粉煤灰對高早強灌漿料性能影響研究

黃石明 祝 雯 黃杰坤 盧德輝 趙汝英

（1 廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司；2 廣州建筑股份有限公司）

0 引言

裝配式混凝土結構是以預制構件為主，經裝配、連接而成的混凝土結構，因其工業化程度高、建造速度快、結構整體性能好等優點，在國內得到了迅速推廣及使用。目前，裝配式建筑構件普遍采用鋼筋套筒灌漿連接技術，相比傳統連接方式（焊接和螺栓連接），鋼筋套筒灌漿連接技術增強了構件連接處吸收能量的能力，有效減小應力集中，施工方便，容易操作。套筒灌漿料的性能則是鋼筋套筒連接可靠性的主要保障，其性能優劣對結構安全性以及耐久性等都起著至關重要作用[1-3]。

鋼筋套筒灌漿料是以水泥為膠凝材料，配以細骨料、混凝土外加劑及其他材料組成的干混料，加水攪拌后具有良好的流動性及早強、高強、微膨脹等性能，填充于套筒和帶肋鋼筋間隙內的干粉料[4-5]。工程中使用的套筒灌漿材料存在流動度差、流動度經時損失大、早期力學強度低、體積收縮等問題，難以滿足鋼筋套筒連接技術要求，制約著裝配式混凝土結構的發展。

本文基于硫鋁酸鹽水泥、硅酸鹽水泥和石膏三元復配膠凝材料體系，制備出高性能鋼筋套筒灌漿料，通過調整粉煤灰摻量，研究其對灌漿料流動性、力學性能和膨脹率的影響，并采用SEM 技術觀察漿體的水化產物微觀形貌，分析其水化機理。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：唐山北極熊水泥廠生產的42.5 硫鋁酸鹽水泥，英德海螺水泥廠生產的42.5R 級硅酸鹽水泥，它們成分組成見表1，物理性能見表2。

表1 水泥的成分組成 （%）

表2 水泥的物理性能

表3 粉煤灰的成分組成 （%）

表4 不同粉煤灰摻量的試驗配合比 （%）

礦粉：唐山曹妃甸盾石新型建材公司，S95 級；粉煤灰：韶關曲江區烏石港有限公司，F 類II 級，其化學成分見表3；硅粉：粒徑為1000 目，硅含量為98%。

石膏：市售工業二水石膏。

砂：河砂，最大粒徑1.25mm，連續級配。

減水劑：西卡生產型號為540P 的聚羧酸高性能減水劑，白色粉末狀。

塑性膨脹劑：西卡生產的黃色結晶粉末，表觀密度300～600g/L；緩凝劑為葡萄糖酸鈉，分析純級。

消泡劑：西卡的DF770DD 型號的白色粉末消泡劑，22 目篩余≤5%，堆積密度為0.6g/cm3。

1.2 實驗儀器設備

儀器設備有：JJ-5 型水泥膠砂試驗攪拌機、微機控制壓折試驗機、流動度測定儀、豎向膨脹率測定儀、恒溫恒濕標準養護箱、40mm×40mm×160mm 膠砂試模、掃描電鏡、熒光光譜分析儀。

1.3 試驗方法

灌漿料試驗中膠砂比為0.8，水膠比為0.24，石膏、礦粉、粉煤灰和硅灰是根據膠凝材料質量總量的百分比內摻，減水劑、消泡劑、膨脹劑、葡萄糖酸鈉按膠凝材料質量總量百分比外摻，制備粉煤灰摻量為3%、6%、9%、12%、15%的灌漿料，其配比見表4。并依據標準JG/T 408－2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》對灌漿料流動度、抗折強度、抗壓強度、膨脹率進行測試，并分析其影響原因，其中標準JG/T 408－2019《鋼筋連接用套筒灌漿料》技術指標見表5[4]。通過SEM 等測試方法，觀察漿體水化產物微觀形貌，分析其水化機理。

2 結果與討論

2.1 粉煤灰對灌漿料流動性影響

表5 套筒灌漿料的性能指標

表6 不同粉煤灰摻量灌漿料的性能試驗結果

試驗中通過調整粉煤灰的摻量，研究灌漿料的性能，其測試結果見表6。

由表6 可見，隨著粉煤灰摻量的增加，灌漿料初始流動度呈現出增大現象。流動度由粉煤灰摻量為3%時的320mm 增加到摻量為15%時的333mm。30min 流動度保留值則出現先增大后減小，摻量為9%時30min 流動度保留值達到最大值為302mm。粉煤灰需水量小，相同的用水量條件下可以達到較大的流動度。此外，粉煤灰的微觀形貌是球形玻璃體，且表面光滑，將其摻入灌漿料可減少河砂與漿體之間的摩擦，起到滾珠潤滑的效果[6-7]，從而提高灌漿料的流動性。灌漿料30min 流動度保留值先增大后減小，則由于粉煤灰的密度小，相同質量下，具有較大的體積，當粉煤灰摻量過大，漿體明顯增多，包裹在河砂表面，潤滑膜變厚，表現為灌漿料30min 流動度保留值降低。

2.2 粉煤灰對灌漿料力學性能影響

隨著粉煤灰摻量的增加，灌漿料1d 抗壓強度和3d抗壓強度呈現不同程度降低，28d 抗壓強度則先增加后降低。粉煤灰摻量為3%時，1d 抗壓強度和3d 抗壓強度分別是46.7MPa、72.2MPa；在摻量為9%時，1d 抗壓強度和3d 抗壓強度分別是37.3MPa、69.1MPa；摻量增加至15%時，1d 抗壓強度和3d 抗壓強度分別是34.3MPa、68.5MPa。粉煤灰具有火山灰效應，粉煤灰中含有一定的玻璃體，其主要成分為活性氧化硅和氧化鋁，參與灌漿料后期的水化反應，生成水化硅酸鈣凝膠和水化鋁酸鈣等[8-10]，且粉煤灰顆粒較小能填補水泥漿體水化后留下的孔隙，見圖1。因此，在粉煤灰摻量小于9%時，28d 抗壓強度隨著摻量的增加而增加，但由于粉煤灰活性差于水泥的，在粉煤灰摻量大于9%時，隨著其摻量增加，水泥占比下降，膠凝材料整體活性下降，灌漿料28d 抗壓強度下降。

圖1 粉煤灰摻量為9%的灌漿料28d 水化產物微觀形貌

2.3 粉煤灰對灌漿料膨脹性影響

從表6 可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，灌漿料3h 豎向膨脹率總體呈增長趨勢，在粉煤灰摻量為15%時，達到最大值為0.116%，而24h 與3h 膨脹率之差則隨著粉煤灰摻量的增加先增大后降低，在粉煤灰摻量為9%時，達到最大值為0.177%。硫鋁酸鹽水泥是高堿度水泥，能夠迅速發生水化反應生成大量的Ca(OH)2，其對粉煤灰的活性氧化硅和氧化鋁起到堿激發作用，并在石膏作用下生成鈣礬石[8]，使得灌漿料3h 豎向膨脹率增大，但粉煤灰摻量過多，膠凝材料中水泥相對含量下降，生成的鈣礬石數量下降，豎向膨脹率下降。

綜上所述，粉煤灰摻量為9%時，灌漿料的各項性能指標均能滿足標準JG/T 408－2013《鋼筋連接用套筒灌漿料》技術要求。灌漿料初始流動度和30min 流動度保留值分別是326mm、302mm，各齡期抗壓強度分別是37.3MPa、69.1MPa、110.2MPa，3h 膨脹率為0.061%，以及24h 與3h 膨脹率之差為0.177%。

3 結論

⑴粉煤灰的滾珠潤滑效果，隨著粉煤灰的摻量的增加，灌漿料初始流動度呈現增大趨勢，30min 流動度保留值則出現先增大后減小，摻量為9%時30min 流動度保留值達到最大值為302mm。

⑵摻入粉煤灰能降低灌漿料的早期強度，28d 強度則先增加后降低。

⑶粉煤灰摻量為9%時，灌漿料具有較佳的性能，初始流動度和30min 流動度保留值分別是326mm、302mm，各 齡 期 抗 壓 強 度 分 別 是 37.3MPa、69.1MPa、110.2MPa，3h 膨脹率為0.061%，以及24h 與3h 膨脹率之差為0.177%。