高強水泥基套筒灌漿料的配制及性能研究

賈陸軍,蔣 勇,李英丁,唐凱靖

(1.綿陽職業技術學院材料工程系，綿陽 621000；2.廣東龍湖科技股份有限公司綿陽技術中心，綿陽 621000)

裝配式建筑的大力推廣，帶動了灌漿料的快速發展，并對灌漿料的力學性能、耐久性、環境適應性等提出了更高的要求[1-3]，因此，積極開發和完善性能優良、滿足不同工況條件的套筒灌漿料仍很有必要。套筒灌漿料是由水泥、細骨料、膨脹劑和減水劑等構成的微膨脹高強度灌漿料，廣泛應用于裝配式建筑預制構件節點間的連接[4,5]。納米二氧化硅是一種超微細無機新材料，具有較高的化學反應活性，應用于水泥混凝土體系中充分發揮其物理填充效應、火山灰效應和晶核效應[6]，可生成更多的C-S-H凝膠相，能夠有效細化孔隙，致密化水泥石基體結構，提高強度和耐久性[7]。當前《鋼筋連接用套筒灌漿料》中雖然規定了塑性膨脹要求，但對后期的收縮值未做規定，且規定在特殊領域的灌漿料28 d強度需大于100 MPa。因此，以水泥、粉體減水劑、塑性膨脹劑和納米二氧化硅用量為變量，分別采用單因素實驗和正交實驗，研究各因素對高強水泥基套筒灌漿料流動度、強度和膨脹率的影響規律，設計出28 d強度大于100 MPa的灌漿料配方。

1 實 驗

1.1 原料

海螺有限公司產PO52.5水泥；市售普通硅灰；20～40目、40～70目、70～140目石英砂；粒徑為20 nm，純度90%以上的納米二氧化硅；巴斯夫(中國)有限公司產減水劑；消泡劑，纖維素醚(HPMC)，HP-CSA塑性膨脹劑，自來水。

1.2 方法

依據GB/T50448—2015《水泥灌漿材料應用技術規范》進行樣品制備，基礎配比如表1所示；流動度測試按照GB/T2419—2005《水泥膠砂流動度測試方法》進行；力學性能測試按照GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》進行；樣品膨脹率采用百分表進行測定。

表1 高強套筒灌漿料的基礎配合比 /g

2 結果與討論

2.1 水泥用量對高強水泥基套筒灌漿料性能的影響

以水泥用量為變量測試套筒灌漿料的流動度、強度和膨脹率。表2可以看出水泥用量為900 g時，灌漿料的初始流動度和30 min流動度較優，30 min流動度損失較小。圖1可以看出，隨著水泥用量的增加，套筒灌漿料的抗壓強度和抗折強度均呈先增加后放緩的趨勢，水泥用量為900 g、1 000 g和1 100 g的灌漿料28 d抗壓強度分別比800 g的提高11.3%、14.0%和19.0%，抗折強度分別提高15.2%、15.8%和18.2%。對于膨脹率而言，水泥用量在800 g和900 g時，高強套筒灌漿料均呈現微膨脹，有利于灌漿料與構件之間連接的整體性，確保結構體系的安全性。因此，高強水泥基套筒灌漿料的水泥用量范圍為900 g左右。

表2 水泥用量對套筒灌漿料流動度的影響

2.2 減水劑用量對高強水泥基套筒灌漿料性能的影響

減水劑的摻入會對套筒灌漿料流動度和強度產生影響。總體而言，隨著減水劑用量的增加，套筒灌漿料流動度增加，減水劑用量為0.3%時，流動度可達到要求。圖2可以看出，隨著減水劑用量的增加，套筒灌漿料的早期抗壓強度和抗折強度大幅降低，主要原因是減水劑具備一定的緩凝作用，導致灌漿料早期凝結硬化時間增長，早期強度發展緩慢，但對后期強度影響不明顯。

2.3 納米二氧化硅用量對高強水泥基套筒灌漿料性能的影響

改變納米二氧化硅用量研究其對套筒灌漿料流動度、抗壓抗折強度的影響規律。由表3可知，隨著納米二氧化硅用量的增加，套筒灌漿料的流動度逐漸降低，當納米二氧化硅用量達到0.6%，流動度低于規范要求。然而，由圖3可以看出，納米二氧化硅的加入有利于早期強度的提升，加入納米二氧化硅后的1 d抗壓強度分別提高了22.4%、28.7%、54.7%、64.6%和69.5%，抗折強度分別提高了0、8.6%、17.2%、15.5%和20.1%，納米二氧化硅用量范圍在0.5%左右時性能較優。

表3 納米二氧化硅用量對套筒灌漿料流動度的影響

2.4 膨脹劑用量對高強水泥基套筒灌漿料性能的影響

改變膨脹劑用量探究其對水泥基套筒灌漿料流動度、抗壓抗折強度以及膨脹性能的影響規律。由表4可知，隨著膨脹劑用量的增加，灌漿料在30 min后的流動度呈降低趨勢。圖4可以看出，膨脹劑對套筒灌漿料強度影響較小，僅1 d抗折抗壓強度隨膨脹劑摻量增加有提高趨勢，28 d抗折抗壓強度無明顯規律，總體看1.5%的膨脹劑用量使灌漿料28 d的抗壓強度和抗折強度分別提高了5.5%和15.7%。隨著膨脹劑摻量提高，灌漿料收縮率呈現明顯下降趨勢，膨脹劑摻量達到2.5%時，灌漿料各齡期均未發生收縮，見圖5。

表4 膨脹劑用量對套筒灌漿料流動度的影響

2.5 多因素耦合對水泥基套筒灌漿料性能的影響

以水泥(A)、粉體減水劑(B)、納米二氧化硅(C)和膨脹劑用量(D)為變量設計正交實驗，以灌漿料的初始流動度、30 min流動度和1 d、3 d、28 d強度為性能考察參數，通過極差分析研究上述因素對高強水泥基套筒灌漿料性能的影響程度，測試結果如表5所示，分析得出：流動度極差分別為A(83)、B(103)、C(76)、D(72)；30 min流動度極差分別為A(123)、B(149)、C(110)、D(96)；1 d抗壓強度極差分別為A(17)、B(2.1)、C(1.9)、D(4.2)；3 d抗壓強度極差分別為A(13.1)、B(2.2)、C(1.6)、D(1.5)；28 d抗壓強度極差分別為A(22)、B(1.5)、C(2.1)、D(3.8)；1 d抗折強度極差分別為A(0.2)、B(1.2)、C(0.8)、D(1.0)；3 d抗折強度極差分別為A(2.3)、B(0.7)、C(1.4)、D(1.4)；28 d抗折強度極差分別為A(0.9)、B(1.6)、C(0.8)、D(1.4)。

表5 正交實驗結果

結果表明，各因素對高強水泥基套筒灌漿料初始流動度和30 min流動度的影響均為：減水劑用量>水泥用量>納米二氧化硅用量>膨脹劑用量，減水劑仍為調節水泥基材料流動性的重要參數。對抗壓強度影響較明顯的是水泥用量，其他因素影響相對較小。綜合流動度和強度，得出較優的高強水泥基套筒灌漿料的配合比為：水泥用量1 000 g、減水劑用量0.35%、納米二氧化硅摻量0.4%、膨脹劑用量1.0%，其流動度滿足規范要求，1 d、3 d、28 d抗壓強度分別達到57.3 MPa、76.3 MPa和107.5 MPa，是性能較優的水泥基套筒灌漿材料。

3 結 論

a.各因素對高強水泥基套筒灌漿料流動度的影響為：減水劑用量>水泥用量>納米二氧化硅用量>膨脹劑用量；水泥用量是該條件下影響高強水泥基套筒灌漿料抗壓強度的主要因素。

b.水泥用量1 000 g、減水劑用量0.35%、納米二氧化硅摻量0.4%、膨脹劑用量1.0%時，灌漿料具有良好的性能，滿足行業標準JG/T 408—2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》中的技術要求，套筒灌漿料1 d、3 d、28 d抗壓強度可達57.3 MPa、76.3 MPa、107.5 MPa。