环保型套筒灌浆料的配合比设计及性能研究

胡 星，陈东平，余林文，汪文文，吴文杰

(1.四川省建筑科学研究院有限公司，成都 610081；2.重庆大学材料科学与工程学院，重庆 400045；3.重庆市渝北区建设工程质量检测所，重庆 401120)

0 引 言

发展装配式建筑是推进供给侧结构性改革和新型城镇化发展的重要举措，是建筑行业贯彻绿色、创新发展理念的具体体现，是推进建筑业转型升级、实现建筑产业现代化的重要抓手。在装配式建筑中，钢筋连接技术是影响装配式混凝土结构的关键因素。它关系到整个装配式建筑的安全和使用寿命。目前，国内外大多使用的是套筒灌浆连接技术。为了保证结构整体的安全，需要对套筒灌浆料的性能提出以下要求：力学性能优异、流动性高，具有早期微膨胀性。

近几年来，国内外研究学者主要研究了以硅酸盐水泥[1-3]、硫铝酸盐水泥[4]、硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合[5]为主要胶凝材料来制备套筒灌浆料，但是对碱矿渣水泥为胶凝材料来制备灌浆料的研究较少。与普通硅酸盐水泥相比，碱矿渣水泥的主要原料为工业炼铁副产物矿渣[6-7]，是一种无熟料水泥，成本较低，磨碎后便可直接使用。水玻璃激发碱矿渣水泥的水化产物主要是C-S-H凝胶[8-9]，无Ca(OH)2存在[9]，与普通硅酸盐水泥相比，其早期强度高[10-11]，后期强度持续发展并且耐久性好[12]。现有研究表明[10,13],通过掺入缓凝剂能够调控碱矿渣水泥的凝结时间，使其满足正常施工要求。由于碱矿渣体系是强碱体系，导致一些高性能减水剂在碱矿渣体系中失去作用，相关研究表明，萘系减水剂对碱矿渣水泥的流动性有一定的改善作用[14-15]。

本文基于最紧密堆积理论(Dinger-Funk方程)，碱矿渣水泥作为胶凝材料，粉煤灰漂珠为矿物掺合料并用铜尾矿部分取代天然河砂作细骨料，使其粉体材料达到最紧密堆积，从而降低浆料孔隙率，提高其抗压强度。本试验在颗粒拟合曲线的基础上，通过抗压强度、流动度、竖向膨胀率性能试验来验证套筒灌浆料的最优配比,并利用SEM来观察其表观形貌特征。

1 实 验

1.1 原材料

采用重庆钢铁集团的水淬高炉矿渣(SL)，比表面积为440 m2/kg,密度2 860 kg/m3,其化学成分见表1；采用巩义市元亨净水材料厂生产的粉煤灰漂珠(F)作为矿物掺合料，密度为800 kg/m3，其化学成分见表1；采用重庆井口公司生产的水玻璃(WG)作为激发剂，其物理化学性质见表2；选用新疆天业化工厂生产的NaOH来调节水玻璃的模数，工业纯，纯度≥96%；缓凝剂选用重庆科龙化工集团生产的硝酸钡，纯度≥99%；减水剂采用江苏苏博特新材料股份有限公司生产的萘系减水剂；塑性膨胀剂为上海钦和化工有限公司生产，黄色粉末，化学组成见表3；细骨料采用粒径小于2.36 mm的洞庭湖中砂(S)，表观密度为2 600 kg/m3，细度模数2.7；铜尾矿(CT)产自江西，表观密度为2 720 kg/m3，细度模数2.0。原材料的粒径分布图如图1所示；粉煤灰漂珠的微观形貌如图2所示；铜尾矿的微观形貌如图3所示。

表1 原材料的化学组成

表2 水玻璃的物理化学性质

表3 塑性膨胀剂的主要化学组成

图1 原材料的粒径分布图

图2 不同放大倍数的粉煤灰漂珠SEM照片

图3 不同放大倍数的铜尾矿SEM照片

图4 颗粒堆积曲线与目标曲线

1.2 配合比设计

本次试验基于Dinger-Funk[16]方程的最紧密堆积理论，对套筒灌浆料的配合比进行设计。在粉体中引入最小粒径限制对Andreasen方程进行了修正，得出改进后的方程如下式：

(1)

式中：P(D)为筛下累计百分数;Dmax为堆积体中颗粒的最大粒径;Dmin为堆积中颗粒的最小粒径;q为分布模数;D为颗粒粒径。分布模数q主要影响粗颗粒和细颗粒的比例。有相关学者通过研究指出：在对自密实混凝土进行配合比设计时，分布模数q通常在0.22～0.25之间选择[17]。在本试验中选取分布模数q为0.23。

根据Dinger-Funk方程可以计算出颗粒堆积的目标(Target)曲线，此时就是原材料的粒度分布堆积曲线与目标曲线的拟合问题，可以使用最小二乘法保证RSS最小即可[18-19]。最小二乘法公式如下：

(2)

式中：RSS为残差平方和;n为Dmin到Dmax的步数;Pmix(Di)为混合堆积曲线在Di时的筛下累积百分数;Ptar(Di)为目标堆积曲线在Di时的筛下累积百分数。

根据Dinger-Funk方程可以计算出颗粒堆积的目标(Target)曲线，此时就是原材料的粒度分布堆积曲线(P)与目标曲线的拟合问题，当残差平方和最小时，即为最紧密堆积状态，拟合曲线如图4所示。求解结果如表4所示。

表4 基于Dinger-Funk模型的灌浆料配合比的优化求解结果

在求得其最优解后，对其配合比进行验证，配合比均为质量配合比(下同)，试验中固定水胶比为0.4，碱当量(Na2O)为6%(基于胶凝材料的比例)，缓凝剂(Ba(NO3)2)掺量为0.5%(基于胶凝材料的比例)，萘系减水剂掺量为1%(基于胶凝材料的比例)，以上均为质量分数(下同)。设计配合比如表5所示，其中1号为求解出的最优配比，2～6号研究塑性膨胀剂对套筒灌浆料性能的影响，7～9号研究粉煤灰漂珠对套筒灌浆料性能的影响，10～12号研究铜尾矿对套筒灌浆料性能的影响，13～14号研究砂胶比对套筒灌浆料性能的影响。

表5 试验配合比

1.3 试验方法

(1)流动度试验：根据JG/T 408—2013《钢筋连接套筒灌浆料》附录A进行测试，测其水平方向和垂直方向直径，计算平均值，加水搅拌30 min后，测定30 min流动度。

(2)抗压强度试验：抗压强度按照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验(ISO法)》规定，用40 mm×40 mm×160 mm的钢膜成型后，标准养护1 d、3 d、28 d测定其抗压强度。

(3)竖向膨胀率试验：竖向膨胀率测试按照JG/T 408—2013《钢筋连接套筒灌浆料》附录C进行测试，测定3 h、24 h竖向膨胀率，整个操作控制室温在(20±2) ℃。

(4)电镜(SEM)试验：用无水乙醇终止水化，干燥箱烘干至恒重密封保存，送样测试。测试仪器为捷克TESCAN 公司生产的VEGA 3 LMH 钨灯丝扫描电镜进行测试。

2 结果与讨论

2.1 塑性膨胀剂对套筒灌浆料性能的影响

塑性膨胀剂对套筒灌浆料的性能影响如图5所示。图5(a)表明套筒灌浆料3 h、24 h的竖向膨胀率随着塑性膨胀剂掺量的增加不断增大。这是因为塑性膨胀剂能够在碱性环境中产生气体，在体系中掺入塑性膨胀剂的质量过多时，其就会迅速地和碱发生反应，导致气体生成量变多，使得套筒灌浆料呈现早期微膨胀效果,当塑性膨胀剂掺量为0.20%(质量分数，下同)时，3 h竖向膨胀率为0.20%，24 h竖向膨胀率为0.36%。图5(b)表明塑性膨胀剂掺量超过0.20%时，早期抗压强度降低，当塑性膨胀剂掺入量过多时，气体生成量过多，导致体系中的气孔量过多，早期抗压强度降低。图5(c)表明随着塑性膨胀剂掺量的增大，套筒灌浆料的流动度逐渐增大，但是当掺量超过0.20%后，增加效果并不明显。因为掺入塑性膨胀剂后，由于塑性膨胀剂有一定的塑化作用，会使体系流动度稍微提升。这和贾璐璐[20]研究塑性膨胀剂对套筒灌浆料性能影响所得到的结果相近。通过以上试验数据分析发现，掺量为0.20%可以保证套筒灌浆料的早期微膨胀性能，提升流动性并且对力学性能负面影响较小，因此在本试验后续研究中塑性膨胀剂的掺量设定为0.20%。

图5 塑性膨胀剂对套筒灌浆料性能的影响

2.2 粉煤灰漂珠对套筒灌浆料性能的影响

粉煤灰漂珠对套筒灌浆料性能的影响如图6所示。由图6(a)可知掺入粉煤灰漂珠后，套筒灌浆料抗压强度降低，粉煤灰漂珠掺量为12%(质量分数，下同)时，1 d、3 d和28 d抗压强度分别为37.2 MPa、63.0 MPa、86.4 MPa。虽然矿渣和粉煤灰漂珠都是铝硅酸盐材料，但矿渣的主要成分为CaO和SiO2，而粉煤灰漂珠的主要成分为Al2O3和SiO2,相关学者研究表明[8-9]：在碱激发材料中，Ca含量对其强度发展有着重要影响，Ca能够直接使网络玻璃体解聚，从矿渣和粉煤灰漂珠的主要成分来看，矿渣的Ca含量相对较高。因此在矿渣和粉煤灰漂珠组成的胶凝体系中，随着粉煤灰漂珠掺量的增多，抗压强度会降低，同时粉煤灰漂珠是一种空心玻璃体，在碱的激发作用下，水化速率比矿渣慢，C-S-H凝胶生成量减少，表现为早期抗压强度降低。由图6(b)可以发现，随着粉煤灰漂珠掺量的增大，套筒灌浆料的初始流动度和30 min流动度均不断增大。这是因为粉煤灰漂珠的形状为球形颗粒，粉煤灰漂珠能够在紧密堆积体系中起到润滑和滚珠的作用，从而减小颗粒之间摩擦力，提高浆体的流动度。由图6(c)可以发现，当粉煤灰漂珠的掺量为12%时，颗粒堆积曲线与目标曲线最相近，此时体系处于最密堆积状态。通过实验数据分析可知粉煤灰漂珠最佳掺量为12%。

图6 粉煤灰漂珠对套筒灌浆料性能的影响

2.3 铜尾矿对套筒灌浆料性能的影响

铜尾矿部分取代天然砂做细骨料，其对套筒灌浆料的性能影响如图7所示。由图7(a)可以发现,在铜尾矿掺量为13%(质量分数，下同)时，各龄期抗压强度均达到最大值。这是因为：(1)铜尾矿的粒径比天然河砂小，用铜尾矿部分取代天然河砂后，能够改善细骨料级配[21]；(2)由图3可以发现,铜尾矿的表面分布有许多棱角，咬合力大，而且铜尾矿是由铜矿石破碎后形成的，坚固性比河砂高[21-22]；(3)由图7(c)可以发现，当铜尾矿掺量为13%时颗粒堆积曲线与目标曲线最为接近，此时体系达到最紧密堆积状态，强度最高。综上所述，加入一定量的铜尾矿会增加套筒灌浆料的抗压强度，而当铜尾矿掺量过多时，由于其粒径比较小，会导致浆体的需水量增大，从而使得拌合物比较干稠、粘度增大，不利于矿渣的水化，使得套筒灌浆料的抗压强度逐渐降低。由图7(b)可以发现,加入铜尾矿后，体系流动度会降低。当掺量为13%时，初始流动度为340 mm，30 min流动度为280 mm。铜尾矿粒径比河砂小，铜尾矿的掺入会导致需水量增加，在相同水胶比时，掺铜尾矿试样的流动度比未掺铜尾矿的小,因此铜尾矿的最佳掺量为13%。

图7 铜尾矿对套筒灌浆料性能的影响

2.4 砂胶比对套筒灌浆料性能的影响

砂胶比对套筒灌浆料性能的影响如图8所示。由图8(a)可知，在砂胶(质量)比(S/B)为1.1时，套筒灌浆料各龄期抗压强度达到最大值，1 d、3 d和28 d抗压强度分别为37.2 MPa、63.0 MPa和86.4 MPa。由图8(c)可以发现,当砂胶比为1.1时，颗粒堆积曲线与通过Dinger-Funk方程求解的目标曲线最为接近，此时体系处于最紧密堆积状态，因此表现为抗压强度最高，当砂胶比过大时，由于细骨料含量的增多，导致没有足够多的胶凝材料填充细骨料中的孔隙，使得浆料抗压强度降低[23]。由图8(b)可知,随着砂胶比的增大，套筒灌浆料的流动度逐渐降低。砂胶比的增大，导致细骨料的量增多，而胶凝材料的总量减少，体系中的细骨料无法完全被胶凝材料包裹，因此细骨料之间的摩擦力增大，使得浆体的流动度降低[24]。

图8 砂胶比对套筒灌浆料性能的影响

2.5 扫描电镜分析

基于Dinger-Funk方程的最紧密堆积理论设计配比并进行研究其相关性能，最佳配合比为：粉煤灰漂珠掺量12%，铜尾矿掺量为13%，塑性膨胀剂掺量为0.20%，砂胶比为1.1。水化产物的微观形貌如图9所示。从图9(a)可以看到水化产物中有许多均匀微小的气孔，这是因为在塑性膨胀剂的作用下产生部分气孔，这些气孔会导致套筒灌浆料在3 h和24 h持续膨胀，同时在图9(a)中可以发现在早期水化产物中已经有部分C-S-H凝胶生成，从而保证了早期抗压强度。从图9(b)可以看到，随着矿渣的继续水化，气孔消失，C-S-H凝胶生成量增多，整体结构较为致密，使得抗压强度持续发展。

图9 水化产物SEM照片

3 结 论

(1)随着塑性膨胀剂掺量的增加，套筒灌浆料的3 h、24 h竖向膨胀率均不断增大，同时流动度也逐渐增大，但是掺量过大时会导致强度降低，通过分析塑性膨胀剂对套筒灌浆料流动度、抗压强度及竖向膨胀率的影响，塑性膨胀剂最佳含量掺量为0.20%。

(2)用碱矿渣水泥作胶凝材料，并基于Dinger-Funk方程的最紧密堆积理论来设计配比，当水胶质量比为0.4时，粉煤灰漂珠质量掺量为12%(基于胶凝材料比例)，矿渣质量掺量为88%(基于胶凝材料比例)，铜尾矿质量掺量为13%(基于细骨料比例)，天然河砂质量掺量为87%(基于细骨料比例)，砂胶质量比为1.1时，体系为最紧密堆积状态。

(3)在上述配合比基础上，用水玻璃激发，碱当量(Na2O)为6%(基于胶凝材料的比例)，缓凝剂(Ba(NO3)2)质量掺量为0.5%(基于胶凝材料的比例)，萘系减水剂质量掺量为1%(基于胶凝材料的比例)。对不同配合比进行验证，结果表明上述配合比即为最优配合比。制备出初始流动度340 mm，30 min流动度280 mm，1 d抗压强度37.2 MPa，3 d抗压强度63.0 MPa，28 d抗压强度86.4 MPa，3 h竖向膨胀率为 0.20%，24 h竖向膨胀率为0.36%，各项性能均满足JG/T 408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》标准规范中的要求的套筒灌浆料。