高強微膨脹鋼筋套筒灌漿料性能研究

許彥明，蒙海寧，左李萍，朱祥，陸小軍

（江蘇鎮江建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 鎮江 212000）

高強微膨脹鋼筋套筒灌漿料性能研究

許彥明，蒙海寧，左李萍，朱祥，陸小軍

（江蘇鎮江建筑科學研究院集團股份有限公司，江蘇 鎮江 212000）

利用普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、復合外加劑、二水石膏、中砂等配制大流動度、高強、微膨脹鋼筋套筒灌漿料。分析討論了膠砂比、摻水量、硫鋁酸鹽水泥摻量、聚羧酸減水劑摻量對鋼筋套筒灌漿料流動度、強度及膨脹率的影響。試驗表明：高強微膨脹鋼筋套筒灌漿料最佳摻水量、普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、聚羧酸減水劑分別為 14%、41.5%、3.5%、0.18% 時，具有良好的物理力學性能、微膨脹及工作性能；其各項指標均滿足 JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》技術指標要求。

鋼筋套筒灌漿料；硫鋁酸鹽水泥；膨脹率；聚羧酸減水劑

0 前言

近年來，隨著國務院辦公廳《關于大力發展裝配式建筑的指導意見》（國辦發 [2016]71 號）文件的出臺，我國裝配式建筑開始進一步發展。所謂裝配式建筑，是用預制構件、部品部件在工地裝配而成的建筑。發展裝配式建筑是傳統現澆方式的重大變革，有利于節約能源、減少施工污染、提升勞動生產率和質量安全水平。裝配式混凝土結構要達到現澆結構抗震及其他性能要求，必須保證預制構件與預制構件之間或者現澆部分與預制構件之間的節點或接縫的承載力、剛度、防水等性能不低于現澆結構，可見節點或節縫的連接十分關鍵[1]。預制構件之間連接方式有鋼筋套筒灌漿連接、焊接連接、漿錨搭接、機械連接、螺栓連接和栓焊混合連接、綁扎連接等，而現階段應用最廣的為鋼筋套筒灌漿連接，鋼筋套筒灌漿料應滿足可操作時間長、早強、高強、大流動度、微膨脹等性能，現階段市場上出現的套筒灌漿料基本靠特種水泥來提高前期強度，后期工程應用穩定性令人堪憂[2-3]。本文通過鋼筋套筒灌漿料配合比設計、物理力學性能和膨脹性能研究分析與討論配制新型高強微膨脹鋼筋套筒灌漿料。

1 試驗

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥采用臺泥 52.5 普通硅酸鹽水泥，初凝和終凝時間分別為 130min 與 280min，3d、28d 膠砂強度為 25.1MPa 與 52.5MPa，比表面積 350m2/kg，其主要礦物成分如表 1；硫鋁酸鹽水泥采用唐山 42.5R快硬性硫鋁酸鹽水泥，初凝/終凝時間分別為 24min 與205min，3d、28d 膠砂強度為 45.5MPa 與 52.3MPa，比表面積為 390m2/kg，其主要礦物成分如表 2。

二水石膏：南京湯山新型建材廠。集料：石英砂，細度模數 2.6。外加劑：PC 聚羧酸減水劑，X 型消泡劑，H 型緩凝劑，B 型保水劑。水：實驗室自來水。

表 1 臺泥 52.5 普通硅酸鹽水泥主要礦物組成

表 2 唐山硫鋁酸鹽水泥主要礦物組成

1.2 技術路線

（1）硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸水泥復配使用時，常出現閃凝現象，鋼筋套筒灌漿料在具有早期大流動度的同時，更要保證 0.5h 后流動度，摻入適量緩凝劑，可推遲復合后水泥凝結時間，從而保證鋼筋套筒灌漿料加水攪拌后工作性能。

（2）保證鋼筋套筒灌漿料工作性能的同時，降低水料比可提高鋼筋套筒灌漿料強度，向鋼筋套筒灌漿料中摻入一定量高性能聚羧酸減水劑，即可提高套筒灌漿料的流動度，也可提高其早期強度。

（3）加水后高速攪拌鋼筋套筒灌漿料會引入一定量的氣體，導致硬化后不夠密實而降低鋼筋套筒灌漿料強度，摻入適量消泡劑可消除機械攪拌而引入的氣泡，從而提高硬化強度。

（4）鋼筋套筒灌漿料比普通灌漿料要求更大流動度，單純靠提高水料及減水劑將會造成漿料浮漿、泌水現象，影響漿料性能。所以在考慮水料比、減水劑的同時，摻入少量保水劑增加漿料稠度，保證集料均勻分布于漿料中，提高鋼筋套筒灌漿料工作性能。

（5）水泥石在硬化后會出現收縮現象，摻入硫鋁酸鹽水泥和二水石膏，水化后生成針狀鈣礬石可有效補償收縮。

1.3 試驗方法

鋼筋套筒灌漿料流動度試驗：按 JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》中附錄 A 進行流動度試驗，其截錐圓模尺寸為下口徑 (100±0.5)mm，上口內徑(70±0.5)mm，高 (60±0.5)mm。抗壓強度試驗：按附錄 B 中進行試驗，其抗壓強度試件采用尺寸為 40mm×40mm×160mm 的棱柱體，按 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗》測定規定齡期鋼筋套筒灌漿料水泥石強度。豎向膨脹率試驗：按附錄表 C 中要求進行試驗，其豎向膨脹率計算按公式 (1) 進行計算：

其中：

εt——豎向膨脹率；

ht——試件齡期為 t 時的高度讀數，mm；

h0——試件高度的初始讀數，mm；

h——試件基準高度100，mm。

2 試驗結果與討論

2.1 膠砂比對鋼筋套筒灌漿料流動度的影響

在相同摻水量的前提下，制備膠砂比為 1:1、1:1.25、1:1.5、1:1.75 的鋼筋套筒灌漿料進行流動度試驗，其試驗結果如表 3 所示。

表 3 膠砂比對鋼筋套筒灌漿料流動度的影響

隨著膠砂比的增大，鋼筋套筒灌漿料初始流動度及0.5h 后流動度開始減少，當膠砂比在 1:1.5 時，鋼筋套筒灌漿料 0.5h 經時流動度已不滿足 JG/T 408—2013 流動度要求，原因是骨料中砂的摻入量增加，膠漿料相對減少，包裹于骨料顆粒的漿料變得稀薄，骨料滾動阻力變大，從而漿料粘度變大，流動性能減少，經確定鋼筋套筒灌漿料宜采用最佳膠砂比為 1:1。

2.2 摻水量對鋼筋套筒灌漿料流動度及強度的影響

摻水量是影響鋼筋套筒灌漿料流動度及水泥石強度的重要因素。為更好研究摻水量對鋼筋套筒灌漿料性能的影響，采用 42.5R 硫鋁酸鹽水泥 3.5%、52.5 普通硅酸鹽水泥為 41.5%，另外砂集料、復合外加劑（PC 減水劑、B 型保水劑、X 型消泡劑、P 型緩凝劑）、二水石膏含量分別為 49.89%、（0.18%、0.05%、0.08%、0.3%）、4.5%，以相同配合比不同摻水量進行試驗，其試驗結果如表 4、圖 1 所示。

表 4 摻水量對鋼筋套筒灌漿料流動度影響

圖 1 摻水量對鋼筋套筒灌漿料流動度的影響

影響鋼筋筒灌漿料流動性主要影響因素有摻水量、水泥、各礦物摻合料細度等。由表 4 所示可知，對于鋼筋套筒灌漿料，在保證初始流動度在 300mm 以上的情況下，摻水量可降至 13.5%，隨著摻水量的增加，鋼筋套筒灌漿料初始流動度及 0.5h 后流動度均有不同程度增加，但當摻水量在 14% 時，鋼筋套筒灌漿料初始流動度 330mm，0.5h 后流動度達到 310mm。當摻水量達到 15% 以后，鋼筋套筒灌漿料出現稍許泌水現象，其原因是減水劑可以較少水泥需水量，當摻水量大于鋼筋套筒灌漿料水泥水化需水量時，拌合水將以自由水的形式泌出。

摻水量是影響鋼筋套筒灌漿料強度的重要因素。為考察摻水量對其強度的影響，其不同摻水量對灌漿強度的影響如表 5 和圖 2 所示，

表 5 摻水量對灌漿料抗壓強度的影響 MPa

圖 2 摻水量對鋼筋套筒灌漿料強度的影響

從圖表中可以看出，鋼筋套筒灌漿料 1d、3d、28d強度隨摻水量的增加呈先增加后降低的趨勢，其原因可能是當摻水量在 14% 時，摻水量滿足灌漿料中膠凝材料水化需水量。試驗表明，當摻水量達 14% 時，鋼筋套筒灌漿料 28d 強度達最大值 96.3MPa。

2.3 硫鋁酸鹽水泥摻量對鋼筋套筒灌漿料流動度及強度的影響

硫鋁酸鹽水泥可以有效提高鋼筋套筒灌漿料早期強度，但凝結過快、水化熱太高。因此，采用 42.5R硫鋁酸鹽水泥與 52.5 普通硅酸鹽水泥復配作為鋼筋套筒灌漿料的膠凝材料。其中膠凝材料為 45%，摻水量為 14%，另外砂集料、復合外加劑（PC 減水劑、B 型保水劑、X 型消泡劑、P 型緩凝劑）、二水石膏含量分別為 49.89%、（0.18%、0.05%、0.08%、0.3%）、4.5%，均勻混合后加水攪拌 3min，測量 0h 和 0.5h 后套筒灌漿料料液流動度，成型后測 1d、3d、28d 水泥石強度，其測試結果表 6 所示。

由表 6 可知，鋼筋套筒灌漿料隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，初始流動度及 0.5h 后流動度呈先增后減的趨勢，0h 增大與減少的程度相差不大。當硫鋁酸鹽水泥摻量達到鋼筋套筒灌漿材料的 3.5% 時，鋼筋套筒灌漿料漿料流動度達到 330mm 最大值，其原因是鋼筋套筒灌漿料加水攪拌后，水泥顆粒幾乎未水化，產生的絮狀凝膠較少，其阻礙力隨之較小，加之聚羧酸減水劑包裹于水泥顆粒表面起潤滑作用，所以初期硫鋁酸鹽水泥摻量對鋼筋套筒灌漿料料漿不會產生較大影響，硫鋁酸鹽水泥摻量在 3%～5% 之間均滿足 JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》初始流動度要求。0.5h 后流動度只有摻量在 3%、3.5%、4% 時滿足標準要求。

表 6 硫鋁水泥摻量對灌漿料流動性能的影響

硫鋁酸鹽水泥主要由無水硫酸鈣和硅酸二鈣礦物組成，普通硅酸鹽水泥由硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣和鐵鋁酸四鈣礦物組成。一般情況下不混合使用，由此試驗表明，硫鋁酸鹽復配普通硅酸鹽水泥最佳摻量為 8% 左右。由表 7 和圖 3 可以看出，隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加及養護時間的不同，鋼筋套筒灌漿料的強度表現出不同的變化趨勢，基本趨勢隨著硫鋁酸鹽摻量的增加呈先增大后減小，說明硫鋁酸鹽水泥可以提高鋼筋套筒灌漿料早期強度，當硫鋁酸鹽水泥摻量在 3.5%時，鋼筋套筒灌漿料 1d 強度達 39.5MPa，28d 強度可達到 99.4MPa。這說明當硫鋁酸鹽水泥摻量在 3.5%時，兩種水泥復配相互作用較為劇烈，硫鋁酸鹽水泥與普通硅酸鹽水泥水化程度較高。當硫鋁酸鹽水泥摻量大于 3.5% 以后，鋼筋套筒灌漿料強度有所下降，由于硫鋁酸鹽水泥顆粒 3d 水化基本結束，強度往往在早期提供，后期主要依靠普通硅酸鹽水泥提供強度，硫鋁酸鹽水泥含量的增加從一方面減少普通硅酸鹽的含量，加之硫鋁酸鹽的水化爭奪鋼筋套筒灌漿料中拌合水，產生凝膠包裹于普通硅酸鹽水泥顆粒，阻止水化繼續進行，致使強度有所降低[4]。

表 7 硫酸鹽水泥摻量對灌漿料強度的影響

圖 3 硫鋁酸鹽水泥摻量對灌漿料強度的影響

2.4 聚羧酸減水劑摻量對鋼筋套筒灌漿料流動度及強度的影響

減水劑為一種表面活性劑，其主要減水機理是減水劑分子的表面所帶基團可有效減弱或消除水泥顆粒早期凝聚現象。聚羧酸減水劑分子鏈含有 -OH、-COOH、-SO3H 官能團在水泥漿體中起緩凝作用，這些官能團與水泥礦物質中 Ca2+離子反應生成絡合物包裹于水泥表面，抑制水泥水化，減少灌漿阻力，從而水泥顆粒可以自由滾動[5-7]。并充分排除凝膠物質中含有的自由水，較少水化所需水量提高鋼筋套筒灌漿料強度。

選取用 42.5R 硫鋁酸鹽水泥與 52.5 普通硅酸鹽水泥含量分別為 3.5% 與 41.5%，摻水量為 13.5%，另外砂集料、復合外加劑（B 型保水劑、X 型消泡劑、P 型緩凝劑）、二水石膏含量分別為 49.89%、（0.05%、0.08%、0.3%）、4.5%，改變聚羧酸減水劑摻量，加水拌和 0h 與 0.5h 流動度及其強度，其結果如表 8、表 9和圖 7 所示。

表 8 聚羧酸減水劑摻量對灌漿料流動度的影響

由表 9 可知，鋼筋套筒灌漿料的流動度隨著聚羧酸減水劑摻量增加而增加，當摻量大于 0.15% 時，初始流動度并未滿足鋼筋套筒灌漿料相關國家行業標準要求，當聚羧酸摻量達到 0.18% 時，鋼筋套筒灌漿料初始流動度及 0.5h 流動度為 330mm、310mm，均滿足國家行業標準要求，當摻量達到 0.20% 時，料漿初始流動度達350mm，并出現輕微泌水現象。

鋼筋套筒灌漿料在加入功能型外加劑聚羧酸以后，聚羧酸減水劑自身親水基團指向水溶液，憎水基團定向吸附于水泥顆粒表面，使水泥顆粒帶上同種電荷，同種電荷相互排斥，加之聚羧酸減水劑大分子梳妝結構產生的空間位阻，致使水泥——水體系處于懸浮穩定狀態，達到減水、增大流動度作用。普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥中含有的主要礦物水化產生交錯絮狀結構包裹大量自由水，加入聚羧酸減水劑可釋放漿料中部分自由水，從而增大漿料強度[8]。如表 10 和圖 5 所示，鋼筋套筒灌漿料 1d、3d、28d 強度隨聚羧酸減水劑的增大呈先增大后減少趨勢。當聚羧酸減水劑摻量達 0.18% 時，鋼筋套筒灌漿料 28d 強度可達 99.7MPa。當聚羧酸減水劑摻量大于 0.18% 時，強度有所降低，其可能原因是當灌漿料中加入相同當量的水，聚羧酸釋放大量自由水，從而不同程度減少水泥水化用水量，致使鋼筋套筒灌漿料強度偏低[9-10]。

表 9 聚羧酸摻量對灌漿料強度的影響

圖 4 聚羧酸摻量對鋼筋套筒灌漿料強度的影響

2.5 硫鋁酸鹽水泥摻量對鋼筋套筒灌漿料膨脹性能及握裹效果的影響

水泥加水拌合以后在水化硬化過程中會產生一定量的體積收縮，鋼筋套筒灌漿料由于主要膠凝材料為普通硅酸鹽水泥，因此在加水攪拌后發生物理、化學變化而產生收縮現象。主要來自于幾個原因：（1）失水干縮；（2）溫度梯度冷縮；（3）自身減縮。當鋼筋套筒灌漿料硬化后抗拉強度小于收縮而產生的拉應力時，鋼筋套筒灌漿料漿體將出現裂紋，嚴重影響鋼筋套筒灌漿料水泥石強度，對裝配式建筑工程質量造成嚴重危害[10-11]。

行業標準 JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》中要求：套筒灌漿料3h豎向膨脹率大于等于0.02%，24h 與 3h 豎向膨脹率差值控制在 0.02%～0.5%之間。在普通灌漿料中摻入硫鋁酸鹽水泥、石膏水化硬化后產生具有微膨脹的針狀水化硫鋁酸鈣（鈣礬石），其配合比按 2.3 進行，SEM 照片如圖 5 所示，針狀鈣礬石可有效補償鋼筋套筒灌漿料收縮而產生的微裂紋現象，并可以有效提高鋼筋套筒灌漿料水化硬化后的早期強度。其硫鋁酸鹽水泥摻量對鋼筋套筒灌漿料水泥試件 3h、24h 膨脹率及 3h 與 24h 膨脹率差值見表 10 和圖 6。從圖 6 可以看出，鋼筋套筒灌漿料隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加膨脹率隨之增大，當硫鋁酸鹽摻量達3.5% 時，其 3h 膨脹率和 3h 與 24h 膨脹率差值分別為0.030%、0.038%，滿足國家行業標準要求，當硫鋁酸鹽摻量達 5.0% 時，其 3h 膨脹率和 3h 與 24h 膨脹率差值分別為 0.150%、0.3%，但硫鋁酸鹽水泥摻量不宜過高，否則鋼筋套筒灌漿料中膠凝材料水化過快造成早期水化熱過高，而導致溫度梯度收縮過大難以補償灌漿水泥石開裂。

表 10 不同硫鋁酸鹽水泥摻量下鋼筋套筒灌漿料的膨脹率

圖 5 鋼筋套筒灌漿料水化后 SEM 圖

圖 6 硫鋁酸鹽水泥摻量對灌漿料膨脹率的影響

鋼筋套筒灌漿料在裝配式建筑中通常與鋼筋套筒配合使用，對于套筒、鋼筋、灌漿料之間節點連接力，灌漿料握裹及充盈度起著重要作用，硫鋁酸鹽水泥膨脹劑的摻入有助于灌漿料在鋼筋套筒內的充盈及壓應力鋼筋握裹效果。當硫鋁酸鹽水泥摻入 3.5% 時，效果達到最佳，鋼筋套筒中灌漿硬化后剖面如圖 7 所示。

3 結論

（1）鋼筋套筒灌漿料中膠砂比影響其流動度，試驗確定膠砂比為 1:1 時流動度最佳。硫鋁酸鹽水泥與二水石膏混合水化生成針狀鈣礬石產生體積膨脹可有效補償普通鋼筋套筒灌漿料的收縮，并可以有效增加鋼筋套筒灌漿料早期強度，且該配合比中鋼筋套筒灌漿料硫鋁酸鹽水泥最佳摻量為 3.5%。聚羧酸減水劑有效增加鋼筋套筒灌漿料流動度、減少需水量、增加灌漿硬化強度，保證施工性能，且最佳摻量為 0.18%。

圖 7 鋼筋套筒中灌漿硬化后剖面圖

（2）本試驗配制鋼筋套筒灌漿料最佳摻水量、普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、聚羧酸減水劑、復合外加劑（B 型保水劑、X 型消泡劑、P 型緩凝劑）、二水石膏、中砂分別為 14%、41.5%、3.5%、0.18%、（0.05%、0.08%、0.3%）、4.5%、49.89% 時，1d、3d、28d 抗壓強度分別為 39.5MPa、70.5MPa、99.7MPa，0h 和 0.5h 流動度分別為 330mm 和 310mm，具有良好的物理力學性能及工作性能；3h 膨脹率、3h與 24h 豎向膨脹率差值為 0.035%、0.038%，具有良好的微膨脹效果，其各項指標均滿足 JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》技術指標要求，適用于裝配式建筑鋼筋套筒連接灌漿材料。

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Study on the properties of high strength micro expansion reinforcement sleeve grouting material

Xu Yanming, Meng Haining, Zuo Liping, Zhu Xiang, Lu Xiaojun
(Jiangsu Zhengjiang Research Institute Of Building Science Group Co., Ltd., Jiangsu 21200)

The high fluidity of high strength micro expansive grouting material is compounded with Sulphoaluminate cement, Portland cement, PC, compound admixture and so on. The effects of cement-sand ratio, content of water, content of sulphoaluminate cement and PC in cementitious grout were analyzed by the test of workability, strength and expansion. The result of experiment indicates that 14% the amount of water is the best and Portland cement is 41.5% and sulphoaluminate cement is 3.5% and PC is 0.18% in cementitious grout, it has good mechanics and flow properties. It meets the technical requirement of JG/T408-2013.

reinforcing sleeve grouting material; sulphoaluminate cement; expansion rate; PC

許彥明（1986—），男，碩士，主要從事建筑材料開發與研究。

［通訊地址］江蘇省鎮江市丹徒區高資鎮香山大道 1 號建科科技園（212000）