鋼筋連接用套筒灌漿料的研究

引言隨著經濟建設的快速發(fā)展,空氣污染、氣候惡化、資源能源匱乏等問題突出,綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等問題成為國家最關注的話題。禁止現(xiàn)場攪拌、加快建筑速度,縮短建筑周期、提高建筑質量成為建筑業(yè)高質量發(fā)展的要求。裝配式建筑是各種建筑結構構件在專業(yè)工廠預制完成后運輸到現(xiàn)場由施工工人在現(xiàn)場采用連接件拼接和組裝而成的建筑方式,具有污染小、能耗低、質量可靠、施工速度快、建筑周期短、減少建筑材料浪費等特點,成為建筑行業(yè)轉型發(fā)展的方向。

國外裝配式住宅的發(fā)展時間長,技術成熟。目前加拿大、德國、英國、日本以及新加坡等國的裝配式建筑占總建筑比例的80%以上。我國裝配式建筑的發(fā)展開始于20世紀五六十年代,八十年代后開始形成規(guī)模化。進入新世紀后至今,我國裝配式建筑在構件設計、生產以及施工等方面都有較大突破,已成為當今及未來建筑發(fā)展的大方向[1]。裝配式建筑的承重結構是通過節(jié)點將整個建筑物進行連接,因此建筑節(jié)點連接是否可靠是建筑物穩(wěn)定的關鍵,已被證實節(jié)點采用鋼筋套筒連接件是安全可靠的,而將套筒與鋼筋連接起來的灌漿料性能決定整個建筑結構的穩(wěn)定性[2]。所以,研制高品質的套筒灌漿料產品必將推動裝配式建筑形式的發(fā)展,對經濟社會產生積極影響。1、原材料

試驗原材料:試驗涉及三種膠凝材料,其中CE1比表面積430m2/kg,主要成分為硅酸三鈣、

硅酸二鈣,3d抗壓強度35MPa,28d抗壓強度55MPa;CE2比表面積400m2/kg,主要成分為硅酸三鈣、鋁酸三鈣,1d抗壓強度30MPa,28d抗壓強度50MPa;CE3的主要成分為硫酸鈣,2d抗壓強度8MPa;兩種人工砂,粒徑為20~40目及40~70目,不同細度礦物摻合料,多種外加劑。

2、試驗方法

按照JG/T408—2019《鋼筋連接用套筒灌漿料》進行各項性能測試試驗。

3、試驗內容

試驗方案設計原則:試驗過程中保持細粉

(膠凝材料與礦物摻合料)摻加量與人工砂摻加量之和不變,細粉增多或減少時由砂子摻加量調整配平,被考察原材料添加量變化時,其他外加劑用量保持不變。試驗基礎配合比根據經驗而定,包含試驗研究的所有組成成分

(緩凝劑除外)。

3.1

膠凝材料對套筒灌漿料性能的影響規(guī)律

膠凝材料是影響套筒灌漿料性能的主要因素之一,是其強度的決定性基礎因素,不同膠凝材料類型的水化特性差別較大,因此復合膠凝體系因其復配比例不同,會表現(xiàn)出不同的特性,尤其是工作性能、體積穩(wěn)定性、力學性能[3]。本文主要研究了不同復配比例的復合膠凝體系對套筒灌漿料工作性能、力學性能的影響,試驗結果如下:表1

膠凝材料CE1對套筒灌漿料性能的影響通過以上結果可以看出,隨著CE1用量的增加,灌漿料逐漸黏稠,泌水程度降低,流動度損失變大,強度增加。這是因為隨著CE1用量的增加,膠砂比逐漸增大,水化進程加快,水化產物增加,導致凝結時間縮短。從灌漿料強度數據可以看出,當膠凝材料CE1用量在40%~45%之間時,

強度與標準要求的85MPa相比有一定的富余指標,從而確定其參考用量為40%。表2

膠凝材料CE2摻量對套筒灌漿料性能的影響隨著CE2用量增加,加水量不變,初始流動度相同,但30min流動度損失增加,各齡期強度逐漸增大后減小;從3%增加到5%時1d、3d強度先增大后減小,28d強度逐漸減小,但總體變化幅度不大。原因是CE2加入后,體系水化反應加快,生成更多的水化產物,使得早期強度增加,但隨著CE2摻加量進一步增加,硬化體結構越來越疏松,導致強度降低。隨著養(yǎng)護時間的延長,后期主要是CE1的水化,其水化產物逐漸填充前期水化產物結構中的疏松空隙,水化產物結構逐漸密實,硬化體強度增加,表現(xiàn)為隨CE2摻量增加后期強度下降幅度減少的趨勢。綜合分析確定CE2用量為5%。表3

膠凝材料CE3摻量對套筒灌漿料性能的影響規(guī)律隨著膠凝材料CE3的增加,灌漿料初始流動度不變,30min流動度損失稍有增大,漿體初始黏稠度增加,流動速度減慢,對套筒灌注飽滿度有利。隨著CE3摻量的加入,灌漿料強度逐漸增加后降低。CE3可減緩CE1、CE2中

C3A

的水化,減緩體系凝結時間并優(yōu)化水化體系結構,此外,作為礦物摻合料的激發(fā)劑與礦物摻合料反應生產更多的水化產物,提高硬化體強度,但過多的CE3加入后,一方面CE3本身水化導致體系凝結時間縮短,另一方面生成過多的具有膨脹性能的鈣礬石,

產生膨脹破壞,惡化硬化體的結構,導致硬化體強度降低。在以上配合比中,CE3的加入量對整個體系的影響是比較小的,不會因為其加入量不合理出現(xiàn)嚴重的施工性和強度的影響。綜合考慮初步確定CE3摻量為2%。

3.2

集料級配對套筒灌漿料性能的影響規(guī)律

集料用量及顆粒級配影響套筒灌漿料的流動度及強度。試驗保持集料總量不變,研究粗粒徑集料加量對套筒灌漿料性能的影響。試驗采用粗細兩種不同粒徑的人工砂搭配試驗,以確定兩種砂的合理搭配比例

(見表4)。

表4

人工砂級配對套筒灌漿料性能的影響規(guī)律從表4可以看出,隨著骨料粒徑的加粗,灌漿料需水量降低,出現(xiàn)流動度先增加后降低,強度先增大后減小再增大的趨勢。主要原因是當粗砂用量少時,灌漿料顆粒組成較細,需要更多水輔助流動,隨著顆粒增粗,粗細砂形成連續(xù)級配,流動時協(xié)同能力增加,砂漿流動度增大;隨著顆粒的進一步增大,砂漿中細顆粒組分不足,粗顆粒之間缺少了細砂的潤滑性,流動度降低并伴隨著砂漿連貫性差及輕微泌水;隨著顆粒度進一步增大,漿體內部比表面積大大減小,細粉包裹需求減少,

填充于顆?？p隙中起到潤滑作用,漿體流動性又逐漸增強,但漿體離析沉淀可能性增加。而30min流動度隨著初始流動度的增大而增大,隨著初始流動度的減小而減小?？箟簭姸纫渤尸F(xiàn)相同趨勢,

這與顆粒級配影響到漿體致密度有關,當顆粒之間協(xié)同能力好時砂漿的強度較高。當套筒灌漿料粒徑較粗時,施工阻力較大,容易造成施工堵管等情況,因此選擇較細的顆粒組成。試驗數據表明,當粗砂用量為15%時,流動度好,強度較高,確定粗砂摻加量為15%。

3.3

聚羧酸減水劑品種與摻量對套筒灌漿料性能的影響

減水劑具有減水增強的作用,是套筒灌漿料具備高流動性、高強度的關鍵添加劑,而不同廠家減水劑在減水率、增強、泌水性、凝結性能等方面均有不同。本試驗測試了不同廠家的減水劑,確定了減水劑的品種和摻加量,見表5。表5

聚羧酸減水劑品種及摻量對套筒灌漿料性能的影響從以上數據可以得出,隨著減水劑的增加,初始流動度和30min流動度均增大,其中P2減水劑初始流動度最好,P130min流動度損失最小。隨著減水劑用量的增加,除

P1減水劑強度降低外,其他減水劑的強度均增加,其中P2各齡期強度最高,P1減水劑1d、3d強度較低,28d強度與其他減水劑持平,因此首選P1、P2減水劑,見表6。當P1、P2減水劑用量增加到0.6%時砂漿均出現(xiàn)不同程度的泌水、強度降低現(xiàn)象。因此減水劑的總量確定為5%。取長補短,考慮到P2減水劑各齡期強度較好,P1減水劑流動度損失較小的特點,擬通過兩種減水劑復配獲得良好綜合效果。表6

聚羧酸減水劑對套筒灌漿料性能的影響從表6中可以看出,復配后砂漿的和易性變好,流動度稍有減小,30min流動度損失明顯減小,而強度有明顯增加。隨著P1比例增加,灌漿料流動度逐漸降低,30min流動度損失減少,強度稍有降低,滿足標準要求,而在P1、P2摻加量分別為0.2%、0.3%時,砂漿30min時流動度最好,綜合分析,確定P1、P2用量分別為0.2%和0.3%。

3.4緩凝劑品種與摻量對套筒灌漿料性能的影響

為了尋求更多的調整灌漿料流動性的方法,本試驗擬利用緩凝劑減緩水化進程來改善套筒灌漿料的30min流動度損失,見表7。表7

緩凝劑品種及摻量對套筒灌漿料性能的影響HN1、HN2、HN3對套筒灌漿料的緩凝效果均不明顯,而且還引起砂漿泌水,因此流動度保持率試驗利用緩凝型減水劑來實現(xiàn)。

3.5礦物摻合料對灌漿料性能的影響規(guī)律

礦物摻合料加入可以起到降低砂漿的離析和沉降,改善砂漿的和易性,增加砂漿強度等作用。本文試驗了KW1、KW2、KW3三種礦物摻合料對灌漿料性能的影響,見表8。表8

礦物摻合料對套筒灌漿料性能的影響從以上結論可以得出,隨著KW1的加入,砂漿的流動度逐漸增加后降低,砂漿逐漸黏稠,泌水狀態(tài)明顯好轉,加量為2%時流動度最大且無離析,砂漿的強度隨著KW1加量的增加逐漸增大。KW2、KW3泌水狀態(tài)無明顯改善作用,并且導致砂漿強度降低,KW3降低幅度更大。與膠凝材料相比,KW1粒徑很細,可以增加砂漿的黏稠度,可填充膠凝材料和骨料空隙,減少水填充空隙的數量,同時KW1比表面積較大,需要較多的水來包裹,當其減水性與水對其的包裹性達到一個平衡時,砂漿級配連續(xù)性最好,密實度最高,顆粒之間滾動協(xié)同性最好,砂漿的流動度最高,無多余填充水溢出,泌水率降低。但當KW1加量超過平衡值時,過多的水用于KW1表面的包裹,砂漿的流動度變小,而其的火山灰活性使得砂漿的凝結時間縮短,強度增加。KW2的比表面積與膠凝材料相近,本身結構致密高,拌和需水量低,對泌水改善性能差;KW3的滾珠效應可增加砂漿的流動性,由于粒徑大,填充膠凝材料顆粒間隙作用不明顯,對泌水性無明顯改善作用。KW2和KW3取代膠凝材料,其本身強度低于膠凝材料強度而導致砂漿強度降低。綜合分析,確定礦物摻合料選用KW1,摻量為2%。

3.6消泡劑品種與摻量對套筒灌漿料性能的影響

在灌漿料攪拌過程中空氣被漿體包裹而形成大量氣泡,不僅降低灌漿料本身強度,還影響灌漿料在套筒空腔內灌注的飽滿度,從而影響鋼筋套筒連接的整體強度[4]。消泡劑是一種表面活性劑,可以降低氣泡的表面張力,使氣泡快速遷徙到漿料表面并破裂,提高漿料的致密度,增加砂漿強度。本試驗測試了不同廠家消泡劑的消泡能力,見表9。表9

消泡劑品種與摻量對套筒灌漿料性能的影響從表9可以看出,不同品種消泡劑對灌漿料消泡效果、流動狀態(tài)、強度均有不同程度影響,隨著消泡劑用量增加,砂漿的消泡效果逐漸變好,X2的消泡效果好于X1;隨X1摻量的增加,砂漿流動度和強度逐漸增加,當用量達到0.09%時,流動度、強度增加不明顯。隨X2用量增加,砂漿的流動度和強度均先增加后降低,原因是當加入消泡劑X2后,砂漿表面張力降低,導致砂漿黏度稍有降低,流動性變好,當消泡X2過多時,砂漿內部氣泡快速減少,減弱了氣泡的滾珠效應,導致流動性變差。隨著消泡劑X2的加入,砂漿內部氣泡減少,強度增加,但當砂漿氣泡含量很少時,砂漿內部無足量氣孔來消弱破裂應力傳導而致使強度降低。試驗確定選用X2消泡劑,加量0.07%。

3.7塑性膨脹劑品種與摻量對套筒灌漿料性能的影響

膠凝材料在硬化過程中產生體積收縮,將影響灌漿料與套筒的緊密握裹,因此需要加入膨脹劑,在灌漿料凝結過程中產生膨脹補償收縮,提供膨脹性能。

不同廠家塑性膨脹劑的膨脹速度和膨脹率、膨脹進程不同,用量不同,膨脹效果也不同。隨著塑性膨脹劑用量的增加,膨脹率明顯增大。塑性膨脹劑SP1膨脹率比SP2高,3h內膨脹率較大,24h內還維持較好膨脹性,膨脹發(fā)展進程合理。塑性膨脹劑的膨脹率較大,為避免摻量波動導致膨脹率出現(xiàn)大幅波動,選用較少加量0.03%,見表10。表10

消泡劑品種與摻量對套筒灌漿料性能的影響3.8全項檢測

按照以上試驗確定的各種原材料品種和加量進行試配,檢測結果見表11。表11

套筒灌漿料性能

從以上數據可以看出,灌漿料各項指標均達到JG/T408—2019標準指標。4、結論

(1)膠凝材料三元復合體系中,CE1在其中起到保證總體強度的作用,CE2起到提高早期強度的作用,CE3起到調整改善CE1、CE2復合硬化體結構,提高早期強度及改善流動體狀態(tài)的作用;

(2)不同廠家減水劑對套筒灌漿料流動度和強度影響不同,通過不同類型的減水劑搭配使用,