高强微膨胀钢筋套筒灌浆料性能研究

许彦明，蒙海宁，左李萍，朱祥，陆小军

（江苏镇江建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 镇江 212000）

高强微膨胀钢筋套筒灌浆料性能研究

许彦明，蒙海宁，左李萍，朱祥，陆小军

（江苏镇江建筑科学研究院集团股份有限公司，江苏 镇江 212000）

利用普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、复合外加剂、二水石膏、中砂等配制大流动度、高强、微膨胀钢筋套筒灌浆料。分析讨论了胶砂比、掺水量、硫铝酸盐水泥掺量、聚羧酸减水剂掺量对钢筋套筒灌浆料流动度、强度及膨胀率的影响。试验表明：高强微膨胀钢筋套筒灌浆料最佳掺水量、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、聚羧酸减水剂分别为 14%、41.5%、3.5%、0.18% 时，具有良好的物理力学性能、微膨胀及工作性能；其各项指标均满足 JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》技术指标要求。

钢筋套筒灌浆料；硫铝酸盐水泥；膨胀率；聚羧酸减水剂

0 前言

近年来，随着国务院办公厅《关于大力发展装配式建筑的指导意见》（国办发 [2016]71 号）文件的出台，我国装配式建筑开始进一步发展。所谓装配式建筑，是用预制构件、部品部件在工地装配而成的建筑。发展装配式建筑是传统现浇方式的重大变革，有利于节约能源、减少施工污染、提升劳动生产率和质量安全水平。装配式混凝土结构要达到现浇结构抗震及其他性能要求，必须保证预制构件与预制构件之间或者现浇部分与预制构件之间的节点或接缝的承载力、刚度、防水等性能不低于现浇结构，可见节点或节缝的连接十分关键[1]。预制构件之间连接方式有钢筋套筒灌浆连接、焊接连接、浆锚搭接、机械连接、螺栓连接和栓焊混合连接、绑扎连接等，而现阶段应用最广的为钢筋套筒灌浆连接，钢筋套筒灌浆料应满足可操作时间长、早强、高强、大流动度、微膨胀等性能，现阶段市场上出现的套筒灌浆料基本靠特种水泥来提高前期强度，后期工程应用稳定性令人堪忧[2-3]。本文通过钢筋套筒灌浆料配合比设计、物理力学性能和膨胀性能研究分析与讨论配制新型高强微膨胀钢筋套筒灌浆料。

1 试验

1.1 原材料

普通硅酸盐水泥采用台泥 52.5 普通硅酸盐水泥，初凝和终凝时间分别为 130min 与 280min，3d、28d 胶砂强度为 25.1MPa 与 52.5MPa，比表面积 350m2/kg，其主要矿物成分如表 1；硫铝酸盐水泥采用唐山 42.5R快硬性硫铝酸盐水泥，初凝/终凝时间分别为 24min 与205min，3d、28d 胶砂强度为 45.5MPa 与 52.3MPa，比表面积为 390m2/kg，其主要矿物成分如表 2。

二水石膏：南京汤山新型建材厂。集料：石英砂，细度模数 2.6。外加剂：PC 聚羧酸减水剂，X 型消泡剂，H 型缓凝剂，B 型保水剂。水：实验室自来水。

表 1 台泥 52.5 普通硅酸盐水泥主要矿物组成

表 2 唐山硫铝酸盐水泥主要矿物组成

1.2 技术路线

（1）硫铝酸盐水泥与普通硅酸水泥复配使用时，常出现闪凝现象，钢筋套筒灌浆料在具有早期大流动度的同时，更要保证 0.5h 后流动度，掺入适量缓凝剂，可推迟复合后水泥凝结时间，从而保证钢筋套筒灌浆料加水搅拌后工作性能。

（2）保证钢筋套筒灌浆料工作性能的同时，降低水料比可提高钢筋套筒灌浆料强度，向钢筋套筒灌浆料中掺入一定量高性能聚羧酸减水剂，即可提高套筒灌浆料的流动度，也可提高其早期强度。

（3）加水后高速搅拌钢筋套筒灌浆料会引入一定量的气体，导致硬化后不够密实而降低钢筋套筒灌浆料强度，掺入适量消泡剂可消除机械搅拌而引入的气泡，从而提高硬化强度。

（4）钢筋套筒灌浆料比普通灌浆料要求更大流动度，单纯靠提高水料及减水剂将会造成浆料浮浆、泌水现象，影响浆料性能。所以在考虑水料比、减水剂的同时，掺入少量保水剂增加浆料稠度，保证集料均匀分布于浆料中，提高钢筋套筒灌浆料工作性能。

（5）水泥石在硬化后会出现收缩现象，掺入硫铝酸盐水泥和二水石膏，水化后生成针状钙矾石可有效补偿收缩。

1.3 试验方法

钢筋套筒灌浆料流动度试验：按 JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》中附录 A 进行流动度试验，其截锥圆模尺寸为下口径 (100±0.5)mm，上口内径(70±0.5)mm，高 (60±0.5)mm。抗压强度试验：按附录 B 中进行试验，其抗压强度试件采用尺寸为 40mm×40mm×160mm 的棱柱体，按 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验》测定规定龄期钢筋套筒灌浆料水泥石强度。竖向膨胀率试验：按附录表 C 中要求进行试验，其竖向膨胀率计算按公式 (1) 进行计算：

其中：

εt——竖向膨胀率；

ht——试件龄期为 t 时的高度读数，mm；

h0——试件高度的初始读数，mm；

h——试件基准高度100，mm。

2 试验结果与讨论

2.1 胶砂比对钢筋套筒灌浆料流动度的影响

在相同掺水量的前提下，制备胶砂比为 1:1、1:1.25、1:1.5、1:1.75 的钢筋套筒灌浆料进行流动度试验，其试验结果如表 3 所示。

表 3 胶砂比对钢筋套筒灌浆料流动度的影响

随着胶砂比的增大，钢筋套筒灌浆料初始流动度及0.5h 后流动度开始减少，当胶砂比在 1:1.5 时，钢筋套筒灌浆料 0.5h 经时流动度已不满足 JG/T 408—2013 流动度要求，原因是骨料中砂的掺入量增加，胶浆料相对减少，包裹于骨料颗粒的浆料变得稀薄，骨料滚动阻力变大，从而浆料粘度变大，流动性能减少，经确定钢筋套筒灌浆料宜采用最佳胶砂比为 1:1。

2.2 掺水量对钢筋套筒灌浆料流动度及强度的影响

掺水量是影响钢筋套筒灌浆料流动度及水泥石强度的重要因素。为更好研究掺水量对钢筋套筒灌浆料性能的影响，采用 42.5R 硫铝酸盐水泥 3.5%、52.5 普通硅酸盐水泥为 41.5%，另外砂集料、复合外加剂（PC 减水剂、B 型保水剂、X 型消泡剂、P 型缓凝剂）、二水石膏含量分别为 49.89%、（0.18%、0.05%、0.08%、0.3%）、4.5%，以相同配合比不同掺水量进行试验，其试验结果如表 4、图 1 所示。

表 4 掺水量对钢筋套筒灌浆料流动度影响

图 1 掺水量对钢筋套筒灌浆料流动度的影响

影响钢筋筒灌浆料流动性主要影响因素有掺水量、水泥、各矿物掺合料细度等。由表 4 所示可知，对于钢筋套筒灌浆料，在保证初始流动度在 300mm 以上的情况下，掺水量可降至 13.5%，随着掺水量的增加，钢筋套筒灌浆料初始流动度及 0.5h 后流动度均有不同程度增加，但当掺水量在 14% 时，钢筋套筒灌浆料初始流动度 330mm，0.5h 后流动度达到 310mm。当掺水量达到 15% 以后，钢筋套筒灌浆料出现稍许泌水现象，其原因是减水剂可以较少水泥需水量，当掺水量大于钢筋套筒灌浆料水泥水化需水量时，拌合水将以自由水的形式泌出。

掺水量是影响钢筋套筒灌浆料强度的重要因素。为考察掺水量对其强度的影响，其不同掺水量对灌浆强度的影响如表 5 和图 2 所示，

表 5 掺水量对灌浆料抗压强度的影响 MPa

图 2 掺水量对钢筋套筒灌浆料强度的影响

从图表中可以看出，钢筋套筒灌浆料 1d、3d、28d强度随掺水量的增加呈先增加后降低的趋势，其原因可能是当掺水量在 14% 时，掺水量满足灌浆料中胶凝材料水化需水量。试验表明，当掺水量达 14% 时，钢筋套筒灌浆料 28d 强度达最大值 96.3MPa。

2.3 硫铝酸盐水泥掺量对钢筋套筒灌浆料流动度及强度的影响

硫铝酸盐水泥可以有效提高钢筋套筒灌浆料早期强度，但凝结过快、水化热太高。因此，采用 42.5R硫铝酸盐水泥与 52.5 普通硅酸盐水泥复配作为钢筋套筒灌浆料的胶凝材料。其中胶凝材料为 45%，掺水量为 14%，另外砂集料、复合外加剂（PC 减水剂、B 型保水剂、X 型消泡剂、P 型缓凝剂）、二水石膏含量分别为 49.89%、（0.18%、0.05%、0.08%、0.3%）、4.5%，均匀混合后加水搅拌 3min，测量 0h 和 0.5h 后套筒灌浆料料液流动度，成型后测 1d、3d、28d 水泥石强度，其测试结果表 6 所示。

由表 6 可知，钢筋套筒灌浆料随着硫铝酸盐水泥掺量的增加，初始流动度及 0.5h 后流动度呈先增后减的趋势，0h 增大与减少的程度相差不大。当硫铝酸盐水泥掺量达到钢筋套筒灌浆材料的 3.5% 时，钢筋套筒灌浆料浆料流动度达到 330mm 最大值，其原因是钢筋套筒灌浆料加水搅拌后，水泥颗粒几乎未水化，产生的絮状凝胶较少，其阻碍力随之较小，加之聚羧酸减水剂包裹于水泥颗粒表面起润滑作用，所以初期硫铝酸盐水泥掺量对钢筋套筒灌浆料料浆不会产生较大影响，硫铝酸盐水泥掺量在 3%～5% 之间均满足 JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》初始流动度要求。0.5h 后流动度只有掺量在 3%、3.5%、4% 时满足标准要求。

表 6 硫铝水泥掺量对灌浆料流动性能的影响

硫铝酸盐水泥主要由无水硫酸钙和硅酸二钙矿物组成，普通硅酸盐水泥由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙和铁铝酸四钙矿物组成。一般情况下不混合使用，由此试验表明，硫铝酸盐复配普通硅酸盐水泥最佳掺量为 8% 左右。由表 7 和图 3 可以看出，随着硫铝酸盐水泥掺量的增加及养护时间的不同，钢筋套筒灌浆料的强度表现出不同的变化趋势，基本趋势随着硫铝酸盐掺量的增加呈先增大后减小，说明硫铝酸盐水泥可以提高钢筋套筒灌浆料早期强度，当硫铝酸盐水泥掺量在 3.5%时，钢筋套筒灌浆料 1d 强度达 39.5MPa，28d 强度可达到 99.4MPa。这说明当硫铝酸盐水泥掺量在 3.5%时，两种水泥复配相互作用较为剧烈，硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥水化程度较高。当硫铝酸盐水泥掺量大于 3.5% 以后，钢筋套筒灌浆料强度有所下降，由于硫铝酸盐水泥颗粒 3d 水化基本结束，强度往往在早期提供，后期主要依靠普通硅酸盐水泥提供强度，硫铝酸盐水泥含量的增加从一方面减少普通硅酸盐的含量，加之硫铝酸盐的水化争夺钢筋套筒灌浆料中拌合水，产生凝胶包裹于普通硅酸盐水泥颗粒，阻止水化继续进行，致使强度有所降低[4]。

表 7 硫酸盐水泥掺量对灌浆料强度的影响

图 3 硫铝酸盐水泥掺量对灌浆料强度的影响

2.4 聚羧酸减水剂掺量对钢筋套筒灌浆料流动度及强度的影响

减水剂为一种表面活性剂，其主要减水机理是减水剂分子的表面所带基团可有效减弱或消除水泥颗粒早期凝聚现象。聚羧酸减水剂分子链含有 -OH、-COOH、-SO3H 官能团在水泥浆体中起缓凝作用，这些官能团与水泥矿物质中 Ca2+离子反应生成络合物包裹于水泥表面，抑制水泥水化，减少灌浆阻力，从而水泥颗粒可以自由滚动[5-7]。并充分排除凝胶物质中含有的自由水，较少水化所需水量提高钢筋套筒灌浆料强度。

选取用 42.5R 硫铝酸盐水泥与 52.5 普通硅酸盐水泥含量分别为 3.5% 与 41.5%，掺水量为 13.5%，另外砂集料、复合外加剂（B 型保水剂、X 型消泡剂、P 型缓凝剂）、二水石膏含量分别为 49.89%、（0.05%、0.08%、0.3%）、4.5%，改变聚羧酸减水剂掺量，加水拌和 0h 与 0.5h 流动度及其强度，其结果如表 8、表 9和图 7 所示。

表 8 聚羧酸减水剂掺量对灌浆料流动度的影响

由表 9 可知，钢筋套筒灌浆料的流动度随着聚羧酸减水剂掺量增加而增加，当掺量大于 0.15% 时，初始流动度并未满足钢筋套筒灌浆料相关国家行业标准要求，当聚羧酸掺量达到 0.18% 时，钢筋套筒灌浆料初始流动度及 0.5h 流动度为 330mm、310mm，均满足国家行业标准要求，当掺量达到 0.20% 时，料浆初始流动度达350mm，并出现轻微泌水现象。

钢筋套筒灌浆料在加入功能型外加剂聚羧酸以后，聚羧酸减水剂自身亲水基团指向水溶液，憎水基团定向吸附于水泥颗粒表面，使水泥颗粒带上同种电荷，同种电荷相互排斥，加之聚羧酸减水剂大分子梳妆结构产生的空间位阻，致使水泥——水体系处于悬浮稳定状态，达到减水、增大流动度作用。普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中含有的主要矿物水化产生交错絮状结构包裹大量自由水，加入聚羧酸减水剂可释放浆料中部分自由水，从而增大浆料强度[8]。如表 10 和图 5 所示，钢筋套筒灌浆料 1d、3d、28d 强度随聚羧酸减水剂的增大呈先增大后减少趋势。当聚羧酸减水剂掺量达 0.18% 时，钢筋套筒灌浆料 28d 强度可达 99.7MPa。当聚羧酸减水剂掺量大于 0.18% 时，强度有所降低，其可能原因是当灌浆料中加入相同当量的水，聚羧酸释放大量自由水，从而不同程度减少水泥水化用水量，致使钢筋套筒灌浆料强度偏低[9-10]。

表 9 聚羧酸掺量对灌浆料强度的影响

图 4 聚羧酸掺量对钢筋套筒灌浆料强度的影响

2.5 硫铝酸盐水泥掺量对钢筋套筒灌浆料膨胀性能及握裹效果的影响

水泥加水拌合以后在水化硬化过程中会产生一定量的体积收缩，钢筋套筒灌浆料由于主要胶凝材料为普通硅酸盐水泥，因此在加水搅拌后发生物理、化学变化而产生收缩现象。主要来自于几个原因：（1）失水干缩；（2）温度梯度冷缩；（3）自身减缩。当钢筋套筒灌浆料硬化后抗拉强度小于收缩而产生的拉应力时，钢筋套筒灌浆料浆体将出现裂纹，严重影响钢筋套筒灌浆料水泥石强度，对装配式建筑工程质量造成严重危害[10-11]。

行业标准 JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》中要求：套筒灌浆料3h竖向膨胀率大于等于0.02%，24h 与 3h 竖向膨胀率差值控制在 0.02%～0.5%之间。在普通灌浆料中掺入硫铝酸盐水泥、石膏水化硬化后产生具有微膨胀的针状水化硫铝酸钙（钙矾石），其配合比按 2.3 进行，SEM 照片如图 5 所示，针状钙矾石可有效补偿钢筋套筒灌浆料收缩而产生的微裂纹现象，并可以有效提高钢筋套筒灌浆料水化硬化后的早期强度。其硫铝酸盐水泥掺量对钢筋套筒灌浆料水泥试件 3h、24h 膨胀率及 3h 与 24h 膨胀率差值见表 10 和图 6。从图 6 可以看出，钢筋套筒灌浆料随着硫铝酸盐水泥掺量的增加膨胀率随之增大，当硫铝酸盐掺量达3.5% 时，其 3h 膨胀率和 3h 与 24h 膨胀率差值分别为0.030%、0.038%，满足国家行业标准要求，当硫铝酸盐掺量达 5.0% 时，其 3h 膨胀率和 3h 与 24h 膨胀率差值分别为 0.150%、0.3%，但硫铝酸盐水泥掺量不宜过高，否则钢筋套筒灌浆料中胶凝材料水化过快造成早期水化热过高，而导致温度梯度收缩过大难以补偿灌浆水泥石开裂。

表 10 不同硫铝酸盐水泥掺量下钢筋套筒灌浆料的膨胀率

图 5 钢筋套筒灌浆料水化后 SEM 图

图 6 硫铝酸盐水泥掺量对灌浆料膨胀率的影响

钢筋套筒灌浆料在装配式建筑中通常与钢筋套筒配合使用，对于套筒、钢筋、灌浆料之间节点连接力，灌浆料握裹及充盈度起着重要作用，硫铝酸盐水泥膨胀剂的掺入有助于灌浆料在钢筋套筒内的充盈及压应力钢筋握裹效果。当硫铝酸盐水泥掺入 3.5% 时，效果达到最佳，钢筋套筒中灌浆硬化后剖面如图 7 所示。

3 结论

（1）钢筋套筒灌浆料中胶砂比影响其流动度，试验确定胶砂比为 1:1 时流动度最佳。硫铝酸盐水泥与二水石膏混合水化生成针状钙矾石产生体积膨胀可有效补偿普通钢筋套筒灌浆料的收缩，并可以有效增加钢筋套筒灌浆料早期强度，且该配合比中钢筋套筒灌浆料硫铝酸盐水泥最佳掺量为 3.5%。聚羧酸减水剂有效增加钢筋套筒灌浆料流动度、减少需水量、增加灌浆硬化强度，保证施工性能，且最佳掺量为 0.18%。

图 7 钢筋套筒中灌浆硬化后剖面图

（2）本试验配制钢筋套筒灌浆料最佳掺水量、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、聚羧酸减水剂、复合外加剂（B 型保水剂、X 型消泡剂、P 型缓凝剂）、二水石膏、中砂分别为 14%、41.5%、3.5%、0.18%、（0.05%、0.08%、0.3%）、4.5%、49.89% 时，1d、3d、28d 抗压强度分别为 39.5MPa、70.5MPa、99.7MPa，0h 和 0.5h 流动度分别为 330mm 和 310mm，具有良好的物理力学性能及工作性能；3h 膨胀率、3h与 24h 竖向膨胀率差值为 0.035%、0.038%，具有良好的微膨胀效果，其各项指标均满足 JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》技术指标要求，适用于装配式建筑钢筋套筒连接灌浆材料。

[1]张璐．高性能水泥基结构灌浆料试验研究[D]．济南：山东建筑大学，2009．

[2]桑国臣，刘加平．水泥基无收缩复合灌浆料的实验研究[J]．新型建筑材料，2007,12: 4-7．

[3]许彦明，蒙海宁，左李萍，等．水泥基微膨胀灌浆材料性能研究[J]．粉煤灰，2016(04): 43-46．

[4]韩 超，郑毅敏，赵勇．钢筋套筒灌浆连接技术研究与应用[J]．施工技术，2013,(21): 113-116．

[5]王军强，李清．装配式混凝土结构灌浆材料的性能试验与施工技术[J]．混凝土，2013,(10): 142-144．[6]高安庆，朱清华，化子龙．超高强钢筋接头灌浆料的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2013,(1): 16-19．

[7]汪刘顺，汪秀石．高性能水泥基灌浆料性能试验研究[J].低温技术，2012, (8): 9-10．

[8]Ding Qingjun, Zhu Yuxue. Effects of Molecular Structure of Polycarboxylate-type Superplasticizer on the Hydration Properties of C3S[J]. Technology-Materials Science of Wuhan University,2012,27(4): 768-772.

[9]马福栋．浅谈建筑产业化形势下新型墙体材料的发展趋势[J]． 砖瓦．2016,(01): 51-53．

[10]代柱端．引气型聚羧酸减水剂在硅粉混凝土中的应用研究[J]．砖瓦．2015(11): 26-30．

[11]徐向前．孔道压浆性能试验及施工质量的研究[D]．南京：东南大学，2005．

[12]吴小宝，林峰，王涛．龄期和钢筋种类对钢筋套筒灌浆连接受力性能影响的试验研究[J]．建筑结构，2013,43(14): 76-82．

Study on the properties of high strength micro expansion reinforcement sleeve grouting material

Xu Yanming, Meng Haining, Zuo Liping, Zhu Xiang, Lu Xiaojun
(Jiangsu Zhengjiang Research Institute Of Building Science Group Co., Ltd., Jiangsu 21200)

The high fluidity of high strength micro expansive grouting material is compounded with Sulphoaluminate cement, Portland cement, PC, compound admixture and so on. The effects of cement-sand ratio, content of water, content of sulphoaluminate cement and PC in cementitious grout were analyzed by the test of workability, strength and expansion. The result of experiment indicates that 14% the amount of water is the best and Portland cement is 41.5% and sulphoaluminate cement is 3.5% and PC is 0.18% in cementitious grout, it has good mechanics and flow properties. It meets the technical requirement of JG/T408-2013.

reinforcing sleeve grouting material; sulphoaluminate cement; expansion rate; PC

许彦明（1986—），男，硕士，主要从事建筑材料开发与研究。

［通讯地址］江苏省镇江市丹徒区高资镇香山大道 1 号建科科技园（212000）