气凝胶对套筒灌浆材料性能的影响

陈佳宁， 刘凤东， 白锡庆， 王冬梅， 王建恒

（天津市建筑材料科学研究院有限公司，天津 300381）

近年来，随着我国建筑产业现代化和传统建筑业转型升级的迫切需要，装配式建筑在新建筑中比例不断提高[1]。套筒灌浆钢筋连接技术作为装配式建筑构件的连接方式，其材料性能优劣对装配式结构安全性及耐久性等均起着至关重要的作用，国内外学者对套筒灌浆材料的力学强度、流动性及膨胀性等性能做了大量的研究[2]。本文引入气凝胶作为套筒灌浆材料的添加剂并就其对套筒灌浆材料性能的影响进行研究。

1 试验材料和方法

1.1 材料

唐山冀东水泥集团生产的P·O 52.5普通硅酸盐水泥；0.6 mm以下连续级配河砂；Sika 325C聚羧酸减水剂；日本电气化学HP-CSA型膨胀剂；市售200目石英粉；自制粒径400目、孔隙率98%、比表面积920 m2/g、接触角140°气凝胶。

1.2 方法

1）搅拌方法、流动度、抗压强度性能指标参照JG/T 408—2019《钢筋连接用套筒灌浆材料》，终凝时间参照GBT 175—2007《通用硅酸盐水泥》。

2）配合比见表1。

表1 试验原材料配合比

续表1

2 结果和讨论

2.1 对流动性的影响

气凝胶作为添加剂引入到套筒灌浆材料体系加水搅拌后，其初始流动性和30 min流动性见图1。

图1 不同气凝胶掺量对套筒灌浆性能的影响

从图1可以看出：随着气凝胶掺加量增加套筒灌浆材料的初始流动性和30 min流动性均有所增大且不存在明显的沉降和泌水现象；当气凝胶材料的添加量增大到0.6 g以后，套筒灌浆材料的初始流动性和30 min流动性均趋于稳定。

由于试验所用气凝胶材料接触角在140°左右具有一定的憎水效果[3]，降低了套筒灌浆材料的黏度，提高了套筒灌浆材料的流动性能；气凝胶具有较低的重度，掺量为0.4 g时开始出现明显的上浮；随着掺量增大上浮现象越发明显，导致在套筒灌浆材料中气凝胶能够起到作用的有效掺量比例降低，气凝胶掺量增大对套筒灌浆材料流动性能的增强效果减弱。

2.2 对终凝时间的影响

通过添加不同比例的气凝胶材料对套筒灌浆材料的凝结时间进行了试验研究，见表2。

表2 不同掺加量气凝胶对套筒灌浆材料终凝时间的影响

从表2可以看出：随着气凝胶添加量增加，套筒灌浆材料的终凝时间逐渐缩短。这是因为气凝胶材料对套筒灌浆材料中的水泥水化存在明显诱导效应，导致水泥水化速度增快，终凝时间缩短。

气凝胶重度较小并有一定的疏水效果，因此套筒灌浆材料加水搅拌后部分气凝胶会分散在套筒灌浆材料中，部分会上浮在套筒灌浆材料表面，导致能够对水泥水化起到诱导效应的气凝胶有效组分降低；当掺量超过0.4 g以后，气凝胶在套筒灌浆材料中出现明显的上浮现象，对套筒灌浆材料的水泥水化的诱导能力较低掺量时有所降低，因而随着气凝胶掺量的提高，套筒灌浆材料的凝结时间逐渐缩短，但对套筒灌浆材料水泥水化诱导能力有所降低。

2.3 对抗压强度的影响

对添加不同气凝胶掺量的套筒灌浆材料不同龄期的抗压强度进行对比研究，见图2。

图2 不同掺量的气凝胶对套筒灌浆材料不同龄期抗压强度性能的影响

从图2可以看出：气凝胶不同掺量的套筒灌浆材料各个龄期的抗压强度均有一定程度提高。对于1 d和3 d而言，气凝胶引入后对套筒灌浆材料中水泥水化存在一定的诱导效应，套筒灌浆材料中的水泥水化速度加快，从而凝结时间缩短，因而1 d和3 d抗压强度有所提高。试验中所用的气凝胶材料在制备过程中采用三甲基氯硅烷作为改性剂，因此具有明显的疏水效应并且重度较低[4]，在套筒灌浆材料加水搅拌后存在明显的上浮现象且随着掺量的提高套筒灌浆材料体系中的气凝胶上浮现象越发明显，在套筒灌浆材料中气凝胶的有效组分比例降低，随着气凝胶掺量的提高对套筒灌浆1 d和3 d抗压强度的提升幅度降低；气凝胶不同掺量的套筒灌浆材料28 d抗压强度也有所提升，虽然气凝胶对套筒灌浆材料中的水泥水化存在一定的诱导效应，导致套筒灌浆材料早期强度有所提升，但对套筒灌浆材料远期抗压强度没有明显的影响；掺加气凝胶的套筒灌浆材料28 d远期抗压强度提高的原因在于试验中所用的气凝胶细度为400目，比套筒灌浆材料中的粉体材料具有更小的粒度，套筒灌浆材料经过充分水化后体系更为均匀、致密，导致套筒灌浆材料28 d的远期抗压强度有所提高；同时，气凝胶在套筒灌浆材料加水搅拌后存在一定的上浮现象，导致虽然掺量增加但有效组分的比例却在降低，对套筒灌浆材料远期抗压强度的影响随着掺量的提高有所弱化。

2.4 对表观、沉降和泌水性的影响

气凝胶的掺量增大上浮现象更加明显且由于气凝胶上浮带出一定量的气泡导致表面气泡量明显增多。在掺加气凝胶的套筒灌浆材料中，由于气凝胶具有一定的疏水性能，导致套筒灌浆材料加水搅拌后气凝胶分散到套筒灌浆材料体系中，套筒灌浆材料黏度有所降低，流动性能增强，出现轻微的沉降现象。在套筒灌浆材料中引入气凝胶降低了体系黏度，对套筒灌浆材料的泌水性没有明显的影响。

3 结论

在套筒灌浆材料中引入低掺量的气凝胶材料能够降低套筒灌浆材料体系的黏度，从而提高流动性；气凝胶对套筒灌浆材料中的水泥水化具有一定的诱导效应，因此能够一定程度提高套筒灌浆材料的早期抗压强度性；与此同时，由于气凝胶材料具有较小的尺寸效应，掺加了气凝胶材料的套筒灌浆材料水化产物更为致密，从而具有更好的后期强度；由于气凝胶较轻的重度和疏水性能，在套筒灌浆材料加水搅拌后出现一定的上浮现象，同时带出部分气泡富集在套筒灌浆材料表面，导致套筒灌浆材料会产生轻微的沉降现象。