范要求。但掺量提升至一定程度时也会对混合料的强度、流动度等性能产生不利影响，综合考虑下决定采用9%为膨胀剂掺量，在满足配合比优化设计要求的基础上满足工程应用效果。

4 结语

综上所述，本研究试验分析了高强套筒灌浆料的配合比设计及膨胀剂、减水剂的掺入对灌浆料性能的影响，并得出如下结论：

（1）采用配合比C时混合料的力学性能、流动度性能均达到相对较高水平，此时抗压强度和抗折强度最大值分别达到101MPa和14.8MPa。

（2）混合料流动度随水胶比提升而逐渐提升，但水胶比提升至一定幅度后反而会导致灌浆料泌水问题，且会对强度产生明显负面作用。

（3）灌浆料的流动度性能随减水剂掺量提升而逐渐增强，其中减水剂掺量在0.3%之前时流动度提升速度较快，进一步增加掺量则提升速度放缓，同时过高的减水剂掺量会对材料强度产生不利影响，综合考虑下认为高效减水剂掺量取0.28%时材料具有最佳的强度和流动性能。

（4）膨胀剂掺量提升过程中灌浆量膨胀率逐渐提升，能够使得钢筋连接节点的粘结力不断增强，但掺量提升至一定程度时也会对混合料的强度、流动度等性能产生不利影响，综合考虑下决定采用9%为膨胀剂掺量，在满足配合比优化设计要求的基础上满足工程应用效果。