套筒灌浆料在装配式建筑中的应用及研究进展

刘庚乐 赵 鹏 秦 磊

（济南大学，山东 济南 250022）

随着当今社会生产力的提高，经济实力的不断发展，很多国家的经济支柱改变为建筑业。对环境污染大，生产周期长的传统现浇模式，不能满足国家对未来建筑业提出的要求，而建筑产业化是未来发展的趋势，装配式建筑使建筑业更加环保节能，建筑周期缩短，并且有着抗震防火、隔音防潮等优点，所以成为我国结构发展的重要方向。

1 背景

党的十九大提出，要大力发展绿色生产，推进资源的节约和循环利用。2016 年，国务院在《国务院办公厅关于大力发展装配式建筑的指导意见》指出，要积极推进装配式建筑的发展，明确了要规范体系、创新设计、优化生产等八项任务。根据住建部的规划，装配式建筑要在2025 年占新建筑比例的一半。装配式建筑在施工过程中可以减少施工人员、降低材料消耗、减少环境污染，符合国家发展的要求。传统的焊接和螺栓连接方式有着维修、安装和安全等各种问题，所以逐渐被套筒灌浆连接替代[1]。 套筒、套筒灌浆料决定套筒灌浆连接的性能[2]。套筒灌浆料有着早期强度高、细骨料掺量高、流动性高等优点，性能影响着套筒灌浆连接的安全，也间接影响着结构的耐久性和安全性[3-5]。所以，研究套筒灌浆料的研究是十分必要的。

2 发展现状

目前，装配式建筑在大规模推广，大部分装配式建筑结构竖向预制构件绝大数都采用钢筋套筒连接，并且关键受力部位全部采用钢筋套筒连接，因此套筒灌浆料的质量至关重要。灌浆料技术的发展，各国科研单位都在研究上付出了很多努力，大致分为了一下几个阶段：粘土加石灰——水泥——化学类灌浆料——水泥基灌浆料[6]。化学类灌浆料存在环保问题、防火问题等，因此使用量在逐步减少。在二十世纪八十年代开始，国内外开始使用性能较好的水泥基灌浆料，基于其良好的耐久，超高的强度，极佳的流动性，价格便宜、对人没有危害、对环境没有污染等优点。套筒灌浆料的工作性能受很多因素的影响，近几年，通过改变其内部因素，包括参合料、细骨料、外加剂、胶凝材料等，得到了许多符合各种特殊要求的套筒灌浆料[7]。

2.1 国外发展现状

国外灌浆材料最早由1802 年由法国工程师charles.Berlghy 发明，主要由粘土和石灰浆液组成。主要用于注入墙体加固砌筑墙。直到1826 年，波特兰水泥的出现为提高灌浆材料强度提供了基础。1858 年前后，英国W.R.Kinippe 成功的制作出灌浆材料，使用的就是波特兰水泥。随着建筑行业的发展，许多灌浆材料不符合特定的要求，人们需要发明新的灌浆材料满足工程的需要。1920 年，荷兰工程师Joosten发明了化学灌浆法，后来，国际上研制出各种不同的化学类灌浆材料。

化学灌浆法在发展过程中出现了不少问题，不少人因为工程中使用化学灌浆材料导致中毒，在1974 年，日本使用丙烯酞胺灌浆液发生了大规模中毒事件，因此，丙烯酞胺在日本等国家使用受到了限制，所以人们把目光从化学灌浆材料到水泥基灌浆材料。1982 年，超细水泥基灌浆料发明，之后，德国P.Noske 发现通过一定量的超细水泥基灌浆料与水结合，得到具有良好的流动性、耐久性好、无毒无污染的超细水泥悬浮液[8]。

M.sahmaran 和N.Ozkan 等[9]人发现，灌浆料的流变性能能通过加入一定量的浮石粉来改变，浮石是一种海绵状岩石，质量轻强度高，空隙率高，但是含有一定质量的氯离子，需要处理之后再使用。

B.Flekoglu 和B.Baradam 等[10]人发现，石灰粉的添加可以明显的提高灌浆料的强度，填充效应使节构更加密实，通过反应生成氢氧化钙和水化硅酸钙凝胶，进一步优化了强度的发展。

Siong Kang Lim 等[11]研究了不同粒径的沙子对灌浆料性能有着不同的影响，细沙可以增强灌浆料的长期强度，而粗砂可以提高早期强度。

W.G.Piasta 等[12]研究了硫酸盐与压应力的耦合作用下，压应力会影响混凝土的抗硫酸盐腐蚀，对混凝土的膨胀有一定的限制。

S.Laxmi[13]用硅酸盐水泥与铝酸盐水泥复配出超早强灌浆料，这种灌浆料终凝时间15min，一小时抗压强度10Mpa，两小时20Mpa。

M.Saric-Coric 等[14]在灌浆料中掺入增稠剂和减水剂，发现加入增稠剂后会增加减水剂的用量，使灌浆材料有更低的泌水率，降低其抗压强度。增稠剂和减水剂共同使用会使凝结时间增长。

2.2 国内发展现状

20 世纪70 年代，我国引进大量国外大型设备，但是安装时候遇到了问题，安装设备需要大量灌浆材料，我国开始了灌浆料的研发工作，早期灌浆料为化学类灌浆料，有着毒性大、价格贵等问题。随着工业发展，设备安装需要更高的精度，在原有的工艺下，我国在20 世纪80 年代研制微膨胀的无机灌浆料并取得成功[15]。经过多年的研究，我国的灌浆料从单纯的机械安装到混凝土结构的修补。传统灌浆料应用在灌浆套筒中会暴露出很多问题，因此要研制出特殊的灌浆料，在性质上要有微膨胀，凝结时间长特点，方便与套筒连接和工人施工[16]。通过试验发现水泥种类、矿物掺合料、减水剂及膨胀剂都会对灌浆料性能产生影响。

李峤玲[17]通过研究发现，石灰可以缓解泌水、增加膨胀率和早期强度，最佳掺量为百分之二，最佳硫铝酸盐水泥与普通硅酸盐水泥比例为8∶2，胶砂比为1∶1.2。普通硅酸盐水泥掺量的增大，会导致干缩率变大、灌浆料的早期和后期强度降低、后期流动性的下降。

林荣峰[18]通过实验发现，聚羧酸相比萘系和氨系具有良好保坍能力，可以增强灌浆料的强度，设计合适的配合比会有良好的性能在灌浆料性能试验中得到，要得到流动性能更好的灌浆料可以加入一定量的矿粉或粉煤灰，或者加入一定量的消泡剂，消泡剂也可以增加灌浆料的强度，并且使强度提高29%以上。

董军军[19]研究表明，增强套筒灌浆料的早期强度可以添加硅灰，增加后期强度可以添加矿粉，粉煤灰是影响后期膨胀率的一个因素，硅灰和矿粉复掺显著影响3h 竖向膨胀率，而对24h 竖向膨胀率影响较小，石膏掺入可以发生反应生成钙矾石。

李天水[20]通过研究发现，塑性膨胀剂可以有效缓解收缩，可以与消泡剂协同工作，产生必要的膨胀，利用高性能混凝土制备理论制备高性能水泥基，对紧密堆积模型进行计算，初步算出质量比，在Alfred 致密堆积模型时，调整模型系数q，取为0.19。

灌浆料性能会受到胶凝剂、骨料、外加剂、矿物掺合料等内部因素的影响，当在灌浆料使用的过程中会随着外界因素的变化，受到不同作用的影响，比如高低温、冻融循环、外界溶液侵蚀等。现在，许多研发人员对外界因素对灌浆料影响做出了相当多的探索，得出了结论。

张琪[21]通过研究发现普通硅酸盐水泥和铝酸盐水泥共同作用，在600℃时，抗压强度上升，在600℃到800℃区间，强度下降。高温处理对超早强灌浆料的弹性模量影响很小，加固梁的极限荷载有所降低，抗弯性能影响较小。

冯世贤[22]通过实验发现灌浆料的弹性模量随着温度升高而降低，随着渗水率的增加而降低，粘结性能在单调荷载作用下，钢筋与灌浆料的极限粘结应力，加卸载刚度，随温度升高而下降，经过高温后，无箍筋试件的极限粘结应力、极限粘结位移小于有箍筋试件，温度小于350℃时，有无箍筋粘结试件刚度变化不大，温度等于550℃，有箍筋试件大于无箍筋试件。

任慧超[23]通过正交试验配制出一种耐腐蚀灌浆料，且该灌浆料能经受住125 次冻融循环，并且在5%硫酸盐及海水侵蚀30 次以上后，耐腐蚀系数仍大于0.75，具有良好的耐久性。

杭鑫坤[6]掺加一定量的硝酸钠为防冻剂，研制出两种低温套筒灌浆料，对其竖向膨胀率，温度影响、长期强度、氯离子含量进行试验，满足各方面标准要求。

于丹红[24]进行了灌浆料在不同浓度盐溶液进行冻融循环试验，得到灌浆料强度和质量随着冻融次数的增加现增加后降低，20%盐溶液有利于试件抗冻。研究了灌浆料在不同浓度的盐溶液浸泡会使试件耐腐蚀系数随时间先增加后降低。

随着现代工程的发展，传统套筒灌浆料已经不能满足要求，使得人们不得不进一步研究新型，符合现代工艺要求的套筒灌浆料。

3 结语

学术界进行了灌浆料各个方面的研究，对以后开发新型套筒灌浆料有着一定的借鉴意义，但还出现了一系列未能解决的问题。

第一，灌浆料仍需要解决膨胀和早强问题，需要在组分、性能关系和外加剂方面寻求突破。

第二，现阶段灌浆料受环境因素影响较大，局限在一定温度下才可以施工，否则影响水化，因此需要进一步研究。

第三，套筒灌浆料价格比较昂贵，在以后研究中，寻找新型外加剂和骨料有着重要意义。