李先勇，米陽，丁浩

（四川華西綠舍建材有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

近幾年，國家頒布了一系列相關(guān)政策和規(guī)范來推行裝配式建筑，提出了規(guī)劃設(shè)計(jì)、建造施工等階段的技術(shù)要點(diǎn)，裝配式建筑已經(jīng)成為我國建筑工業(yè)化進(jìn)程中重點(diǎn)發(fā)展的結(jié)構(gòu)形式[1]。目前，鋼筋套筒灌漿連接是預(yù)制裝配式混凝土結(jié)構(gòu)中普遍使用的連接方式之一，多用于豎向連接，如梁柱、橋墩承臺(tái)等預(yù)制構(gòu)件連接，行業(yè)內(nèi)成立了一大批相關(guān)企業(yè)，鋼筋套筒灌漿連接技術(shù)在裝配式建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到大量推廣應(yīng)用[2-3]。鋼筋套筒灌漿連接通過在套筒內(nèi)插入帶肋鋼筋，灌注灌漿料增強(qiáng)其與鋼筋、套筒的連接，利用鋼筋和灌漿料的握裹力實(shí)現(xiàn)力的傳遞。該連接方式可靠性是結(jié)構(gòu)連續(xù)性及整體性的主要保障，而套筒灌漿料的性能是鋼筋套筒連接的關(guān)鍵技術(shù)，其性能優(yōu)劣對結(jié)構(gòu)安全性及耐久性都起著至關(guān)重要的作用[4]。

我國現(xiàn)有套筒灌漿料種類雖多，但興起和發(fā)展時(shí)間較短，裝配式建筑還處于摸索發(fā)展階段，技術(shù)水平有限，產(chǎn)品質(zhì)量相較于技術(shù)相對成熟的國外灌漿料還是有著一定的差距[5-6]。套筒灌漿料部分產(chǎn)品的技術(shù)性能并沒有完全達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，早期強(qiáng)度不合格、膨脹率達(dá)不到要求，后期收縮大、強(qiáng)度不穩(wěn)定，后期強(qiáng)度越高，離散越大。此外，目前水泥套筒灌漿料大多采用P·O52.5水泥，輔摻部分硅灰作為摻合料以滿足對強(qiáng)度的要求，但這增加了套筒灌漿料的成本（目前售價(jià)為2000~6000元/t），相較于其他原材料來說，價(jià)格偏高。同時(shí)，價(jià)格的巨大差異也反映出了目前市場上灌漿料質(zhì)量參差不齊，對灌漿料沒有明確的分級方法，市場相對比較混亂。

本文以P·O42.5R水泥為主要膠凝材料，輔摻礦粉、粉煤灰、石灰石粉，使用機(jī)制砂取代部分石英砂，研制出一種成本相對低廉，強(qiáng)度高、流動(dòng)性好、無泌水、后期體積微膨脹的套筒灌漿料，為低成本、高性能的鋼筋連接用套筒灌漿料的配制提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R水泥，四川峨勝水泥有限公司，符合GB 175—2020《通用硅酸鹽水泥》的要求，且與外加劑適應(yīng)性好，比表面積351 m2/kg，其基本物理性能見表1。

粉煤灰：風(fēng)選Ⅰ級粉煤灰，西昌某電廠，技術(shù)性能符合GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》的要求。

礦粉：S95級磨細(xì)礦渣粉，西昌某鋼鐵廠，技術(shù)性能符合GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》的要求。

石灰石粉：廣東森新工貿(mào)有限公司，45μm方孔篩篩余為23.5%，技術(shù)性能符合CB/T 35164—2017《用于水泥、砂漿、混凝土中的石灰石粉》的要求。

減水劑：PAC@-300P型，粉狀聚羧酸高性能減水劑，江蘇蘇博特新材料有限公司，按照GB 8076—2008《混凝土外加劑》進(jìn)行檢驗(yàn)，與水泥適應(yīng)性好，減水率為28%。

MgO膨脹劑：SY-Ⅱ型，三源化工有限公司，灰白色粉末，以MgO為主要膨脹源，能產(chǎn)生穩(wěn)定的膨脹，性能符合GB/T 23439—2017《混凝土膨脹劑》要求。

塑性膨脹劑：EP-2型，南京罄海商貿(mào)有限公司，黃色粉末，粒徑為5~8μm，其膨脹原理是在水泥漿體塑性階段時(shí)，在堿性環(huán)境下和水反應(yīng)緩慢產(chǎn)生氣體，使水泥漿體產(chǎn)生塑性膨脹。

消泡劑：GB-100型，有機(jī)硅消泡劑，濟(jì)南國邦化工有限公司，白色粉末，符合GB/T 26527—2011《有機(jī)硅消泡劑》的要求。

細(xì)骨料：石英砂，四川成都大德日化公司，其SiO2含量>99%，20目~40目；機(jī)制砂，四川成都某機(jī)制砂制備廠，細(xì)度模數(shù)為2.6，連續(xù)級配，通過篩分得到粒徑為1.18~0.6 mm區(qū)間的機(jī)制砂用于試驗(yàn)。

水：自來水或符合JGJ 63—2006《混凝土用水標(biāo)準(zhǔn)》的水。

表1 水泥的基本物理性能

1.2 性能測試方法

根據(jù)JGJ 355—2015《鋼筋套筒灌漿連接應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》和JG/T 408—2019《鋼筋連接用套筒灌漿料》的要求，對套筒灌漿料的性能（包括：初始流動(dòng)度，30 min流動(dòng)度，3 h與24 h豎向膨脹率，28 d干燥收縮率，泌水率，1、3、28 d抗壓強(qiáng)度等）進(jìn)行測試。其中，套筒灌漿料的豎向膨脹率按JG/T 408—2019附錄C中的有關(guān)規(guī)定，采用接觸式測量法進(jìn)行測試?？箟簭?qiáng)度試件采用尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，按GB/T 17671—2021《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》分別測試齡期為1、3、28 d試件的強(qiáng)度。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用20目~40目石英砂，設(shè)置減水劑、消泡劑、膨脹劑摻量為定量，減水劑、消泡劑、塑性膨脹劑、MgO膨脹劑摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0.4%、0.1%、0.02%、5.0%。試件在（20±2）℃成型并采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

選擇水膠比（B）、膠砂比（C）、礦物摻合料摻量（D）以及礦物摻合料組合（E）（各礦物摻合料組分按照質(zhì)量比1∶1復(fù)配）作為4個(gè)因素，每個(gè)因素選擇4個(gè)水平。因不考慮各因素之間的交互作用，且設(shè)置一列空列（A）作為試驗(yàn)誤差以衡量試驗(yàn)的可靠性。按正交試驗(yàn)L16（45）表進(jìn)行試驗(yàn)。正交試驗(yàn)因素水平如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素水平

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果（見表3）

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

由表3可知，各配方中滿足初始流動(dòng)度≥300 mm、30 min流動(dòng)度≥260 mm且不出現(xiàn)泌水要求的配方有2#，3#，6#，11#，15#這5組。除16#外，其余各組配方均滿足各齡期強(qiáng)度要求。綜合流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度，從正交試驗(yàn)結(jié)果直接判斷，符合JG/T 408—2019要求的配方有2#，3#，6#，11#，15#。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

2.2.1 流動(dòng)度極差分析（見表4）

表4 各因素對套筒灌漿料流動(dòng)性影響的極差分析

由表4可知，對初始流動(dòng)性而言，各因素的影響大小依次為：水膠比>砂膠比>礦物摻合料組合>礦物摻合料摻量，最佳配比為B4C1D1E3，即水膠比0.26、膠砂比0.8、礦物摻合料摻量15%、礦物摻合料的組合為礦粉+石粉。

對30 min流動(dòng)性而言，各因素的影響大小依次為：水膠比>砂膠比>礦物摻合料組合>礦物摻合料摻量，最佳配比為B4C1D4E3，即水膠比0.26、膠砂比0.8、礦物摻合料摻量24%、礦物摻合料的組合為礦粉+石粉。

2.2.2 抗壓強(qiáng)度極差分析（見表5）

表5 各因素對灌漿料抗壓強(qiáng)度影響的極差分析

由表5可知，（1）對1 d抗壓強(qiáng)度而言，各因素的影響大小依次為：水膠比>礦物摻合料摻量>礦物摻合料組合>砂膠比，最佳配比為B1C2D1E4，即水膠比0.2、膠砂比1.0、礦物摻合料摻量15%、礦物摻合料的組合為粉煤灰＋礦粉＋石粉。

（2）對3 d抗壓強(qiáng)度而言，各因素的影響大小依次為：水膠比>砂膠比>礦物摻合料組合>礦物摻合料摻量，最佳配比為B1C1D1E4，即水膠比0.2、膠砂比0.8、礦物摻合料摻量15%、礦物摻合料的組合為粉煤灰＋礦粉+石粉。

（3）對28 d抗壓強(qiáng)度而言，各因素的影響大小依次為：水膠比>礦物摻合料組合>砂膠比>礦物摻合料摻量，最佳配比為B1C3D4E1，即水膠比0.2、膠砂比1.2、礦物摻合料摻量24%、礦物摻合料的組合為粉煤灰＋礦粉。

2.2.3 最佳配合比確定

上述極差分析結(jié)果表明，不同的性能指標(biāo)所得到的最優(yōu)配方也有較大出入，因此需要根據(jù)不同的性能需求，綜合4項(xiàng)性能指標(biāo)所得到的規(guī)律，確定正交試驗(yàn)的最優(yōu)結(jié)果。

當(dāng)考察指標(biāo)為流動(dòng)度時(shí)，水膠比的最優(yōu)取值為0.26，且當(dāng)水膠比為0.2時(shí)，灌漿料較難符合JG/T 408—2019的要求；當(dāng)指標(biāo)為1、3、28 d抗壓強(qiáng)度時(shí)，水膠比的最優(yōu)取值為0.20，且當(dāng)水膠比為0.26時(shí)，1、28 d抗壓強(qiáng)度已不符合JG/T 408—2019的要求。綜合5項(xiàng)指標(biāo)的結(jié)果，確定灌漿料的水膠比最優(yōu)取值為B3，即0.24。

膠砂比對于灌漿料的流動(dòng)性來說最佳水平為0.8，對于灌漿料1、3、28 d抗壓強(qiáng)度最佳水平分別為1.0、1.2、1.2。砂在灌漿材料中起到骨架支撐的作用，增加砂的摻量能增加灌漿材料早期強(qiáng)度，并能減少水泥用量。但加砂會(huì)降低體系的流動(dòng)性，并會(huì)增加灌漿阻力。因此綜合結(jié)果膠砂比的最優(yōu)取值為C2，即1.0。

礦物摻合料摻量對于灌漿料初始流動(dòng)度的最佳水平為D1，對于灌漿料0.5 h流動(dòng)度的最佳水平為D4，對于灌漿料1、3、28 d抗壓強(qiáng)度來說，最佳水平為分別為D1、D1和D4。正交試驗(yàn)結(jié)果中套筒灌漿料各齡期抗壓強(qiáng)度能較好的滿足JG/T 408—2019要求，所以更重要的是考慮其施工可操作時(shí)間和經(jīng)濟(jì)性，故礦物摻合料摻量的最優(yōu)取值選擇為D4，即24%。

對于礦物摻合料組合方式，在初始流動(dòng)度和0.5 h流動(dòng)度中最佳水平為D3，在1、3 d抗壓強(qiáng)度中最佳水平為D4，在28 d抗壓強(qiáng)度中最佳水平為D1。從正交試驗(yàn)結(jié)果分析可以發(fā)現(xiàn)，各因素中礦物摻合料組合對于灌漿料流動(dòng)度影響相對次要，對于灌漿料強(qiáng)度特別是1 d抗壓強(qiáng)度影響較大，因此確定礦物摻合料組合方式的最優(yōu)取值為D4，即礦物摻合料組合方式為：粉煤灰+石粉+礦粉3種礦物摻合料復(fù)摻。

綜上所述，通過正交試驗(yàn)得到的套筒灌漿料初步配比為：B3C2D4E4，即水膠比0.24、膠砂比1.0、礦物摻合料摻量24%、礦物摻合料組合方式為粉煤灰+石粉+礦粉。初步配比的灌漿材料，其初始流動(dòng)度為460 mm，30 min流動(dòng)度458 mm，明顯大于JG/T 408—2019中要求的流動(dòng)度，且出現(xiàn)集料下沉和泌水的現(xiàn)象。微調(diào)減水劑摻量，得到的最佳配比為：減水劑摻量0.35%、水膠比0.24、膠砂比1.0、礦物摻合料摻量24%、礦物摻合料組合方式為粉煤灰+石粉+礦粉。套筒灌漿料的性能如表6所示。

表6 優(yōu)化配比套筒灌漿料的性能

優(yōu)化配比后的套筒灌漿料克服了流動(dòng)度過大和泌水現(xiàn)象，各齡期抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求，具有良好的力學(xué)性能，在塑性階段能夠滿足豎向膨脹率的要求，硬化后體積表現(xiàn)出一定的微膨脹，各項(xiàng)性能均符合JG/T 408—2019要求。

2.3 機(jī)制砂取代率對套筒灌漿料性能的影響

砂作為套筒灌漿料重要組成部分之一，在基體中能起到骨架支撐、力傳導(dǎo)作用，還能減小基體收縮，其特性和用量對漿體的流動(dòng)性和力學(xué)性能也有一定影響。

常規(guī)灌漿料的細(xì)骨料主要使用石英砂和河砂，優(yōu)質(zhì)河砂資源逐漸枯竭，石英砂由于資源獲得的難易性、生產(chǎn)成本等原因，其價(jià)格高昂，機(jī)制砂已成為我國建材行業(yè)的主要砂源。本試驗(yàn)主要對比普通機(jī)制砂、石英砂對灌漿料性能的影響，最終確定灌漿料中細(xì)骨料的品種。選擇成都地區(qū)市售，經(jīng)篩分得到粒徑在1.18~0.6 mm的機(jī)制砂，分別取代0、25%、50%、75%、100%的石英砂進(jìn)行試驗(yàn)研究，保持各組試驗(yàn)條件一致。試驗(yàn)配方選用優(yōu)化后的配方，即采用減水劑0.35%、水膠比0.24、膠砂比1.0、礦物摻合料摻量24%、礦物摻合料組合方式為粉煤灰+石粉+礦粉進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 機(jī)制砂對灌漿料流動(dòng)性和強(qiáng)度的影響

由圖1可知，機(jī)制砂以不同取代率取代石英砂時(shí)，灌漿料的流動(dòng)性均有明顯下降，且隨著機(jī)制砂取代率的增大，灌漿料的流動(dòng)度逐漸減小，說明機(jī)制砂取代石英砂會(huì)降低灌漿料的性能。當(dāng)取代率超過50%時(shí)，套筒灌漿料流動(dòng)度達(dá)不到JG/T 408—2019要求。采用機(jī)制砂取代石英砂時(shí)，灌漿料的抗壓強(qiáng)度明顯降低，但均高于JG/T 408—2019要求。當(dāng)石英砂取代率為50%時(shí)，灌漿料的28 d抗壓強(qiáng)度最低；當(dāng)機(jī)制砂取代率為25%時(shí)，套筒灌漿料流動(dòng)性和強(qiáng)度略微有所降低，但仍遠(yuǎn)優(yōu)于JG/T 408—2019要求，且更加具有經(jīng)濟(jì)性。因此，從性能和成本節(jié)約方面綜合考慮，確定機(jī)制砂的最佳取代率為25%。

3 結(jié)論

（1）以P·O42.5R水泥為主要膠凝材料，輔摻礦粉、粉煤灰、石灰石粉，得到套筒灌漿料最優(yōu)配比為：水膠比0.24、砂膠比1.0、礦物摻合料摻量24%、礦物摻合料組合方式為粉煤灰+石灰石粉+礦粉、減水劑摻量0.35%。

（2）試驗(yàn)確定的套筒灌漿料最優(yōu)配比成本低廉，具有優(yōu)異的流動(dòng)性和抗壓強(qiáng)度，后期體積微膨脹，各項(xiàng)性能均符合JG/T 408—2019要求。

（3）采用機(jī)制砂取代石英砂時(shí)，灌漿料的流動(dòng)性和強(qiáng)度有明顯下降，且隨著機(jī)制砂取代率的增大，灌漿料的流動(dòng)度呈下降趨勢，因此，機(jī)制砂取代率不宜超過25%。