低负温钢筋套筒灌浆料发展研究综述

吴兴杰，肖 豪，刘广英，张 昊，孟 飞，李卫军

(1.滁州学院 土木与建筑工程学院，安徽 滁州 239000；2. 中铁七局集团第五工程有限公司，郑州 450016；3.南京汇康网络科技有限公司，南京 211100)

装配式建筑由于其节能、环保、建设周期短的特点，受到了前所未有的重视，近年来得到快速的发展[1-2]。钢筋套筒灌浆连接作为装配式建筑中构件连接的重要方式，其套筒接头连接质量是影响装配式混凝土结构可靠度的关键因素，因此钢筋套筒连接使用的灌浆料性能也得到了越来越多的关注和研究。对于常温下使用的灌浆料，目前已经得到较多研究。但是中国国土辽阔，高纬度及高海拔地区冬季温度低、持续时间较长。例如黑龙江地区，每年满足常温施工条件的时间仅有4个月；青藏高原地区气温低、温差大，年平均气温为-6.9～-4 ℃，1 a中出现日正负温度交替的时间为180 d[3]。

钢筋套筒灌浆料在低负温环境中(环境温度低于5 ℃)，会影响灌浆料的水化及强度增长，从而影响装配式建筑整体的可靠度[4]。因此，研制适用于低负温环境下使用的灌浆料对于装配式建筑的冬季施工和推广显得极为重要。当前，针对低负温套筒灌浆料，主要是通过改变胶凝材料的组成、添加不同的掺合料和外加剂对其进行配制及应用研究。

1 胶凝材料对低负温灌浆料的影响

胶凝材料作为灌浆料的主要组成成分，很大程度上决定了灌浆料在低负温条件下的物理力学性质。很多学者利用不同种类的水泥进行灌浆料的配制，并研究相应灌浆料的物理力学性能[5]。现有文献中经常采用快硬水泥、普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、高铝水泥中的一种或几种相互掺和，作为低负温灌浆料的胶凝材料[6]。

朱清华等[7]利用快硬水泥作为胶凝材料配制了低负温钢筋套筒灌浆料。主要利用快硬水泥负温水化活性高[8]，在低负温条件下水化速率比普通硅酸盐水泥快得多，且在较短时间内能够获得较高强度[9]。但由于快硬水泥凝结速度过快[10]，初凝时间在30～50 min，终凝时间在40～90 min，需要对快硬水泥凝结时间进行调整，使灌浆料具有足够的施工操作时间。

董淑慧等[11]、谢松等[12]、马正先等[13]在普通硅酸盐水泥的基础上掺加硫铝酸盐水泥作为低负温套筒灌浆料的胶凝材料。试验结果发现，胶凝材料中硫铝酸盐水泥含量的增加会使灌浆料的流动度降低，同时使灌浆料抗压强度有一定的增长，但增长幅度较小。

马正先等[13]、李本友等[14]在普通硅酸盐水泥中复配高铝水泥作为胶凝材料。由于高铝水泥水化产物为CAH10或C2AH8及AH3凝胶，会与普通硅酸盐水泥水化生成的Ca(OH)2反应而快速转变为C3AH6，而Ca(OH)2的大量消耗又会进一步加快水泥的水化；同时，当普通硅酸盐水泥中的石膏同铝酸盐发生反应后，就无法起到缓凝的作用。因此，以普通硅酸盐水泥复配高铝水泥作为胶凝材料的灌浆料水化速度非常迅速，强度增长较快。灌浆料的流动度随着高铝水泥含量的增加而减小，当高铝水泥的掺量达到胶凝材料总量的45%时，灌浆料浆体基本丧失流动性。灌浆料的强度随着胶凝材料中高铝水泥含量的增加而明显升高。仅含有普通硅酸盐水泥的灌浆料在-5 ℃环境下凝结硬化的速度很慢，龄期3 d时的强度也仅为10 MPa左右，如图1所示；高铝水泥的含量达到25%时，灌浆料在-5 ℃条件下养护1 d后，灌浆料抗压强度可达到30 MPa。随着高铝水泥含量的增加，灌浆料在负温环境下养护的抗压强度接近于常温养护的抗压强度。

图1 高铝水泥掺量对流动度和1 d抗压强度的影响[14]

另外，李本友等[14]同时将普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和高铝水泥三者混合配制低温灌浆料，发现三者复配后灌浆料的性能比任意两种水泥复配的强度都高。

2 矿物掺合料对低负温灌浆料的影响

矿物掺合料可以明显改善水泥基材料的工作性能以及硬化浆体的各项指标，在水泥基材料中有着广泛的应用。矿物掺合料对水泥基材料性能的改善效果与矿物掺合料的种类、粒径分布、颗粒形貌、亲水性等特征密切相关。很多学者通过在常温灌浆料中添加矿物掺合料以调整灌浆料的性能[15]，使灌浆料能够适应低负温的施工环境，经常选用的矿物掺合料主要有矿粉、粉煤灰和硅灰。

矿粉中的主要活性物质为SiO2和Al2O3，同水泥水化产生的Ca(OH)2反应生成具有粘结作用的C-S-H和AH3凝胶，逐渐填充骨架的空隙，从而使水泥石结构更为密实，增强了水泥浆与骨料的结合，改变了套筒灌浆料的微观结构[16]。而粉煤灰的颗粒较细，在灌浆料中产生“填充效用”和“微骨料效应”[17]。研究发现，随着矿粉和粉煤灰含量的增加，灌浆料的初始流动度和30 min流动度都逐渐下降，分析认为是由于掺加的矿粉和粉煤灰起到了填充的作用。随着矿粉和粉煤灰含量的增加，不同龄期灌浆料抗压强度都呈现出先增加后减小的趋势，如图2所示。当矿粉与粉煤灰含量偏少时，随着掺合料含量的增加，掺合料的反应产物使灌浆料逐渐密实，强度逐渐增加；随着矿粉与粉煤灰含量的继续增加，胶凝材料含量相对减少，导致灌浆料强度开始逐渐降低[18]。

硅灰掺入灌浆料后，硅灰颗粒分散在水泥颗粒之间，硅灰表面的活性物质使硅灰颗粒相互排斥，而且硅灰颗粒的粒径远远小于水泥颗粒粒径，水泥颗粒在灌浆料中会被分散，因而硅灰能够在灌浆料中起到润滑的作用，因此，硅灰的掺入会使灌浆料的流动性有所增加[19]。随着灌浆料中硅灰掺量的增加，灌浆料的抗折强度先增加后减小，而抗压强度变化不大。

图2 矿粉掺量对灌浆料抗压强度的影响[15]

3 外加剂对低负温灌浆料的影响

外加剂种类丰富，能够明显改善灌浆料的性能，在水泥基材料中得到广泛的应用。在研制低负温套筒灌浆料的过程中，很多学者通过向灌浆料中添加各种外加剂，以使灌浆料满足在低负温条件下使用的要求，常用的外加剂有防冻剂、早强剂、缓凝剂和激发剂，如表1所示。

表1 低负温灌浆料常用的外加剂

防冻剂主要选用的材料有硝酸钠、甲酸钙、碳酸钠和硫酸钠。整体而言，防冻剂的掺入，在标准条件和低温环境下均可以提高灌浆料的强度[13]。但是不同种类的防冻剂对于灌浆料的影响各有区别。李本友等[14]利用硝酸钠和甲酸钙作为防冻剂掺入到灌浆料中，发现硝酸钠和甲酸钙会略微影响灌浆料抗压强度，但影响不大。马正先等[20]分别以硝酸钠、甲酸钙、硫酸钠作为防冻剂，发现随防冻剂掺量增加，灌浆料流动度呈减小趋势。硝酸钠和甲酸钙使灌浆料强度先增加后减小；硫酸钠使灌浆料强度增加。

早强剂主要选用的材料是碳酸锂。碳酸锂的主要成分为Li2CO3，其与水泥的水化产物Ca(OH)2发生反应，能够生成高碱度的LiOH，从而使水泥水化环境的碱度得到提高。而OH-可取代Al3+周围的水分子，降低[Al(OH)6]3-八面体成核的自由能和晶核的临界尺寸，这种变化使晶核的生成速率增大，使[Al(OH)6]3-八面体更容易形成。同时，LiOH是强碱，在水中电解后产生的Li+与OH-形成四配位结构，该四配位结构可促进[Al(OH)6]3-八面体的聚合。因此，Li2CO3可以加速水泥的水化进程。马正先等[20]发现碳酸锂含量的增加会加速灌浆料的凝结，使灌浆料的强度有一定增加。但董淑慧等[11]发现随着碳酸锂掺入量的增加会削弱灌浆料抗压强度。

缓凝剂主要选用的材料有石膏、酒石酸和硼砂。缓凝剂的添加会使灌浆料凝结缓慢，并导致灌浆料强度降低。石膏缓凝机理在于其能够消耗水化铝酸钙而生成钙矾石，钙矾石的生成有利于提高灌浆料的早期强度，同时可以减小水泥收缩。另外，在高浓度Ca(OH)2溶液中，钙矾石生成的过程会使大量水聚集，进而引起膨胀。酒石酸能够明显延缓灌浆料的初凝和终凝，同时也会导致灌浆料在负温下凝结缓慢，使灌浆料的强度稍有削弱。酒石酸具有表面活性，吸附在水泥颗粒表面生成不溶性钙盐的膜层，产生缓凝作用。李本友等[14]向灌浆料中添加石膏和酒石酸，发现两者均具有延缓灌浆料凝结的作用，但两者掺量的增加均会使灌浆料抗压强度降低。马正先等[20-21]发现向灌浆料中添加过量石膏，会使灌浆料强度快速降低。顾旭东等[22]利用硼砂作为缓凝剂发现，随着硼砂掺量的增加，灌浆料流动度逐渐增加，凝结时间延长。当硼砂掺量达到0.7%时，30 min流动度反而超过初始流动度；而当掺量超过0.7%后，灌浆料就会产生离析和泌水的现象。

另外，谢松等[23]以七铝酸十二钙作为激发剂掺加到灌浆料中，发现激发剂的掺量对灌浆料流动度和凝结时间的影响不大，但可以使灌浆料4 h抗压强度大幅度增加。

4 当前研究的不足及研究方向展望

可以看出，很多学者针对低负温灌浆料研制已经做出了大量的工作和努力，但低负温灌浆料的研究涉及的内容较为广泛，根据已有文献对当前研究现状的总结发现还存在以下不足：

1)微观机理研究不足。目前的研究大多通过改变胶凝材料组成、添加掺合料和外加剂的方法改变灌浆料的组成，研究不同组成成分对灌浆料宏观物理力学性能的影响，如流动度、抗压强度、抗折强度等。但是，灌浆料的宏观物理力学性能是由各组成成分的综合水化反应结果所决定的[24]，还要从微观角度研究灌浆料各组成成分水化反应过程，探究灌浆料物理力学性质微观机理的研究不足。针对灌浆料微观机理研究存在的主要困难在于两个方面：第一，灌浆料的水化反应结果并非是各组成成分水化结果的集合，水化过程中各组成成分之间会产生相互的影响，灌浆料的组成成分比较复杂，胶凝材料可以有多种组成，同时还可能掺加多种矿物掺合料和外加剂，从微观上分析将是一种更为复杂的反应进程。第二，从微观角度进行机理研究需要新的研究手段，针对灌浆料的化学组成及微观形貌进行研究，对灌浆料水化过程及水化结果进行机理分析。

2)灌浆料与钢材的协同工作性能研究不足。当前研究主要针对灌浆料本身的物理力学性能，但在实际应用中，灌浆料需要和套筒、钢筋共同工作。因此，在当前针对灌浆料性质研究的基础上，应该进一步开展灌浆料和套筒、钢筋的协同工作性能研究。

针对低负温灌浆料应用的发展趋势及当前研究的欠缺，未来针对低负温套筒灌浆料的研究可以从如下方面进行：

1)宏观与微细观研究的结合。利用XRD及SEM等手段研究灌浆料的水化过程及微观结构的形成，并根据宏观物理力学性质，建立宏观性质与微细观结构间的联系，从而探究灌浆料不同组成成分对其性能影响的机理。

2)养护条件对灌浆料力学性能的影响。灌浆料力学性质除受自身组成成分影响外，还较大程度受到养护条件的影响。可以通过改变养护条件，分析灌浆料力学性能的变化规律，探究养护条件对低负温灌浆料力学性能的影响。

3)钢筋套筒灌浆试件整体性能研究。在低负温灌浆料性能及机理研究的基础之上，利用钢筋套筒、钢筋及低负温灌浆料，制作钢筋套筒灌浆试件，根据低负温环境下试件的性能发展，研究低负温灌浆料同钢筋套筒、钢筋之间的协同作用效果，以及灌浆料与钢材之间的耦合性能。

5 结束语

随着装配式建筑的不断发展，适用于低负温环境的套筒灌浆料的研制迫在眉睫，很多学者已经针对低负温灌浆料的研制做了大量的工作和努力，从低负温灌浆料的研制到工程应用还有很多的问题需要解决。可以预见，低负温套筒灌浆料的使用对于装配式建筑在冬季和高海拔地区施工都具有重要的作用。