灌浆料加水泥能用(装配式建筑用灌浆料组成的研究)

装配式建筑用灌浆料组成的研究

徐长伟，曾伟，马世方，陈勇

（沈阳建筑大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110168）

摘 要：本文基于装配式建筑用灌浆料的基本性能要求，从石英砂级配、砂灰比、水灰比、外加剂等角度开展对灌浆料工作性和强度的影响研究，在确定的理想配比的基础上，通过采用低水灰比净浆包裹骨料的方法，探索进一步提高灌浆料抗压强度的可能。研究结果表明：当石英砂级配为20目～40目：40目～70目=1:0.798、水灰比0.26、聚羧酸减水剂0.4%、四硼酸钠5‰、有机硅消泡剂2‰、羟丙基甲基纤维素0.1‰、硫铝酸钙型膨胀剂4% 时，灌浆料满足早期强度高、后期强度高、工作性好、微膨胀、自密实、不泌水、不离析等装配式建筑用灌浆料的要求；通过采取低水灰比净浆包裹石英砂的方法，可进一步提升灌浆料的抗压强度。

关键词：灌浆料；砂灰比；水灰比；外加剂；高强度；工作性

0 引言

装配式建筑是指用工厂中预制好构件在工地装拼而成的建筑。这种建筑的优点是建造速度快，受气候条件制约小，节约劳动力、环境污染小并可提高建筑质量。但也存在如何在建造更高更大的装配式建筑时，保障建筑整体稳定性及抗震性这一问题，针对这一点主要由装配式建筑构件设计方案及连接构件强度所决定，在装配式建筑中，构件的连接方式主要包括浆锚连接、间接连接、套筒灌浆连接，如今套筒灌浆连接的市场占有率达到80%以上。对于套筒结构的性能强弱主要取决于套筒的数量、布置、套筒本身的性能和套筒内灌浆料的性能[1-2]，本文即是从满足套筒灌浆料性能要求出发，通过使用价格相对低廉的材料配制出具有流动度大，早期强度和后期强度高，工作性好，微膨胀，不泌水，不离析，满足装配式建筑要求的套筒灌浆料。

1 试验原材料与方法

1.1 原材料

水泥：42.5 快硬硫铝酸盐水泥，符合GB 20472—2006《硫铝酸盐水泥》要求。

石英砂：沈阳苏杨石英砂厂。

聚羧酸减水剂：山东虹夏外加剂厂，粉体掺量为水泥质量的0.2%～0.6%。

四硼酸钠：上海鑫达精细化工有限公司，含量≥99.5%。

葡萄糖酸钠：山东虹夏外加剂厂，含量≥99.5%。

DL-酒石酸：天津市鼎盛化工有限公司，含量≥99.7%。

有机硅消泡剂：南宁腾达助剂有限公司，TD-004，含量≥99.5%。

羟丙基甲基纤维素：沈阳顺风集团，20万（S）。

硫铝酸钠钙型膨胀剂：山东虹夏外加剂厂,粉体掺量为水泥质量的2%～8%。

水：自来水。

1.2 方案设计

本试验在采用单因素对比试验从石英砂级配、砂灰比、水灰比、外加剂等方面开展对灌浆料工作性及强度的影响研究，在确定的理想配比后，通过采用低水灰比净浆包裹骨料的方法，提高灌浆料抗压强度，得出最优材料组成及配比。

1.3 灌浆料制备及性能测试

按试验配比称取定量的42.5快硬硫铝酸盐水泥、石英砂、硫铝酸钙型膨胀剂搅拌混合均匀后加入定量的有机硅消泡剂、缓凝剂、早强剂、增稠剂和水混合溶液，再次搅拌均匀，注入40mm×40mm×160mm模具中成型。参照 GB/T17671—1999《水泥基灌浆材料应用技术规范》测量灌浆料的流动度、抗折强度和抗压强度；参照GB 50119-2013《混凝土外加剂应用技术规范》测量灌浆料的竖向膨胀率。

2基本配比试验

2.1石英砂级配的确定

由于石英砂具有较大的硬度，而且分布广泛，价格便宜，因此选择石英砂为灌浆料骨料。试验使用石英砂的目数有20目～40目(0.425mm～0.85mm)，40目～70目(0.212mm～0.425mm)，根据最大堆积密度理论[3]，使用一升容积升对不同组分石英砂的一升堆积质量进行测量。得出结果进行二次拟合曲线Y=1507.675+275.9X-247.7X2（X代表20目～40目石英砂所占质量比例，Y代表一升不同目数混合后的石英砂质量），当X=0.556时Y达到最大值，即20目～40目：40目～70目=1:0.798时达到曲线峰值，为最优配比。此时，一升容积升堆积质量最大，说明其堆积结构更加致密，级配更加合理，因此选择此石英砂配比开展进一步试验。

2.2聚羧酸减水剂用量的确定

根据粉体聚羧酸减水剂使用掺量（0.2%～0.6%）进行减水剂定量试验，图1为聚羧酸减水剂掺量从0.2%到0.6%的对比试验。

由图1可知，聚羧酸减水剂掺量从0.2%增加到0.4%。其灌浆料初始流动度和30min流动度逐渐增大，而从0.4%增加到0.6%时，其减水效果基本不变，因此0.4%是聚羧酸减水剂掺量的饱和值，由此聚羧酸减水剂的掺入量定为0.4%，并开展进一步试验。

2.3水灰比及砂灰比的确定

本试验选择快硬硫铝酸盐水泥为基料，分别对4种水灰比（0.24、0.26、0.28、0.30）及4种砂灰比（0.6、0.8、1.0、1.2）进行配比试验，通过初始流动度及3d抗压强度确定砂灰比和水灰比（其中聚羧酸减水剂掺量为0.4%），如表1所示。

根据灌浆料流动度及3d抗压强度试验发现，随着水灰比的增大，流动度整体呈增大趋势，而强度呈降低趋势，当水灰比为0.26，砂灰比为0.8时在3d抗压强度相对更高，说明此时骨料级配和骨料之间的净浆厚度更为合理，而且初始流动度满足辽宁省地方标准《装配整体式混凝土结构技术规程》（DB21/T1868-2010）要求，说明这组水泥与石英砂比例堆积更加致密，由此将水灰比0.26、砂灰比0.8定为下一步基础方案。

3.外加剂掺量的研究

本试验所使用的外加剂包括缓凝剂（酒石酸，葡萄糖酸钠，四硼酸钠），消泡剂（有机硅消泡剂），增稠剂（羟丙基甲基纤维素），早强剂（硫酸钠），膨胀剂（硫铝酸钙型膨胀剂）,设置基本配比：砂灰比0.8，水灰比0.26，聚羧酸减水剂0.4%。

3.1对缓凝剂的选择与用量的研究

通过对酒石酸、葡萄糖酸钠和四硼酸钠三种缓凝剂的对比试验，如图2、图3可知，加入四硼酸钠的试样30min流动度损明显大于另两组流动度。而且随着四硼酸钠的掺量的增多，30min流动度逐渐增大，而由图3可知，3d抗压强度的四硼酸钠组分好于葡萄糖酸钠组分好于酒石酸组分，根据三组试剂的30min流动度及3d抗压强度对比，选择四硼酸钠作为缓凝剂，由于辽宁省地方标准《装配整体式混凝土结构技术规程》（DB21/T1868-2010）要求30min流动度达到260mm、3d抗压强度≥60MPa，为了节约成本，因此缓凝剂选择四硼酸钠掺入量为5%，用以开展下一步试验。

3.2有机硅消泡剂研究

为了消除灌浆料中多余的泡而掺入有机硅消泡剂如图4、图5可知，随着有机硅消泡剂掺量的增加，灌浆料初始流动度、30min流动度、3d抗折强度和3d抗压强度整体呈增大趋势，由于使用聚羧酸减水剂会引入一些气泡，而气泡表面是一种吸附着定向排列的活性分子，当其达到一定浓度时，气泡壁就会形成了一层坚固的薄膜，造成液面表面张力下降，气泡就不易合并，而形成很多小气泡，而有机硅消泡剂可以进入气泡双分子定向膜，破坏定向膜的力学平衡达到破泡的目的而浆体中气泡减少后，其流动阻力就减少，对骨料的阻力就减少，而且留在灌浆料中的气泡减少，从而灌浆料更加密实，抗压强度也会升高[4-5]。根据图5可知，当有机硅消泡剂消泡剂用量为2‰时，3d抗压强度最高，说明此配比的浆体最为密实，气泡含量低，因此选择有机硅消泡剂掺入量为2‰，用以开展下一步试验。

3.4增稠剂的研究

为了提高灌浆料工作性加入羟丙基甲基纤维素，通过对羟丙基甲基纤维素试验如图6、图7可知，随着掺入量的增加灌浆料的流动度呈下降趋势，而当掺入量为0.10‰时的流动度比不加增稠剂的流动度大，说明骨料更均匀地悬浮在水泥净浆之中，改善了灌浆料的工作性能，而当掺入量从0.1‰到0.4‰，流动度逐渐下降，灌浆料变得更粘稠，不利于灌浆料流动度，通过3d抗压强度发现，从0.1‰到0.4‰，3d抗压强度呈下降趋势，由于流动度降低，则搅拌时引入的气泡会存留在浆体中不易排出，因此影响灌浆料致密性及强度[6]，由此羟丙基甲基纤维素掺量为水泥的0.10‰ ，用以开展下一步试验。

3.5硫铝酸钙型膨胀剂用量研究

为了使灌浆料具有微膨胀效果，因此加入硫铝酸钙型膨胀剂，由图8、图9可知，当硫铝酸钙膨胀剂掺入量大于等于4%时，膨胀效果符合辽宁省地方标准《装配整体式混凝土结构技术规程》（DB21/T1868-2010）规定，即3h竖向膨胀率≥0.020%及24h与3h竖向膨胀率差值≥0.020%，而相对于空白组达到微膨胀的效果。

当硫铝酸钙膨胀剂的掺量为4%、5%、6%、7%时膨胀效果符合辽宁省地方标准《装配整体式混凝土结构技术规程》（DB21/T1868-2010）要求，因此进行力学试验对比，如表2可知，随着掺量逐渐增加，抗压强度和抗折强度整体呈下降趋势，由于既要满足微膨胀效果，又要满足早期强度和后期强度要求，选择硫铝酸钙膨胀剂的掺入量为水泥4%，用以开展下一步试验。

4抗压强度增强组试验

由于灌浆料的强度主要由骨料强度、界面连接、水泥凝结后的强度这三个方面影响，由于上述试验得出最优组成配比，因此提高界面连接强度成为提高灌浆料整体强度有效方法。本节通过低水灰比水泥包裹石英砂，然后待包裹后的“泥球”硬化后将其筛分，然后再将剩下的水泥按正常水灰比和包裹处理后的骨料进行搅拌，由于在搅拌时净浆与骨料之间会析出一层水膜包裹骨料表面，待水泥硬化后会对净浆与骨料连接强度产生影响[7]，而此方法可减少用水量，降低净浆与石英砂界面结合处析出的水份，因此减少水膜的厚度，使其净浆与石英砂界面处有更高结合力，提高结合强度，同时由于不同水灰比的净浆基本组成相同，所以低水灰比（0.20）净浆与正常水灰比（0.26）净浆界面也有很好的相容性，同时此方法又有利于在工厂环境下进行骨料包裹加工与养护，可达到提高灌浆料整体强度的效果。

4.1低水灰比净浆包裹骨料的研究

用于低水灰比的水泥加入外加剂为聚羧酸减水剂掺量0.4%，为了测定最佳方案，则低水灰比水泥占总水泥质量比例分别为5%、10%、15%、20%、低水灰比水泥净浆的水灰比分别为0.18、0.20、0.22、0.24，先进行低水灰比净浆包裹骨料，然后待骨料硬化后（标准养护5h以上）进行粒径筛选（0.30～1.18mm），最后与剩余水泥以水灰比0.26进行搅拌成型，其中第二次搅拌除基本配比组成外还加入了按剩余水泥质量5‰的四硼酸钠、 2‰的有机硅消泡剂、0.10‰的羟丙基甲基纤维素用量及4%的硫铝酸钙膨胀剂。

由表3可知，低水灰比水泥占总水泥质量比例为15%，低水灰比水泥净浆的水灰比为0.20时，1d和28d抗压强度最高，并且流动度及1d，3d和28d抗压强均符合辽宁省地方标准《装配整体式混凝土结构技术规程》（DB21/T1868-2010）要求，同时灌浆料具有自密实、不泌水、不离析等特点，满足装配式建筑用灌浆料的要求。

5 结论

（1）当石英砂级配为20目～40目(0.425mm～0.85mm)：40目～70目(0.212mm～0.425mm)=1:0.798、水灰比0.26、砂灰比为0.8、聚羧酸减水剂0.4%、四硼酸钠5‰、有机硅消泡剂2‰、羟丙基甲基纤维素0.1‰、硫铝酸钙型膨胀剂4% 时，灌浆料满足早期强度高、后期强度高、工作性好、微膨胀、自密实、不泌水、不离析等装配式建筑用灌浆料的要求。

（2）通过采取低水灰比（0.20）净浆包裹石英砂，其中用于低水灰比净浆的水泥并掺入其水泥质量0.4%的粉体聚羧酸减水剂，此方法可提高骨料与硬化后净浆界面结合力，不同程度提升灌浆料的抗压强度，研究发现当用于包裹石英砂净浆的水泥占总水泥质量15%时更有利于灌浆料的早期抗压强度及后期抗压强度。

参 考 文 献：

[1]王军强，李 清. 装配式混凝土结构灌浆材料的性能试验与施工技术[J].混凝土，2013

（10):142-145.

[2]屠立玫.我国建筑灌浆料的灌浆料的发展方向[J].新型建筑材料.1997（11）:13-15.

[3]林荣峰，聚羧酸高性能灌浆料试验研究[D].山东：山东建筑大学，2012.28-31.

[4]李祥,王旭,马素德.乳液型有机硅消泡剂的研制[J].造纸化学品,2002(4):28- 31.

[5]吕鑫,景艳,岳湘安.高效有机硅消泡剂的制备.精细化工[J], 2005(9) : 688- 690.

[6]赛守卫，马保国，苏雷，李相国等.纤维素醚改性灌浆料的研究进展[J].硅酸盐通报，2011

（3）:560-566.

[7]Maso J C.The bond between aggregates and hydrated cement paste.In:7 th Intern

Congr on the Chem of Cem.Paris:[sn],1980.Vol. Ⅶ-1/3.

作者简介： 徐长伟（1972- ），男，教授，研究方向：生态建筑材料。