氣凝膠對套筒灌漿材料性能的影響

陳佳寧， 劉鳳東， 白錫慶， 王冬梅， 王建恒

（天津市建筑材料科學研究院有限公司，天津 300381）

近年來，隨著我國建筑產業現代化和傳統建筑業轉型升級的迫切需要，裝配式建筑在新建筑中比例不斷提高[1]。套筒灌漿鋼筋連接技術作為裝配式建筑構件的連接方式，其材料性能優劣對裝配式結構安全性及耐久性等均起著至關重要的作用，國內外學者對套筒灌漿材料的力學強度、流動性及膨脹性等性能做了大量的研究[2]。本文引入氣凝膠作為套筒灌漿材料的添加劑并就其對套筒灌漿材料性能的影響進行研究。

1 試驗材料和方法

1.1 材料

唐山冀東水泥集團生產的P·O 52.5普通硅酸鹽水泥；0.6 mm以下連續級配河砂；Sika 325C聚羧酸減水劑；日本電氣化學HP-CSA型膨脹劑；市售200目石英粉；自制粒徑400目、孔隙率98%、比表面積920 m2/g、接觸角140°氣凝膠。

1.2 方法

1）攪拌方法、流動度、抗壓強度性能指標參照JG/T 408—2019《鋼筋連接用套筒灌漿材料》，終凝時間參照GBT 175—2007《通用硅酸鹽水泥》。

2）配合比見表1。

表1 試驗原材料配合比

續表1

2 結果和討論

2.1 對流動性的影響

氣凝膠作為添加劑引入到套筒灌漿材料體系加水攪拌后，其初始流動性和30 min流動性見圖1。

圖1 不同氣凝膠摻量對套筒灌漿性能的影響

從圖1可以看出：隨著氣凝膠摻加量增加套筒灌漿材料的初始流動性和30 min流動性均有所增大且不存在明顯的沉降和泌水現象；當氣凝膠材料的添加量增大到0.6 g以后，套筒灌漿材料的初始流動性和30 min流動性均趨于穩定。

由于試驗所用氣凝膠材料接觸角在140°左右具有一定的憎水效果[3]，降低了套筒灌漿材料的黏度，提高了套筒灌漿材料的流動性能；氣凝膠具有較低的重度，摻量為0.4 g時開始出現明顯的上浮；隨著摻量增大上浮現象越發明顯，導致在套筒灌漿材料中氣凝膠能夠起到作用的有效摻量比例降低，氣凝膠摻量增大對套筒灌漿材料流動性能的增強效果減弱。

2.2 對終凝時間的影響

通過添加不同比例的氣凝膠材料對套筒灌漿材料的凝結時間進行了試驗研究，見表2。

表2 不同摻加量氣凝膠對套筒灌漿材料終凝時間的影響

從表2可以看出：隨著氣凝膠添加量增加，套筒灌漿材料的終凝時間逐漸縮短。這是因為氣凝膠材料對套筒灌漿材料中的水泥水化存在明顯誘導效應，導致水泥水化速度增快，終凝時間縮短。

氣凝膠重度較小并有一定的疏水效果，因此套筒灌漿材料加水攪拌后部分氣凝膠會分散在套筒灌漿材料中，部分會上浮在套筒灌漿材料表面，導致能夠對水泥水化起到誘導效應的氣凝膠有效組分降低；當摻量超過0.4 g以后，氣凝膠在套筒灌漿材料中出現明顯的上浮現象，對套筒灌漿材料的水泥水化的誘導能力較低摻量時有所降低，因而隨著氣凝膠摻量的提高，套筒灌漿材料的凝結時間逐漸縮短，但對套筒灌漿材料水泥水化誘導能力有所降低。

2.3 對抗壓強度的影響

對添加不同氣凝膠摻量的套筒灌漿材料不同齡期的抗壓強度進行對比研究，見圖2。

圖2 不同摻量的氣凝膠對套筒灌漿材料不同齡期抗壓強度性能的影響

從圖2可以看出：氣凝膠不同摻量的套筒灌漿材料各個齡期的抗壓強度均有一定程度提高。對于1 d和3 d而言，氣凝膠引入后對套筒灌漿材料中水泥水化存在一定的誘導效應，套筒灌漿材料中的水泥水化速度加快，從而凝結時間縮短，因而1 d和3 d抗壓強度有所提高。試驗中所用的氣凝膠材料在制備過程中采用三甲基氯硅烷作為改性劑，因此具有明顯的疏水效應并且重度較低[4]，在套筒灌漿材料加水攪拌后存在明顯的上浮現象且隨著摻量的提高套筒灌漿材料體系中的氣凝膠上浮現象越發明顯，在套筒灌漿材料中氣凝膠的有效組分比例降低，隨著氣凝膠摻量的提高對套筒灌漿1 d和3 d抗壓強度的提升幅度降低；氣凝膠不同摻量的套筒灌漿材料28 d抗壓強度也有所提升，雖然氣凝膠對套筒灌漿材料中的水泥水化存在一定的誘導效應，導致套筒灌漿材料早期強度有所提升，但對套筒灌漿材料遠期抗壓強度沒有明顯的影響；摻加氣凝膠的套筒灌漿材料28 d遠期抗壓強度提高的原因在于試驗中所用的氣凝膠細度為400目，比套筒灌漿材料中的粉體材料具有更小的粒度，套筒灌漿材料經過充分水化后體系更為均勻、致密，導致套筒灌漿材料28 d的遠期抗壓強度有所提高；同時，氣凝膠在套筒灌漿材料加水攪拌后存在一定的上浮現象，導致雖然摻量增加但有效組分的比例卻在降低，對套筒灌漿材料遠期抗壓強度的影響隨著摻量的提高有所弱化。

2.4 對表觀、沉降和泌水性的影響

氣凝膠的摻量增大上浮現象更加明顯且由于氣凝膠上浮帶出一定量的氣泡導致表面氣泡量明顯增多。在摻加氣凝膠的套筒灌漿材料中，由于氣凝膠具有一定的疏水性能，導致套筒灌漿材料加水攪拌后氣凝膠分散到套筒灌漿材料體系中，套筒灌漿材料黏度有所降低，流動性能增強，出現輕微的沉降現象。在套筒灌漿材料中引入氣凝膠降低了體系黏度，對套筒灌漿材料的泌水性沒有明顯的影響。

3 結論

在套筒灌漿材料中引入低摻量的氣凝膠材料能夠降低套筒灌漿材料體系的黏度，從而提高流動性；氣凝膠對套筒灌漿材料中的水泥水化具有一定的誘導效應，因此能夠一定程度提高套筒灌漿材料的早期抗壓強度性；與此同時，由于氣凝膠材料具有較小的尺寸效應，摻加了氣凝膠材料的套筒灌漿材料水化產物更為致密，從而具有更好的后期強度；由于氣凝膠較輕的重度和疏水性能，在套筒灌漿材料加水攪拌后出現一定的上浮現象，同時帶出部分氣泡富集在套筒灌漿材料表面，導致套筒灌漿材料會產生輕微的沉降現象。