環保型套筒灌漿料的配合比設計及性能研究

胡 星，陳東平，余林文，汪文文，吳文杰

(1.四川省建筑科學研究院有限公司，成都 610081；2.重慶大學材料科學與工程學院，重慶 400045；3.重慶市渝北區建設工程質量檢測所，重慶 401120)

0 引 言

發展裝配式建筑是推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的重要舉措，是建筑行業貫徹綠色、創新發展理念的具體體現，是推進建筑業轉型升級、實現建筑產業現代化的重要抓手。在裝配式建筑中，鋼筋連接技術是影響裝配式混凝土結構的關鍵因素。它關系到整個裝配式建筑的安全和使用壽命。目前，國內外大多使用的是套筒灌漿連接技術。為了保證結構整體的安全，需要對套筒灌漿料的性能提出以下要求：力學性能優異、流動性高，具有早期微膨脹性。

近幾年來，國內外研究學者主要研究了以硅酸鹽水泥[1-3]、硫鋁酸鹽水泥[4]、硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復合[5]為主要膠凝材料來制備套筒灌漿料，但是對堿礦渣水泥為膠凝材料來制備灌漿料的研究較少。與普通硅酸鹽水泥相比，堿礦渣水泥的主要原料為工業煉鐵副產物礦渣[6-7]，是一種無熟料水泥，成本較低，磨碎后便可直接使用。水玻璃激發堿礦渣水泥的水化產物主要是C-S-H凝膠[8-9]，無Ca(OH)2存在[9]，與普通硅酸鹽水泥相比，其早期強度高[10-11]，后期強度持續發展并且耐久性好[12]。現有研究表明[10,13],通過摻入緩凝劑能夠調控堿礦渣水泥的凝結時間，使其滿足正常施工要求。由于堿礦渣體系是強堿體系，導致一些高性能減水劑在堿礦渣體系中失去作用，相關研究表明，萘系減水劑對堿礦渣水泥的流動性有一定的改善作用[14-15]。

本文基于最緊密堆積理論(Dinger-Funk方程)，堿礦渣水泥作為膠凝材料，粉煤灰漂珠為礦物摻合料并用銅尾礦部分取代天然河砂作細骨料，使其粉體材料達到最緊密堆積，從而降低漿料孔隙率，提高其抗壓強度。本試驗在顆粒擬合曲線的基礎上，通過抗壓強度、流動度、豎向膨脹率性能試驗來驗證套筒灌漿料的最優配比,并利用SEM來觀察其表觀形貌特征。

1 實 驗

1.1 原材料

采用重慶鋼鐵集團的水淬高爐礦渣(SL)，比表面積為440 m2/kg,密度2 860 kg/m3,其化學成分見表1；采用鞏義市元亨凈水材料廠生產的粉煤灰漂珠(F)作為礦物摻合料，密度為800 kg/m3，其化學成分見表1；采用重慶井口公司生產的水玻璃(WG)作為激發劑，其物理化學性質見表2；選用新疆天業化工廠生產的NaOH來調節水玻璃的模數，工業純，純度≥96%；緩凝劑選用重慶科龍化工集團生產的硝酸鋇，純度≥99%；減水劑采用江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產的萘系減水劑；塑性膨脹劑為上海欽和化工有限公司生產，黃色粉末，化學組成見表3；細骨料采用粒徑小于2.36 mm的洞庭湖中砂(S)，表觀密度為2 600 kg/m3，細度模數2.7；銅尾礦(CT)產自江西，表觀密度為2 720 kg/m3，細度模數2.0。原材料的粒徑分布圖如圖1所示；粉煤灰漂珠的微觀形貌如圖2所示；銅尾礦的微觀形貌如圖3所示。

表1 原材料的化學組成

表2 水玻璃的物理化學性質

表3 塑性膨脹劑的主要化學組成

圖1 原材料的粒徑分布圖

圖2 不同放大倍數的粉煤灰漂珠SEM照片

圖3 不同放大倍數的銅尾礦SEM照片

圖4 顆粒堆積曲線與目標曲線

1.2 配合比設計

本次試驗基于Dinger-Funk[16]方程的最緊密堆積理論，對套筒灌漿料的配合比進行設計。在粉體中引入最小粒徑限制對Andreasen方程進行了修正，得出改進后的方程如下式：

(1)

式中：P(D)為篩下累計百分數;Dmax為堆積體中顆粒的最大粒徑;Dmin為堆積中顆粒的最小粒徑;q為分布模數;D為顆粒粒徑。分布模數q主要影響粗顆粒和細顆粒的比例。有相關學者通過研究指出：在對自密實混凝土進行配合比設計時，分布模數q通常在0.22～0.25之間選擇[17]。在本試驗中選取分布模數q為0.23。

根據Dinger-Funk方程可以計算出顆粒堆積的目標(Target)曲線，此時就是原材料的粒度分布堆積曲線與目標曲線的擬合問題，可以使用最小二乘法保證RSS最小即可[18-19]。最小二乘法公式如下：

(2)

式中：RSS為殘差平方和;n為Dmin到Dmax的步數;Pmix(Di)為混合堆積曲線在Di時的篩下累積百分數;Ptar(Di)為目標堆積曲線在Di時的篩下累積百分數。

根據Dinger-Funk方程可以計算出顆粒堆積的目標(Target)曲線，此時就是原材料的粒度分布堆積曲線(P)與目標曲線的擬合問題，當殘差平方和最小時，即為最緊密堆積狀態，擬合曲線如圖4所示。求解結果如表4所示。

表4 基于Dinger-Funk模型的灌漿料配合比的優化求解結果

在求得其最優解后，對其配合比進行驗證，配合比均為質量配合比(下同)，試驗中固定水膠比為0.4，堿當量(Na2O)為6%(基于膠凝材料的比例)，緩凝劑(Ba(NO3)2)摻量為0.5%(基于膠凝材料的比例)，萘系減水劑摻量為1%(基于膠凝材料的比例)，以上均為質量分數(下同)。設計配合比如表5所示，其中1號為求解出的最優配比，2～6號研究塑性膨脹劑對套筒灌漿料性能的影響，7～9號研究粉煤灰漂珠對套筒灌漿料性能的影響，10～12號研究銅尾礦對套筒灌漿料性能的影響，13～14號研究砂膠比對套筒灌漿料性能的影響。

表5 試驗配合比

1.3 試驗方法

(1)流動度試驗：根據JG/T 408—2013《鋼筋連接套筒灌漿料》附錄A進行測試，測其水平方向和垂直方向直徑，計算平均值，加水攪拌30 min后，測定30 min流動度。

(2)抗壓強度試驗：抗壓強度按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度試驗(ISO法)》規定，用40 mm×40 mm×160 mm的鋼膜成型后，標準養護1 d、3 d、28 d測定其抗壓強度。

(3)豎向膨脹率試驗：豎向膨脹率測試按照JG/T 408—2013《鋼筋連接套筒灌漿料》附錄C進行測試，測定3 h、24 h豎向膨脹率，整個操作控制室溫在(20±2) ℃。

(4)電鏡(SEM)試驗：用無水乙醇終止水化，干燥箱烘干至恒重密封保存，送樣測試。測試儀器為捷克TESCAN 公司生產的VEGA 3 LMH 鎢燈絲掃描電鏡進行測試。

2 結果與討論

2.1 塑性膨脹劑對套筒灌漿料性能的影響

塑性膨脹劑對套筒灌漿料的性能影響如圖5所示。圖5(a)表明套筒灌漿料3 h、24 h的豎向膨脹率隨著塑性膨脹劑摻量的增加不斷增大。這是因為塑性膨脹劑能夠在堿性環境中產生氣體，在體系中摻入塑性膨脹劑的質量過多時，其就會迅速地和堿發生反應，導致氣體生成量變多，使得套筒灌漿料呈現早期微膨脹效果,當塑性膨脹劑摻量為0.20%(質量分數，下同)時，3 h豎向膨脹率為0.20%，24 h豎向膨脹率為0.36%。圖5(b)表明塑性膨脹劑摻量超過0.20%時，早期抗壓強度降低，當塑性膨脹劑摻入量過多時，氣體生成量過多，導致體系中的氣孔量過多，早期抗壓強度降低。圖5(c)表明隨著塑性膨脹劑摻量的增大，套筒灌漿料的流動度逐漸增大，但是當摻量超過0.20%后，增加效果并不明顯。因為摻入塑性膨脹劑后，由于塑性膨脹劑有一定的塑化作用，會使體系流動度稍微提升。這和賈璐璐[20]研究塑性膨脹劑對套筒灌漿料性能影響所得到的結果相近。通過以上試驗數據分析發現，摻量為0.20%可以保證套筒灌漿料的早期微膨脹性能，提升流動性并且對力學性能負面影響較小，因此在本試驗后續研究中塑性膨脹劑的摻量設定為0.20%。

圖5 塑性膨脹劑對套筒灌漿料性能的影響

2.2 粉煤灰漂珠對套筒灌漿料性能的影響

粉煤灰漂珠對套筒灌漿料性能的影響如圖6所示。由圖6(a)可知摻入粉煤灰漂珠后，套筒灌漿料抗壓強度降低，粉煤灰漂珠摻量為12%(質量分數，下同)時，1 d、3 d和28 d抗壓強度分別為37.2 MPa、63.0 MPa、86.4 MPa。雖然礦渣和粉煤灰漂珠都是鋁硅酸鹽材料，但礦渣的主要成分為CaO和SiO2，而粉煤灰漂珠的主要成分為Al2O3和SiO2,相關學者研究表明[8-9]：在堿激發材料中，Ca含量對其強度發展有著重要影響，Ca能夠直接使網絡玻璃體解聚，從礦渣和粉煤灰漂珠的主要成分來看，礦渣的Ca含量相對較高。因此在礦渣和粉煤灰漂珠組成的膠凝體系中，隨著粉煤灰漂珠摻量的增多，抗壓強度會降低，同時粉煤灰漂珠是一種空心玻璃體，在堿的激發作用下，水化速率比礦渣慢，C-S-H凝膠生成量減少，表現為早期抗壓強度降低。由圖6(b)可以發現，隨著粉煤灰漂珠摻量的增大，套筒灌漿料的初始流動度和30 min流動度均不斷增大。這是因為粉煤灰漂珠的形狀為球形顆粒，粉煤灰漂珠能夠在緊密堆積體系中起到潤滑和滾珠的作用，從而減小顆粒之間摩擦力，提高漿體的流動度。由圖6(c)可以發現，當粉煤灰漂珠的摻量為12%時，顆粒堆積曲線與目標曲線最相近，此時體系處于最密堆積狀態。通過實驗數據分析可知粉煤灰漂珠最佳摻量為12%。

圖6 粉煤灰漂珠對套筒灌漿料性能的影響

2.3 銅尾礦對套筒灌漿料性能的影響

銅尾礦部分取代天然砂做細骨料，其對套筒灌漿料的性能影響如圖7所示。由圖7(a)可以發現,在銅尾礦摻量為13%(質量分數，下同)時，各齡期抗壓強度均達到最大值。這是因為：(1)銅尾礦的粒徑比天然河砂小，用銅尾礦部分取代天然河砂后，能夠改善細骨料級配[21]；(2)由圖3可以發現,銅尾礦的表面分布有許多棱角，咬合力大，而且銅尾礦是由銅礦石破碎后形成的，堅固性比河砂高[21-22]；(3)由圖7(c)可以發現，當銅尾礦摻量為13%時顆粒堆積曲線與目標曲線最為接近，此時體系達到最緊密堆積狀態，強度最高。綜上所述，加入一定量的銅尾礦會增加套筒灌漿料的抗壓強度，而當銅尾礦摻量過多時，由于其粒徑比較小，會導致漿體的需水量增大，從而使得拌合物比較干稠、粘度增大，不利于礦渣的水化，使得套筒灌漿料的抗壓強度逐漸降低。由圖7(b)可以發現,加入銅尾礦后，體系流動度會降低。當摻量為13%時，初始流動度為340 mm，30 min流動度為280 mm。銅尾礦粒徑比河砂小，銅尾礦的摻入會導致需水量增加，在相同水膠比時，摻銅尾礦試樣的流動度比未摻銅尾礦的小,因此銅尾礦的最佳摻量為13%。

圖7 銅尾礦對套筒灌漿料性能的影響

2.4 砂膠比對套筒灌漿料性能的影響

砂膠比對套筒灌漿料性能的影響如圖8所示。由圖8(a)可知，在砂膠(質量)比(S/B)為1.1時，套筒灌漿料各齡期抗壓強度達到最大值，1 d、3 d和28 d抗壓強度分別為37.2 MPa、63.0 MPa和86.4 MPa。由圖8(c)可以發現,當砂膠比為1.1時，顆粒堆積曲線與通過Dinger-Funk方程求解的目標曲線最為接近，此時體系處于最緊密堆積狀態，因此表現為抗壓強度最高，當砂膠比過大時，由于細骨料含量的增多，導致沒有足夠多的膠凝材料填充細骨料中的孔隙，使得漿料抗壓強度降低[23]。由圖8(b)可知,隨著砂膠比的增大，套筒灌漿料的流動度逐漸降低。砂膠比的增大，導致細骨料的量增多，而膠凝材料的總量減少，體系中的細骨料無法完全被膠凝材料包裹，因此細骨料之間的摩擦力增大，使得漿體的流動度降低[24]。

圖8 砂膠比對套筒灌漿料性能的影響

2.5 掃描電鏡分析

基于Dinger-Funk方程的最緊密堆積理論設計配比并進行研究其相關性能，最佳配合比為：粉煤灰漂珠摻量12%，銅尾礦摻量為13%，塑性膨脹劑摻量為0.20%，砂膠比為1.1。水化產物的微觀形貌如圖9所示。從圖9(a)可以看到水化產物中有許多均勻微小的氣孔，這是因為在塑性膨脹劑的作用下產生部分氣孔，這些氣孔會導致套筒灌漿料在3 h和24 h持續膨脹，同時在圖9(a)中可以發現在早期水化產物中已經有部分C-S-H凝膠生成，從而保證了早期抗壓強度。從圖9(b)可以看到，隨著礦渣的繼續水化，氣孔消失，C-S-H凝膠生成量增多，整體結構較為致密，使得抗壓強度持續發展。

圖9 水化產物SEM照片

3 結 論

(1)隨著塑性膨脹劑摻量的增加，套筒灌漿料的3 h、24 h豎向膨脹率均不斷增大，同時流動度也逐漸增大，但是摻量過大時會導致強度降低，通過分析塑性膨脹劑對套筒灌漿料流動度、抗壓強度及豎向膨脹率的影響，塑性膨脹劑最佳含量摻量為0.20%。

(2)用堿礦渣水泥作膠凝材料，并基于Dinger-Funk方程的最緊密堆積理論來設計配比，當水膠質量比為0.4時，粉煤灰漂珠質量摻量為12%(基于膠凝材料比例)，礦渣質量摻量為88%(基于膠凝材料比例)，銅尾礦質量摻量為13%(基于細骨料比例)，天然河砂質量摻量為87%(基于細骨料比例)，砂膠質量比為1.1時，體系為最緊密堆積狀態。

(3)在上述配合比基礎上，用水玻璃激發，堿當量(Na2O)為6%(基于膠凝材料的比例)，緩凝劑(Ba(NO3)2)質量摻量為0.5%(基于膠凝材料的比例)，萘系減水劑質量摻量為1%(基于膠凝材料的比例)。對不同配合比進行驗證，結果表明上述配合比即為最優配合比。制備出初始流動度340 mm，30 min流動度280 mm，1 d抗壓強度37.2 MPa，3 d抗壓強度63.0 MPa，28 d抗壓強度86.4 MPa，3 h豎向膨脹率為 0.20%，24 h豎向膨脹率為0.36%，各項性能均滿足JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》標準規范中的要求的套筒灌漿料。