李 輝，馬先偉,趙林林，楊樂(lè)樂(lè)，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)

鋼筋套筒灌漿連接是裝配式建筑鋼筋連接的主要方式，而灌漿料的質(zhì)量決定了鋼筋連接的效果?，F(xiàn)有研究大多集中于常溫灌漿料，但很多時(shí)候施工溫度在0 ℃以下，而常溫灌漿料5 ℃以下已不能達(dá)到質(zhì)量要求[1]，在負(fù)溫下極易被凍害，強(qiáng)度無(wú)法有效增大[2]。李文博[3]發(fā)現(xiàn)普通硅酸鹽水泥-硫鋁酸鹽水泥-二水石膏的復(fù)合套筒灌漿料在5 ℃時(shí)已無(wú)法滿(mǎn)足要求。

同時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)灌漿料流動(dòng)度也有一定影響，-10 ℃時(shí)灌漿料流動(dòng)度迅速降低，難以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。因此，需要一種適合在5 ℃以下使用的灌漿料，即低溫(5 ℃以下)灌漿料，尤其是負(fù)溫(0 ℃以下)灌漿料。

盡管負(fù)溫下混凝土通過(guò)保溫、蒸養(yǎng)、加早強(qiáng)劑或引氣劑等措施可以滿(mǎn)足工程要求，但鋼筋套筒灌漿料用量少，且套筒和鋼筋易散熱，保溫或蒸養(yǎng)在施工中也不易實(shí)現(xiàn)；同時(shí)，負(fù)溫下僅靠早強(qiáng)劑難以達(dá)到1 d 35 MPa的要求[1]，而引氣劑會(huì)造成強(qiáng)度損失。對(duì)負(fù)溫灌漿料的研究雖然取得了一定進(jìn)展，但仍有許多問(wèn)題有待解決(如灌漿料組成設(shè)計(jì)、外加劑的選用等)，在工程中使用效果也較差。此外，低溫環(huán)境的復(fù)雜性增加了實(shí)際應(yīng)用的難度。因此，本文從膠凝材料組成、外加劑、養(yǎng)護(hù)等方面對(duì)相關(guān)研究成果進(jìn)行總結(jié)和分析，找出存在的主要問(wèn)題，以更好促進(jìn)負(fù)溫灌漿料的制備和工程應(yīng)用，從而推動(dòng)裝配式建筑的發(fā)展。

1 膠凝材料體系

膠凝材料的組成決定了灌漿料的水化速率和強(qiáng)度發(fā)展。常用的灌漿料有純硅酸鹽水泥體系、純硫鋁酸鹽水泥體系和復(fù)合水泥體系。復(fù)合水泥體系有二元復(fù)合(硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合)、三元復(fù)合(硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和高鋁水泥復(fù)合)等。

圖1 硅酸鹽與硫鋁酸鹽水泥復(fù)配比例對(duì)強(qiáng)度的影響[5]

在負(fù)溫條件下，純普通硅酸鹽水泥體系早期強(qiáng)度較低，而快硬硅酸鹽水泥30 min流動(dòng)度難以滿(mǎn)足；通常硅酸鹽水泥需要加入防凍劑、早強(qiáng)劑等，但負(fù)溫時(shí)單摻外加劑難以獲得較高的早期強(qiáng)度[1]。普通硫鋁酸鹽水泥體系雖然早期強(qiáng)度較高，但28 d強(qiáng)度難以達(dá)到要求。為此通常采用2種或3種水泥復(fù)合。董淑慧等[5]發(fā)現(xiàn)隨著硫鋁酸鹽水泥取代硅酸鹽水泥量的增加，灌漿料抗壓強(qiáng)度先增大后降低，合適比例為8515，如圖1所示。馬正先等[6]發(fā)現(xiàn)在普通硅酸鹽水泥中同時(shí)摻入高鋁水泥和硫鋁酸鹽水泥的效果優(yōu)于單摻高鋁水泥或硫鋁酸鹽水泥，三者合適的比例為721。此外，環(huán)境溫度不同，不同類(lèi)型灌漿料的流動(dòng)度也不同，如表1所示。

表1 不同類(lèi)型灌漿料的低溫流動(dòng)度[2]

總的來(lái)說(shuō)，單一硅酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥難以滿(mǎn)足要求，應(yīng)采用二元或三元復(fù)合體系，但由于高鋁水泥或硫鋁酸鹽水泥和硅酸鹽水泥之間會(huì)相互影響，造成性能損失，需要注意三者之間的比例關(guān)系。

2 外加劑的影響

要保持負(fù)溫下灌漿料的可施工性和較高的早期強(qiáng)度，需要加入一些外加劑。在硅酸鹽水泥灌漿料中，亞硝酸鈉效果較好，甲酸鈣和三乙醇胺次之，碳酸鋰較差，但是在-5 ℃時(shí)均達(dá)不到強(qiáng)度要求，且1 d強(qiáng)度偏低[1]，如表2所示。在硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合灌漿料中碳酸鋰對(duì)強(qiáng)度影響不大，而甲酸鈣有負(fù)面影響[5]。在硅酸鹽水泥、高鋁水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合灌漿料中硫酸鈉、甲酸鈣、硝酸鈉對(duì)強(qiáng)度有一定提高作用[7]。這表明早強(qiáng)劑在不同體系中作用效果存在差異。此外，在三元復(fù)合灌漿料和硅酸鹽水泥灌漿料中硅灰、礦粉和粉煤灰對(duì)流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響效果相似[8]。

表2 不同早強(qiáng)劑對(duì)硅酸鹽水泥灌漿料低溫(-5 ℃)抗壓強(qiáng)度的影響[1]

同時(shí)，外加劑也會(huì)影響到灌漿料流動(dòng)性。陶成云等[4]發(fā)現(xiàn)-5 ℃時(shí)塑性膨脹組分摻量對(duì)硫鋁酸鹽水泥灌漿料流動(dòng)度影響不大，高性能防凍組分對(duì)初始流動(dòng)度均有提高作用，不過(guò)對(duì)30 min流動(dòng)度無(wú)明顯影響，而早強(qiáng)組分對(duì)流動(dòng)度有負(fù)面影響。硫酸鈉對(duì)三元復(fù)合灌漿料流動(dòng)度的不利影響較大，硝酸鈉較小，且復(fù)摻更明顯；石膏、酒石酸起到緩凝作用，而碳酸鋰起到促凝作用[7]。

李本友等[9]發(fā)現(xiàn)在普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和高鋁水泥復(fù)合灌漿料中摻加促凝劑、緩凝劑和防凍劑后，早期強(qiáng)度可以滿(mǎn)足-5 ℃的使用要求。杭鑫坤[10]采用70%PO 52.5水泥、20%高鋁水泥和10%硫鋁酸鹽水泥復(fù)合，并加4%硅灰、12%石膏、0.16%酒石酸、0.16%碳酸鋰、0.4%硝酸鈉及適量聚羧酸型減水劑，在膠砂比為11和水膠比0.28時(shí)，獲得滿(mǎn)足-5 ℃要求的灌漿料。此外，謝松等[11]在硅酸鹽水泥中加入激發(fā)劑(主要成分C12A7)、超細(xì)礦粉(21 060 cm3/g)及緩凝劑，灌漿料在-5 ℃時(shí)可操作時(shí)間充足，4 h強(qiáng)度達(dá)35 MPa以上，3 d強(qiáng)度達(dá)60 MPa以上。

從上面分析看，在負(fù)溫條件下，防凍劑、早強(qiáng)劑及緩凝劑是調(diào)節(jié)灌漿料流動(dòng)性和強(qiáng)度不可缺少的組分，但其作用會(huì)受膠凝材料組成體系的影響，應(yīng)在膠凝材料設(shè)計(jì)確定的前提下，選擇合適的外加劑，且應(yīng)盡可能減少外加劑種類(lèi)，以減少拌和的程序和成本。

3 養(yǎng)護(hù)條件的影響

養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間對(duì)灌漿料性能發(fā)展具有重要影響。謝松等[2]發(fā)現(xiàn)摻激發(fā)劑的硅酸鹽水泥灌漿料可在負(fù)溫下長(zhǎng)期養(yǎng)護(hù)，如在-5 ℃養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度能達(dá)到85 MPa以上；硫鋁酸鹽水泥灌漿料只可在負(fù)溫下短期養(yǎng)護(hù)，若-5 ℃養(yǎng)護(hù)7 d再繼續(xù)標(biāo)養(yǎng)28 d也可達(dá)85 MPa以上，如表3所示。朱清華[12]等認(rèn)為一般情況下若能保證灌漿及灌漿后4 h套筒內(nèi)溫度不低于0 ℃，就可進(jìn)行灌漿施工，即使最低溫度低至-10 ℃，也不需采取任何加熱保溫措施。楊國(guó)剛等[13]發(fā)現(xiàn)0 ℃養(yǎng)護(hù)時(shí)對(duì)PO 52.5普通水泥和快硬硫鋁酸鹽水泥復(fù)合灌漿料的強(qiáng)度影響不大，但低于-5 ℃時(shí)需在-5 ℃以上預(yù)養(yǎng)4～5 h。顧旭東等[14]發(fā)現(xiàn)硫鋁酸鹽水泥灌漿料先在5 ℃預(yù)養(yǎng)護(hù)4 h后再在-5 ℃養(yǎng)護(hù)，3 d強(qiáng)度達(dá)到46.9 MPa，28 d強(qiáng)度達(dá)到87.2 MPa，如圖2(a)所示。董淑慧等[5]發(fā)現(xiàn)先標(biāo)養(yǎng)2 h后-5 ℃養(yǎng)護(hù)3 d再標(biāo)養(yǎng)至28 d時(shí)復(fù)合防凍劑可以使硅酸鹽水泥和硫鋁酸鹽水泥復(fù)合灌漿料1 d和3 d抗壓強(qiáng)度提高2倍，28 d強(qiáng)度提高20%。

表3 不同養(yǎng)護(hù)方式下灌漿料的抗壓強(qiáng)度[2]

然而，孫小魏等[1]發(fā)現(xiàn)硅酸鹽水泥灌漿料10 ℃預(yù)養(yǎng)護(hù)2～8 h后在-5 ℃繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)強(qiáng)度均沒(méi)有達(dá)到要求，建議提高預(yù)養(yǎng)護(hù)溫度，如圖2(b)所示。李文博[3]認(rèn)為硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復(fù)合灌漿料在負(fù)溫施工時(shí)應(yīng)至少在10～20 ℃下預(yù)養(yǎng)護(hù)24 h，這種預(yù)養(yǎng)效果的差異與灌漿料的組成設(shè)計(jì)有關(guān)。顧旭東等采用的是硫鋁酸鹽水泥體系，孫小巍采用的是硅酸鹽水泥體系，李文博采用的是硅酸鹽水泥與硫鋁酸鹽水泥復(fù)合體系。對(duì)于灌漿料保溫，李文博[3]發(fā)現(xiàn)套筒外壁纏繞電伴熱帶可以達(dá)到良好預(yù)熱效果，如圖3所示；李治[15]認(rèn)為可以采用兩層棉氈和兩層塑料膜，同時(shí)保證套筒內(nèi)溫度不低于10 ℃。

此外，拌和水溫度[1-3]和攪拌時(shí)間對(duì)負(fù)溫灌漿料的性能也有一定影響。

(a)5 ℃預(yù)養(yǎng)24 h后，再-5 ℃養(yǎng)護(hù)至28 d[14] (b)10 ℃預(yù)養(yǎng)2～10 h，再-5 ℃養(yǎng)護(hù)至28 d[1]

圖3 套筒外壁纏繞電伴熱帶預(yù)熱效果[3]

從上面分析來(lái)看，在負(fù)溫下適當(dāng)?shù)念A(yù)養(yǎng)護(hù)對(duì)于灌漿料早期強(qiáng)度發(fā)展具有重要影響，但在實(shí)際工程中如何實(shí)現(xiàn)預(yù)養(yǎng)護(hù)是需要考慮的問(wèn)題，如可預(yù)養(yǎng)的溫度范圍、有效的保溫措施等。同時(shí)，在預(yù)養(yǎng)護(hù)溫度和時(shí)間設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮所用膠凝材料的組成設(shè)計(jì)。此外，原材料初始溫度、拌和工藝等也需要綜合考慮。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)有常溫灌漿料基本上不能滿(mǎn)足-5 ℃以下的使用要求，應(yīng)重新設(shè)計(jì)其組成；采用硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和高鋁水泥三元復(fù)合體系制成的負(fù)溫灌漿料效果較好，但相對(duì)比例比較敏感。

(2)早強(qiáng)劑、防凍劑和緩凝劑組合是保證負(fù)溫灌漿料強(qiáng)度和流動(dòng)性的較好選擇，但需要綜合考慮灌漿料性能來(lái)調(diào)整各自摻量。

(3)初始預(yù)養(yǎng)護(hù)是改善負(fù)溫灌漿料強(qiáng)度的有效措施之一，但是如何在工程上實(shí)現(xiàn)預(yù)養(yǎng)護(hù)是需要考慮的問(wèn)題，同時(shí)需要根據(jù)膠凝材料的組成來(lái)設(shè)計(jì)。

(4)滿(mǎn)足工程要求的負(fù)溫灌漿料非常少，尤其當(dāng)環(huán)境溫度為-5～-10 ℃時(shí)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究。