外加剂掺量对常温型套筒灌浆料性能的影响

□□ 蔡雪玲

(江苏奥莱特新材料股份有限公司,江苏 南京 211505)

引言

近年来,我国提出“碳达峰、碳中和”的双碳目标,各行各业都面临产业方向调整[1]。装配式混凝土结构是建筑产业化发展方向之一,装配式建筑具有高效率、环保和低碳等优点,符合当前社会发展要求[2-3]。装配式混凝土节点连接普遍采用钢筋套筒连接技术,在装配式混凝土结构中,性能优异的套筒灌浆料是实现纵向连接的关键,其性能优劣对结构体系的整体性和抗震性能有着至关重要的作用[4]。套筒灌浆料配制多采用水泥搭配添加剂。张亚梅等[5-6]公开了钢筋套筒连接用的超强灌浆材料,所用水泥为硅酸盐水泥,但未添加任何早强和促凝成分,很难达到早强要求。李宗阳[7]配制出高工作性、高强度的硫铝酸盐水泥基套筒灌浆料。邓小旭等[8]采用硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复配制备套筒灌浆料,但使用了多种外加剂,包括膨胀组分、减水剂、稳定剂、增稠剂及膨胀剂等,且其中膨胀组分和稳定剂是各种添加剂复配而成的。陈竞等[9]也采用硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复配,通过使用多种外加剂,制备出套筒灌浆料。戢文占等[10]研究配制出了28 d抗压强度>120 MPa,且其他各项技术性能优异的高强钢筋连接用套筒灌浆料产品。因此,拟以外加剂掺量为变量,研究了减水剂、缓凝剂、早强剂对常温型套筒灌浆料工作性能及早期强度的影响规律,得到其合理掺量。

1 试验

1.1 试验原材料

试验所用水泥为江南小野田生产的P·II 52.5水泥,密度为3.13 g·cm-3,所用硫铝酸盐水泥为唐山北极熊生产的快硬硫铝酸盐水泥R·SAC 42.5水泥,水泥物理性能见表1。

试验所用矿粉为S95级矿粉,密度为2.82 g·cm-3、比表面积为472 m2·kg-1,需水量比为101%,28 d活性指数为98%。

试验所用粉煤灰为I级粉煤灰,密度为2.24 g·cm-3、比表面积为440 m2·kg-1,需水量比为94%。

试验所用硅灰为SF硅灰,密度为2.15 g·cm-3、比表面积为19 640 m2·kg-1,需水量比为117%,7 d活性指数为112%。

试验所用石英砂为两种粒级0.425～0.850 mm(20～40目)及0.180～0.425 mm(40～80目)复配,复配后的粒径范围为0.2～0.9 mm连续集配砂子。

试验所用膨胀剂为武汉三源特种建材生产的UEA型膨胀剂,其性能符合GB 23439—2017《混凝土膨胀剂》要求。塑性膨胀剂为唐山北极熊提供,外观黄色。

试验所用减水剂为江苏奥莱特新材料股份有限公司生产的聚羧酸高性能固体减水剂,外观为白色粉末,减水率高,易溶解。

试验所用早强剂为硫酸钠与甲酸钙按1∶1比例复配,缓凝剂为半水石膏与葡萄糖酸钠,半水石膏初凝时间为7 min,终凝时间为22 min。

1.2 试验方法

试验采用灌浆料胶材体系配合比为硅酸盐水泥80份、硫铝酸盐水泥20份、粉煤灰11份、矿粉11份和硅灰5份,试验固定水胶比为0.22,胶砂比为1∶1,固定膨胀剂用量为水泥的8%,塑性膨胀剂为水泥的0.2%,消泡剂掺量为胶材的0.2%。

按照JG/T 408—2019《钢筋连接用套筒灌浆料》中常温型套筒灌浆料性能试验方法的要求,在满足试验和养护条件的实验室内进行相关试验,在相同配合比的套筒灌浆料中加入不同掺量的减水剂、早强剂和缓凝剂,研究其对灌浆料流动度、1 d早期抗压强度及竖向膨胀率的影响。

2 试验结果及分析

2.1 减水剂掺量对套筒灌浆料性能的影响

减水剂是影响灌浆料性能的重要因素,通过设定灌浆料胶凝材料配合比、砂浆比和水胶比等参数不变,研究减水剂对灌浆料性能的影响。JG/T 408—2019中常温型套筒灌浆料初始流动度要求>300 mm,经试验,当外加剂掺量为0.5%时,灌浆料流动度为304 mm,通过设定减水剂掺量为0.5%、0.6%、0.7%、0.8%、0.9%和1.0%,研究其对灌浆料流动度、1 d抗压强度和竖向膨胀率的影响。

2.1.1减水剂掺量对套筒灌浆料流动度的影响

减水剂掺量对灌浆料流动性的影响如图1所示。由图1可知,随着减水剂掺量的提高,灌浆料的初始流动度逐渐增大,掺量为0.8%时达到最大值,掺量>0.8%时,初始流动度不再增加;掺量达到1.0%时,灌浆料出现泌水,影响灌浆料的和易性,此时灌浆料无法满足JG/T 408—2019中泌水率为0的要求。由于聚羧酸减水剂中极性基团数目较多,对水泥颗粒的吸附能力极强,具有减缓水泥水化速度的作用,在经过一段时间的水化后,仍可以较稳定的吸附于水泥颗粒表面、稳定分散,促使水泥水化体系流动性能经时损失小。灌浆料30 min流动度随着减水剂掺量提高逐渐增大,与初始流动度的差值逐渐减小。综合考虑灌浆料和易性及成本,减水剂掺量不宜>0.8%。

2.1.2减水剂掺量对套筒灌浆料1 d强度的影响

减水剂掺量对灌浆料早期强度的影响如图2所示。由图2可知,随着减水剂掺量的提高,灌浆料1 d强度先小幅度增大后减小,在掺量为0.7%时强度最大。由于加入减水剂后,水泥颗粒表面形成了吸附膜,减少了浆体的毛细孔隙,能有效减少灌浆料水分蒸发以形成致密的结构,提高灌浆料的强度。灌浆料内水泥水化速度随外加剂掺量提高而减缓,但当减水剂掺量过高时,灌浆料和易性较差,出现泌水,导致强度降低。

图2 外加剂掺量对灌浆料强度的影响

2.1.3减水剂掺量对套筒灌浆料竖向膨胀率的影响

减水剂掺量对灌浆料竖向膨胀率的影响如图3和图4所示。由图3和图4可知,随着减水剂掺量的提高,灌浆料3 h竖向膨胀率逐渐降低,24 h略有波动,但变化范围不大,24 h与3 h差值逐渐增大。减水剂加入后,与水泥颗粒发生吸附作用,减水剂吸附到C3A表面,C3A是形成钙矾石的重要水化产物之一,减水剂的加入抑制了钙矾石的生长速度,进而影响灌浆料的膨胀速率。而减水剂对24 h竖向膨胀率影响不大,因而导致24 h与3 h差值逐渐增大。

图4 外加剂掺量对膨胀率差值的影响

2.2 早强剂掺量对套筒灌浆料性能的影响

早强剂掺量能加速水泥水化速度,促进灌浆料早期强度的发展,将多种类型的早强剂复合使用可以提高灌浆料的综合性能。通过设定灌浆料胶材体系配合比、胶砂比、水胶比和减水剂掺量,设定早强剂掺量为胶凝材料的0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%,研究其对灌浆料流动度、强度和竖向膨胀率的影响。

2.2.1早强剂掺量对套筒灌浆料流动度的影响

早强剂掺量对灌浆料流动性的影响如图5所示。由图5可知,随着早强剂掺量的提高,初始流动度及30 min流动度均减小,早强剂掺量提高对灌浆料流动性及流动度保持性能均有不利影响;早强剂掺量为0.3%时,灌浆料30 min流动度不能满足JG/T 408—2019的要求;早强剂掺量为0.4%,灌浆料初始流动度与30 min流动度均不能满足JG/T 408—2019的要求。

图5 早强剂掺量对灌浆料流动度的影响

2.2.2早强剂掺量对套筒灌浆料1 d及28 d强度的影响

早强剂掺量对灌浆料强度的影响如图6所示。由图6可知,随着早强剂掺量提高,1 d强度逐渐提高;掺量>0.2%时,强度增长趋于平缓;掺量>0.4%时,1 d强度开始出现下滑,则较优的掺量应为0.2%～0.3%。

图6 早强剂掺量对灌浆料强度的影响

2.2.3早强剂掺量对套筒灌浆料竖向膨胀率的影响

早强剂掺量对灌浆料竖向膨胀率的影响如图7和图8所示,由图7和图8可知,随着早强剂掺量的提高,3 h与24 h竖向膨胀率均先增大后减小;当掺量为0.3%时达到最大值,早强剂掺量对灌浆料24 h与3 h竖向膨胀率差值影响不大。

图7 早强掺量对竖向膨胀率的影响

图8 早强剂掺量对膨胀率差值的影响

2.3 缓凝剂掺量对套筒灌浆料性能的影响

使用硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥二元胶材体系制备套筒灌浆料时,硫铝酸盐水泥水化速度快,早期强度发展快,可能会造成早期膨胀率发展快,后期膨胀率小等问题,在套筒灌浆料中加入一定掺量的缓凝剂可改善灌浆料的性能。采用葡萄糖酸钠与酒石酸按7∶3比例复配缓凝剂,在其他试验条件不变的情况下,设定缓凝剂的掺量为0.05%、0.10%、0.15%、0.20%和0.25%,研究其对套筒灌浆料性能的影响。

2.3.1缓凝剂掺量对灌浆料流动性的影响

缓凝剂掺量对灌浆料流动性的影响如图9所示。由图9可知,随着缓凝剂掺量的提高,灌浆料初始流动度与30 min流动度均逐渐增大;初始流动度增大速度<30 min流动度,说明缓凝剂对30 min流动度影响更大;缓凝剂可以延长水泥水化诱导期,从而延长灌浆料的凝结时间,提高灌浆料流动度的保持性能。

图9 缓凝剂掺量对灌浆料流动度的影响

2.3.2缓凝剂掺量对灌浆料强度的影响

缓凝剂掺量对灌浆料1 d强度的影响如图10所示。由图10可知,随着缓凝剂掺量的提高,1 d强度先小幅度增大后减小,同时灌浆料凝结时间延长,导致灌浆料早期强度降低。

图10 缓凝剂掺量对灌浆料强度的影响

2.3.3缓凝剂掺量对灌浆料竖向膨胀率的影响

缓凝剂掺量对灌浆料竖向膨胀率的影响如图11和12所示。随着缓凝剂掺量的提高,3 h与24 h竖向膨胀率均逐渐减小,3 h竖向膨胀率减小速度快于24 h,3 h与24 h竖向膨胀率差值先增大后减小;缓凝剂使得硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥的水化诱导期延长,C3S的水解速度减缓,进而影响钙矾石的生长速度,降低灌浆料的竖向膨胀率;缓凝剂掺量>0.2%时,灌浆料凝结时间过长,24 h竖向膨胀率降低速度加快,导致灌浆料3 h与24 h竖向膨胀率之差减小。

图11 缓凝剂掺量对竖向膨胀率的影响

图12 缓凝剂掺量对膨胀率差值的影响

3 结论

3.1 减水剂掺量对套筒灌浆料性能的影响较大。其掺量的提高能够增大灌浆料流动度,增大灌浆料3 h与24 h竖向膨胀率之差,减小灌浆料的3 h竖向膨胀率,对灌浆料的强度影响不大,最佳掺量为0.7%～0.8%。

3.2 早强剂掺量的提高可增大灌浆料3 h及24 h的竖向膨胀率,提高灌浆料的早期强度,对灌浆料3 h与24 h的竖向膨胀率之差影响较小,最佳掺量为0.3%。

3.3 缓凝剂掺量的提高可增大灌浆料30 min流动度。当掺量≯0.2%时,可提高灌浆料3 h与24 h的竖向膨胀率之差;缓凝剂会影响灌浆料3 h与24 h的竖向膨胀率的增长,掺量过高时影响灌浆料的早期强度,对灌浆料初始流动度影响较小,缓凝剂最佳掺量为0.2%。