馬先偉，趙林林，尤培波，武海榮，朱 凱，張建武

(河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南 平頂山 467036)

裝配式混凝土建筑是目前主推建筑結(jié)構(gòu)形式之一，鋼筋套筒灌漿連接是混凝土剪力墻和承壓柱豎向鋼筋連接的推薦方式。灌漿料作為鋼筋和套筒之間的黏結(jié)材料，其性能好壞直接影響鋼筋連接的牢固性和結(jié)構(gòu)的安全性。

目前，鋼筋套筒灌漿料按組成可分為硅酸鹽水泥+膨脹劑、硫鋁酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥復(fù)合。膨脹劑雖對(duì)硅酸鹽水泥高強(qiáng)灌漿料的早期強(qiáng)度和抗收縮性有利，但會(huì)降低后期強(qiáng)度[1]，且膨脹量和膨脹持續(xù)時(shí)間難以做到與自收縮發(fā)展相匹配。硫鋁酸鹽水泥灌漿料雖早期強(qiáng)度較高，但后期強(qiáng)度難以達(dá)到要求。硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥復(fù)合灌漿料兼顧了硫鋁酸鹽水泥的早強(qiáng)特性和硅酸鹽水泥后期強(qiáng)度穩(wěn)步增長(zhǎng)的特點(diǎn)，但其性能對(duì)它們的比例非常敏感。滕飛、楊清等發(fā)現(xiàn)了隨著硫鋁酸鹽水泥增加，凝結(jié)時(shí)間快速降低，流動(dòng)性降低，抗壓強(qiáng)度在20%前降低，此后持續(xù)增加[2-3]。任宏偉等[4]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)硫鋁酸鹽水泥占水泥總量的比例小于50%時(shí)，1 d強(qiáng)度在20 MPa以下，當(dāng)超過(guò)60%時(shí)，可以達(dá)到35 MPa。然而，黃石明等[5]發(fā)現(xiàn)當(dāng)硫鋁酸鹽水泥與硅酸鹽水泥比例為28、硅灰摻量3%和水膠比0.22時(shí)，1 d和3 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到36.9 MPa和63.6 MPa。這種結(jié)果的差異與硫鋁酸鹽水泥組成和種類(lèi)有關(guān)。因此，需要結(jié)合具體的硫鋁酸鹽水泥做進(jìn)一步研究。

施工中穩(wěn)定的流動(dòng)度是保證澆筑質(zhì)量的前提，但若流動(dòng)度損失小，勢(shì)必會(huì)影響到早期強(qiáng)度，兩者難平衡性導(dǎo)致灌不滿(mǎn)現(xiàn)象非常普遍?？镏酒降萚6]發(fā)現(xiàn)鋼筋與灌漿料間的黏結(jié)承載力主要受灌漿料飽滿(mǎn)度影響。陳曦等[7]發(fā)現(xiàn)灌漿飽滿(mǎn)度對(duì)連接試件的拉伸性能有顯著影響，較低的飽滿(mǎn)度會(huì)導(dǎo)致鋼筋滑移破壞。此外，灌漿飽滿(mǎn)度也難以評(píng)價(jià)或評(píng)價(jià)方法不易實(shí)施。因此，本文采用硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥復(fù)合配制灌漿料，研究其比例變化對(duì)灌漿料流動(dòng)性、強(qiáng)度和豎向膨脹率影響，同時(shí)通過(guò)圖像法和拉伸法來(lái)評(píng)價(jià)灌漿料和套筒及鋼筋的結(jié)合力，為鋼筋套筒灌漿料的制備和效果評(píng)價(jià)提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

水泥采用平頂山大地水泥有限公司生產(chǎn)的PO42.5，硫鋁酸鹽水泥為42.5低堿度硫鋁酸鹽水泥；粉煤灰采用姚孟電廠(chǎng)的II級(jí)灰，硅灰采用洛陽(yáng)匯矽微硅，高吸水樹(shù)脂SAP采用D50為100 μm的粉狀顆粒，早強(qiáng)劑采用三乙醇胺，砂子采用天然河砂，粒徑在0.15～2.36 mm，含泥量小于0.5%。減水劑采用科之潔的聚羧酸減水劑，固含量40%。

套筒采用中建機(jī)械洛陽(yáng)有限公司生產(chǎn)的滾壓型全灌漿套筒，型號(hào)為GTJQ 16。套筒外徑D2為42 mm；套筒總長(zhǎng)L為310 mm；預(yù)制端錨固長(zhǎng)度L0為135 mm；裝配端錨固長(zhǎng)度L1為135 mm。鋼筋和木制仿制筋的直徑為16 mm，其中鋼筋等級(jí)為HRB600。

1.2 試驗(yàn)方法

將水泥、硅灰、粉煤灰、早強(qiáng)劑、減水劑和水先慢速攪拌30 s，然后快速攪拌2 min，再加入河砂快速攪拌1 min。

灌漿料的流動(dòng)度、強(qiáng)度和豎向膨脹率按照 《鋼筋連接用套筒灌漿料》(JG/T 408-2019)提供的方法進(jìn)行。試驗(yàn)溫度保持在20 ℃±1 ℃。試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。為了與現(xiàn)場(chǎng)情況相似，強(qiáng)度和膨脹試樣成型時(shí)試模內(nèi)部先放置塑料薄膜，成型后表面用塑料薄膜包裹。灌漿料組成見(jiàn)表1。

表1 灌漿料組成設(shè)計(jì)

灌漿料與鋼筋及套筒的黏結(jié)力通過(guò)鋼筋拉伸試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。先把鋼套筒和鋼筋豎直固定好，采用壓力槍把灌漿料從進(jìn)料口壓入套筒內(nèi)，直到灌漿料從出料口流出，停止注漿，用橡皮塞塞住進(jìn)、出料口，并補(bǔ)齊上口漿料。上下面密封好后，養(yǎng)護(hù)到一定齡期，用WAW-1000型電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。當(dāng)鋼筋發(fā)生斷裂或強(qiáng)度達(dá)到最大屈服強(qiáng)度后，停止試驗(yàn)。

灌漿料飽滿(mǎn)度采用切片法。成型方法同上，采用同尺寸的塑料套筒和木棍替代。20 ℃養(yǎng)護(hù)28 d后，使用切割機(jī)將塑料套筒切成厚5 mm左右的薄片，用超景深三維視頻顯微鏡觀(guān)察灌漿料在套筒和仿制筋周?chē)奶畛涑潭?，以評(píng)價(jià)灌漿飽滿(mǎn)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 灌漿料流動(dòng)性

圖1 摻SAP灌漿料的流動(dòng)度

圖2 摻SAP灌漿料的抗壓強(qiáng)度

圖3 未摻SAP灌漿料的抗壓強(qiáng)度

摻SAP灌漿料的初始流動(dòng)度及30 min流動(dòng)度如圖1所示。隨著硫鋁酸鹽水泥摻量增加，灌漿料的初始流動(dòng)度和30 min流動(dòng)度減小。相對(duì)初始流動(dòng)度而言，30 min流動(dòng)度在硫鋁酸鹽水泥摻量超過(guò)4%時(shí)變化比較明顯，到10%時(shí)減小了大約30 mm，這表明硫鋁酸鹽水泥逐漸發(fā)揮其快速凝結(jié)的特性，因此其摻量不易過(guò)大，以免影響澆筑效果。其他研究者也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似現(xiàn)象[2-3]。

在本研究中摻入10%的硫鋁酸鹽水泥仍滿(mǎn)足初始流動(dòng)度大于300 mm和30 min流動(dòng)度大于270 mm的要求。

2.2 灌漿料抗壓強(qiáng)度

(1)摻SAP灌漿料

摻SAP灌漿料分別養(yǎng)護(hù)1 d、3 d、28 d后的抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖2。1 d時(shí)硫鋁酸鹽水泥摻量在小于4%時(shí)，對(duì)強(qiáng)度影響不大，超過(guò)4%時(shí)強(qiáng)度明顯降低。但在3 d時(shí)，硫鋁酸鹽水泥摻量在2%～4%時(shí)具有較高的強(qiáng)度，大于5%時(shí)，強(qiáng)度降低較快。在28 d時(shí)，硫鋁酸鹽水泥摻量在1%～6%時(shí)強(qiáng)度增加比較明顯，增加了約20 MPa。

硫鋁酸鹽水泥對(duì)水化影響與石膏在硅酸鹽水泥中的作用相似，其主要組成硫鋁酸鈣將會(huì)快速與石膏和水反應(yīng)形成鈣礬石，形成的鈣礬石對(duì)于早期強(qiáng)度發(fā)展有利，但摻量較高時(shí)，形成的鈣礬石可能會(huì)影響到C3S的水化，從而影響早期強(qiáng)度的發(fā)展。30 min流動(dòng)度變化也驗(yàn)證了硫鋁酸鹽水泥對(duì)水化的影響。

從1 d到28 d強(qiáng)度發(fā)展來(lái)看，硫鋁酸鹽水泥摻量應(yīng)控制在5%以?xún)?nèi)。盡管28 d強(qiáng)度較高，但1 d和3 d強(qiáng)度仍略低于標(biāo)準(zhǔn)要求，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

(2)未摻SAP灌漿料

本體系最初希望通過(guò)SAP和硫鋁酸鹽水泥協(xié)同降低自收縮的影響，從以上結(jié)果來(lái)看，早期強(qiáng)度比較低。這與SAP孔形成和它對(duì)早期水化延遲作用有關(guān)[8]。同時(shí)，硫鋁酸鹽水泥具有一定膨脹性和早強(qiáng)效果。因此，在組成中去掉SAP，能夠更好發(fā)揮硫鋁酸鹽水泥的早期作用。

結(jié)合上述影響，主要考慮3%、6%和9% 3個(gè)摻量，灌漿料流動(dòng)性指標(biāo)仍符合標(biāo)準(zhǔn)要求，各齡期強(qiáng)度如圖3所示。未摻SAP灌漿料強(qiáng)度隨硫鋁酸鹽水泥摻量變化與摻SAP時(shí)相似，而且強(qiáng)度進(jìn)一步提高，在摻量3%～6%時(shí)1 d和3 d強(qiáng)度均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，28 d強(qiáng)度也達(dá)到110 MPa。

2.3 灌漿料膨脹性

未摻SAP灌漿料24 h豎向膨脹率如圖4所示。未摻硫鋁酸鹽水泥時(shí)，漿體出現(xiàn)收縮，這與其較低的水膠比有關(guān)。當(dāng)水膠比小于0.36時(shí)，即使采用澆水保濕，仍會(huì)產(chǎn)生自收縮，而硅灰的加入會(huì)進(jìn)一步增大自收縮[9]。本體系的水膠比只有0.24，還含有10%的硅灰，且采用密封養(yǎng)護(hù)，因此自收縮比較大。硫鋁酸鹽水泥摻量在3%時(shí)，還不足以消除自收縮，產(chǎn)生稍微地收縮，當(dāng)大于3%時(shí)呈現(xiàn)豎向膨脹，不過(guò)膨脹率不大，摻量9%時(shí)的膨脹率僅有0.035%，屬于微膨脹。這種微膨脹不會(huì)引起開(kāi)裂，有助于增加灌漿料與鋼筋及套筒的黏結(jié)力。

2.4 灌漿料與鋼筋及套筒的結(jié)合

灌漿料的灌漿效果除了自身強(qiáng)度之外，還在于能否有效填充鋼筋與套筒之間的間隙，即飽滿(mǎn)度。飽滿(mǎn)度也直接影響灌漿料與鋼筋及套筒間的黏結(jié)力，本文通過(guò)鋼筋拉伸試驗(yàn)和顯微結(jié)構(gòu)分析來(lái)判定其灌漿料、鋼筋和套筒間的黏結(jié)力。

(1)拉伸性能

未摻SAP灌漿料連接鋼筋套筒試件的拉伸性能見(jiàn)圖5和表2。

圖4 豎向膨脹率隨硫鋁酸鹽水泥摻量變化

圖5 硫鋁酸鹽水泥摻量對(duì)試件拉伸性能的影響

試件的拉伸性能與鋼筋相似，也表現(xiàn)出鋼筋4個(gè)受拉階段，且與鋼筋屈服強(qiáng)度相等，即在屈服階段前后主要表現(xiàn)為連接鋼筋的變形。當(dāng)未摻入硫鋁酸鹽水泥時(shí)，試件塑性變形最小，抗拉強(qiáng)度也較小，當(dāng)摻入硫鋁酸鹽水泥時(shí)，抗拉強(qiáng)度與鋼筋相近(見(jiàn)表2)，只是變形量相對(duì)較小，其中摻量6%和9%時(shí)變形相差不大。

表2 抗拉強(qiáng)度與硫鋁酸鹽水泥摻量的關(guān)系

從最終破壞形態(tài)來(lái)看，套筒外鋼筋被拉斷(見(jiàn)圖6)。高潤(rùn)東等[10]認(rèn)為套筒灌漿料在加載過(guò)程中，如果鋼筋發(fā)生屈服，均是接頭外鋼筋發(fā)生屈服，接頭內(nèi)鋼筋一般不再屈服?？镏酒降萚6]發(fā)現(xiàn)當(dāng)黏結(jié)承載力達(dá)到鋼筋抗拉承載力時(shí),破壞形態(tài)由黏結(jié)破壞 (灌漿料劈裂或鋼筋拔出) 轉(zhuǎn)變?yōu)殇摻罾瓟唷Ｒ虼?，所研制的灌漿料與套筒及鋼筋間黏結(jié)力比較大，受拉時(shí)表現(xiàn)為鋼筋屈服和破壞，從而實(shí)現(xiàn)豎向鋼筋間的有效連接，保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖6 試件最終破壞狀態(tài)

(2)灌漿飽滿(mǎn)度

對(duì)試件沿軸線(xiàn)進(jìn)行橫向切割，切片在超景深三維視頻顯微鏡下顯微結(jié)構(gòu)如圖7所示，每幅圖的左邊表示套筒與灌漿料之間的界面，右邊為灌漿料與仿鋼筋木棍的界面。

(a) 0%

(b) 3%

(c) 6%

(d) 9%

灌漿料與套筒之間結(jié)合非常緊密，沒(méi)有明顯的縫隙，同時(shí)灌漿料也比較密實(shí)，氣孔較少。然而，代替鋼筋的木棍與灌漿料之間的結(jié)合受到硫鋁酸鹽水泥摻量的影響。在未摻和摻3%硫鋁酸鹽水泥的試樣中木棍與灌漿料之間有明顯的間隙，而在摻量6%和9%的試樣中它們的結(jié)合非常緊密。這些間隙的產(chǎn)生與灌漿料自收縮有關(guān)。由于木棍吸水，造成周?chē)鷿{體水膠比進(jìn)一步降低，致使這部分漿體自收縮增加，而塑料套管不吸水，影響較小，在木棍與漿體接觸處出現(xiàn)了間隙。這在一定程度上降低了抗拉強(qiáng)度。隨著硫鋁酸鹽水泥摻量的增加，膨脹量增大，使這部分間隙得到有效填充，試件的抗拉強(qiáng)度得到提高。

由于鋼筋不吸水，其與灌漿料的結(jié)合與木棍不同，其斷面不太容易得到，因而有必要對(duì)木棍表面進(jìn)行處理，并做進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

(1)灌漿料流動(dòng)度隨硫鋁酸鹽水泥摻量的增加而降低，合適摻量可以保證較高的早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度，并處于微膨脹狀態(tài)，而SAP的存在會(huì)影響硫鋁酸水泥的增強(qiáng)效果。

(2)硫鋁酸鹽水泥提高了硅酸鹽水泥灌漿料與鋼筋及套筒的結(jié)合力，使其具有單根鋼筋相似的變形行為和抗拉強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了鋼筋的有效連接。