低負溫鋼筋套筒灌漿料發展研究綜述

吳興杰，肖 豪，劉廣英，張 昊，孟 飛，李衛軍

(1.滁州學院 土木與建筑工程學院，安徽 滁州 239000；2. 中鐵七局集團第五工程有限公司，鄭州 450016；3.南京匯康網絡科技有限公司，南京 211100)

裝配式建筑由于其節能、環保、建設周期短的特點，受到了前所未有的重視，近年來得到快速的發展[1-2]。鋼筋套筒灌漿連接作為裝配式建筑中構件連接的重要方式，其套筒接頭連接質量是影響裝配式混凝土結構可靠度的關鍵因素，因此鋼筋套筒連接使用的灌漿料性能也得到了越來越多的關注和研究。對于常溫下使用的灌漿料，目前已經得到較多研究。但是中國國土遼闊，高緯度及高海拔地區冬季溫度低、持續時間較長。例如黑龍江地區，每年滿足常溫施工條件的時間僅有4個月；青藏高原地區氣溫低、溫差大，年平均氣溫為-6.9～-4 ℃，1 a中出現日正負溫度交替的時間為180 d[3]。

鋼筋套筒灌漿料在低負溫環境中(環境溫度低于5 ℃)，會影響灌漿料的水化及強度增長，從而影響裝配式建筑整體的可靠度[4]。因此，研制適用于低負溫環境下使用的灌漿料對于裝配式建筑的冬季施工和推廣顯得極為重要。當前，針對低負溫套筒灌漿料，主要是通過改變膠凝材料的組成、添加不同的摻合料和外加劑對其進行配制及應用研究。

1 膠凝材料對低負溫灌漿料的影響

膠凝材料作為灌漿料的主要組成成分，很大程度上決定了灌漿料在低負溫條件下的物理力學性質。很多學者利用不同種類的水泥進行灌漿料的配制，并研究相應灌漿料的物理力學性能[5]。現有文獻中經常采用快硬水泥、普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥、高鋁水泥中的一種或幾種相互摻和，作為低負溫灌漿料的膠凝材料[6]。

朱清華等[7]利用快硬水泥作為膠凝材料配制了低負溫鋼筋套筒灌漿料。主要利用快硬水泥負溫水化活性高[8]，在低負溫條件下水化速率比普通硅酸鹽水泥快得多，且在較短時間內能夠獲得較高強度[9]。但由于快硬水泥凝結速度過快[10]，初凝時間在30～50 min，終凝時間在40～90 min，需要對快硬水泥凝結時間進行調整，使灌漿料具有足夠的施工操作時間。

董淑慧等[11]、謝松等[12]、馬正先等[13]在普通硅酸鹽水泥的基礎上摻加硫鋁酸鹽水泥作為低負溫套筒灌漿料的膠凝材料。試驗結果發現，膠凝材料中硫鋁酸鹽水泥含量的增加會使灌漿料的流動度降低，同時使灌漿料抗壓強度有一定的增長，但增長幅度較小。

馬正先等[13]、李本友等[14]在普通硅酸鹽水泥中復配高鋁水泥作為膠凝材料。由于高鋁水泥水化產物為CAH10或C2AH8及AH3凝膠，會與普通硅酸鹽水泥水化生成的Ca(OH)2反應而快速轉變為C3AH6，而Ca(OH)2的大量消耗又會進一步加快水泥的水化；同時，當普通硅酸鹽水泥中的石膏同鋁酸鹽發生反應后，就無法起到緩凝的作用。因此，以普通硅酸鹽水泥復配高鋁水泥作為膠凝材料的灌漿料水化速度非常迅速，強度增長較快。灌漿料的流動度隨著高鋁水泥含量的增加而減小，當高鋁水泥的摻量達到膠凝材料總量的45%時，灌漿料漿體基本喪失流動性。灌漿料的強度隨著膠凝材料中高鋁水泥含量的增加而明顯升高。僅含有普通硅酸鹽水泥的灌漿料在-5 ℃環境下凝結硬化的速度很慢，齡期3 d時的強度也僅為10 MPa左右，如圖1所示；高鋁水泥的含量達到25%時，灌漿料在-5 ℃條件下養護1 d后，灌漿料抗壓強度可達到30 MPa。隨著高鋁水泥含量的增加，灌漿料在負溫環境下養護的抗壓強度接近于常溫養護的抗壓強度。

圖1 高鋁水泥摻量對流動度和1 d抗壓強度的影響[14]

另外，李本友等[14]同時將普通硅酸鹽水泥、硫鋁酸鹽水泥和高鋁水泥三者混合配制低溫灌漿料，發現三者復配后灌漿料的性能比任意兩種水泥復配的強度都高。

2 礦物摻合料對低負溫灌漿料的影響

礦物摻合料可以明顯改善水泥基材料的工作性能以及硬化漿體的各項指標，在水泥基材料中有著廣泛的應用。礦物摻合料對水泥基材料性能的改善效果與礦物摻合料的種類、粒徑分布、顆粒形貌、親水性等特征密切相關。很多學者通過在常溫灌漿料中添加礦物摻合料以調整灌漿料的性能[15]，使灌漿料能夠適應低負溫的施工環境，經常選用的礦物摻合料主要有礦粉、粉煤灰和硅灰。

礦粉中的主要活性物質為SiO2和Al2O3，同水泥水化產生的Ca(OH)2反應生成具有粘結作用的C-S-H和AH3凝膠，逐漸填充骨架的空隙，從而使水泥石結構更為密實，增強了水泥漿與骨料的結合，改變了套筒灌漿料的微觀結構[16]。而粉煤灰的顆粒較細，在灌漿料中產生“填充效用”和“微骨料效應”[17]。研究發現，隨著礦粉和粉煤灰含量的增加，灌漿料的初始流動度和30 min流動度都逐漸下降，分析認為是由于摻加的礦粉和粉煤灰起到了填充的作用。隨著礦粉和粉煤灰含量的增加，不同齡期灌漿料抗壓強度都呈現出先增加后減小的趨勢，如圖2所示。當礦粉與粉煤灰含量偏少時，隨著摻合料含量的增加，摻合料的反應產物使灌漿料逐漸密實，強度逐漸增加；隨著礦粉與粉煤灰含量的繼續增加，膠凝材料含量相對減少，導致灌漿料強度開始逐漸降低[18]。

硅灰摻入灌漿料后，硅灰顆粒分散在水泥顆粒之間，硅灰表面的活性物質使硅灰顆粒相互排斥，而且硅灰顆粒的粒徑遠遠小于水泥顆粒粒徑，水泥顆粒在灌漿料中會被分散，因而硅灰能夠在灌漿料中起到潤滑的作用，因此，硅灰的摻入會使灌漿料的流動性有所增加[19]。隨著灌漿料中硅灰摻量的增加，灌漿料的抗折強度先增加后減小，而抗壓強度變化不大。

圖2 礦粉摻量對灌漿料抗壓強度的影響[15]

3 外加劑對低負溫灌漿料的影響

外加劑種類豐富，能夠明顯改善灌漿料的性能，在水泥基材料中得到廣泛的應用。在研制低負溫套筒灌漿料的過程中，很多學者通過向灌漿料中添加各種外加劑，以使灌漿料滿足在低負溫條件下使用的要求，常用的外加劑有防凍劑、早強劑、緩凝劑和激發劑，如表1所示。

表1 低負溫灌漿料常用的外加劑

防凍劑主要選用的材料有硝酸鈉、甲酸鈣、碳酸鈉和硫酸鈉。整體而言，防凍劑的摻入，在標準條件和低溫環境下均可以提高灌漿料的強度[13]。但是不同種類的防凍劑對于灌漿料的影響各有區別。李本友等[14]利用硝酸鈉和甲酸鈣作為防凍劑摻入到灌漿料中，發現硝酸鈉和甲酸鈣會略微影響灌漿料抗壓強度，但影響不大。馬正先等[20]分別以硝酸鈉、甲酸鈣、硫酸鈉作為防凍劑，發現隨防凍劑摻量增加，灌漿料流動度呈減小趨勢。硝酸鈉和甲酸鈣使灌漿料強度先增加后減小；硫酸鈉使灌漿料強度增加。

早強劑主要選用的材料是碳酸鋰。碳酸鋰的主要成分為Li2CO3，其與水泥的水化產物Ca(OH)2發生反應，能夠生成高堿度的LiOH，從而使水泥水化環境的堿度得到提高。而OH-可取代Al3+周圍的水分子，降低[Al(OH)6]3-八面體成核的自由能和晶核的臨界尺寸，這種變化使晶核的生成速率增大，使[Al(OH)6]3-八面體更容易形成。同時，LiOH是強堿，在水中電解后產生的Li+與OH-形成四配位結構，該四配位結構可促進[Al(OH)6]3-八面體的聚合。因此，Li2CO3可以加速水泥的水化進程。馬正先等[20]發現碳酸鋰含量的增加會加速灌漿料的凝結，使灌漿料的強度有一定增加。但董淑慧等[11]發現隨著碳酸鋰摻入量的增加會削弱灌漿料抗壓強度。

緩凝劑主要選用的材料有石膏、酒石酸和硼砂。緩凝劑的添加會使灌漿料凝結緩慢，并導致灌漿料強度降低。石膏緩凝機理在于其能夠消耗水化鋁酸鈣而生成鈣礬石，鈣礬石的生成有利于提高灌漿料的早期強度，同時可以減小水泥收縮。另外，在高濃度Ca(OH)2溶液中，鈣礬石生成的過程會使大量水聚集，進而引起膨脹。酒石酸能夠明顯延緩灌漿料的初凝和終凝，同時也會導致灌漿料在負溫下凝結緩慢，使灌漿料的強度稍有削弱。酒石酸具有表面活性，吸附在水泥顆粒表面生成不溶性鈣鹽的膜層，產生緩凝作用。李本友等[14]向灌漿料中添加石膏和酒石酸，發現兩者均具有延緩灌漿料凝結的作用，但兩者摻量的增加均會使灌漿料抗壓強度降低。馬正先等[20-21]發現向灌漿料中添加過量石膏，會使灌漿料強度快速降低。顧旭東等[22]利用硼砂作為緩凝劑發現，隨著硼砂摻量的增加，灌漿料流動度逐漸增加，凝結時間延長。當硼砂摻量達到0.7%時，30 min流動度反而超過初始流動度；而當摻量超過0.7%后，灌漿料就會產生離析和泌水的現象。

另外，謝松等[23]以七鋁酸十二鈣作為激發劑摻加到灌漿料中，發現激發劑的摻量對灌漿料流動度和凝結時間的影響不大，但可以使灌漿料4 h抗壓強度大幅度增加。

4 當前研究的不足及研究方向展望

可以看出，很多學者針對低負溫灌漿料研制已經做出了大量的工作和努力，但低負溫灌漿料的研究涉及的內容較為廣泛，根據已有文獻對當前研究現狀的總結發現還存在以下不足：

1)微觀機理研究不足。目前的研究大多通過改變膠凝材料組成、添加摻合料和外加劑的方法改變灌漿料的組成，研究不同組成成分對灌漿料宏觀物理力學性能的影響，如流動度、抗壓強度、抗折強度等。但是，灌漿料的宏觀物理力學性能是由各組成成分的綜合水化反應結果所決定的[24]，還要從微觀角度研究灌漿料各組成成分水化反應過程，探究灌漿料物理力學性質微觀機理的研究不足。針對灌漿料微觀機理研究存在的主要困難在于兩個方面：第一，灌漿料的水化反應結果并非是各組成成分水化結果的集合，水化過程中各組成成分之間會產生相互的影響，灌漿料的組成成分比較復雜，膠凝材料可以有多種組成，同時還可能摻加多種礦物摻合料和外加劑，從微觀上分析將是一種更為復雜的反應進程。第二，從微觀角度進行機理研究需要新的研究手段，針對灌漿料的化學組成及微觀形貌進行研究，對灌漿料水化過程及水化結果進行機理分析。

2)灌漿料與鋼材的協同工作性能研究不足。當前研究主要針對灌漿料本身的物理力學性能，但在實際應用中，灌漿料需要和套筒、鋼筋共同工作。因此，在當前針對灌漿料性質研究的基礎上，應該進一步開展灌漿料和套筒、鋼筋的協同工作性能研究。

針對低負溫灌漿料應用的發展趨勢及當前研究的欠缺，未來針對低負溫套筒灌漿料的研究可以從如下方面進行：

1)宏觀與微細觀研究的結合。利用XRD及SEM等手段研究灌漿料的水化過程及微觀結構的形成，并根據宏觀物理力學性質，建立宏觀性質與微細觀結構間的聯系，從而探究灌漿料不同組成成分對其性能影響的機理。

2)養護條件對灌漿料力學性能的影響。灌漿料力學性質除受自身組成成分影響外，還較大程度受到養護條件的影響。可以通過改變養護條件，分析灌漿料力學性能的變化規律，探究養護條件對低負溫灌漿料力學性能的影響。

3)鋼筋套筒灌漿試件整體性能研究。在低負溫灌漿料性能及機理研究的基礎之上，利用鋼筋套筒、鋼筋及低負溫灌漿料，制作鋼筋套筒灌漿試件，根據低負溫環境下試件的性能發展，研究低負溫灌漿料同鋼筋套筒、鋼筋之間的協同作用效果，以及灌漿料與鋼材之間的耦合性能。

5 結束語

隨著裝配式建筑的不斷發展，適用于低負溫環境的套筒灌漿料的研制迫在眉睫，很多學者已經針對低負溫灌漿料的研制做了大量的工作和努力，從低負溫灌漿料的研制到工程應用還有很多的問題需要解決。可以預見，低負溫套筒灌漿料的使用對于裝配式建筑在冬季和高海拔地區施工都具有重要的作用。