钢筋套筒灌浆料的研制与效果评价

马先伟，赵林林，尤培波，武海荣，朱 凯，张建武

(河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036)

装配式混凝土建筑是目前主推建筑结构形式之一，钢筋套筒灌浆连接是混凝土剪力墙和承压柱竖向钢筋连接的推荐方式。灌浆料作为钢筋和套筒之间的黏结材料，其性能好坏直接影响钢筋连接的牢固性和结构的安全性。

目前，钢筋套筒灌浆料按组成可分为硅酸盐水泥+膨胀剂、硫铝酸盐水泥和硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复合。膨胀剂虽对硅酸盐水泥高强灌浆料的早期强度和抗收缩性有利，但会降低后期强度[1]，且膨胀量和膨胀持续时间难以做到与自收缩发展相匹配。硫铝酸盐水泥灌浆料虽早期强度较高，但后期强度难以达到要求。硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥复合灌浆料兼顾了硫铝酸盐水泥的早强特性和硅酸盐水泥后期强度稳步增长的特点，但其性能对它们的比例非常敏感。滕飞、杨清等发现了随着硫铝酸盐水泥增加，凝结时间快速降低，流动性降低，抗压强度在20%前降低，此后持续增加[2-3]。任宏伟等[4]发现：当硫铝酸盐水泥占水泥总量的比例小于50%时，1 d强度在20 MPa以下，当超过60%时，可以达到35 MPa。然而，黄石明等[5]发现当硫铝酸盐水泥与硅酸盐水泥比例为28、硅灰掺量3%和水胶比0.22时，1 d和3 d抗压强度分别达到36.9 MPa和63.6 MPa。这种结果的差异与硫铝酸盐水泥组成和种类有关。因此，需要结合具体的硫铝酸盐水泥做进一步研究。

施工中稳定的流动度是保证浇筑质量的前提，但若流动度损失小，势必会影响到早期强度，两者难平衡性导致灌不满现象非常普遍。匡志平等[6]发现钢筋与灌浆料间的黏结承载力主要受灌浆料饱满度影响。陈曦等[7]发现灌浆饱满度对连接试件的拉伸性能有显著影响，较低的饱满度会导致钢筋滑移破坏。此外，灌浆饱满度也难以评价或评价方法不易实施。因此，本文采用硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥复合配制灌浆料，研究其比例变化对灌浆料流动性、强度和竖向膨胀率影响，同时通过图像法和拉伸法来评价灌浆料和套筒及钢筋的结合力，为钢筋套筒灌浆料的制备和效果评价提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

水泥采用平顶山大地水泥有限公司生产的PO42.5，硫铝酸盐水泥为42.5低碱度硫铝酸盐水泥；粉煤灰采用姚孟电厂的II级灰，硅灰采用洛阳汇矽微硅，高吸水树脂SAP采用D50为100 μm的粉状颗粒，早强剂采用三乙醇胺，砂子采用天然河砂，粒径在0.15～2.36 mm，含泥量小于0.5%。减水剂采用科之洁的聚羧酸减水剂，固含量40%。

套筒采用中建机械洛阳有限公司生产的滚压型全灌浆套筒，型号为GTJQ 16。套筒外径D2为42 mm；套筒总长L为310 mm；预制端锚固长度L0为135 mm；装配端锚固长度L1为135 mm。钢筋和木制仿制筋的直径为16 mm，其中钢筋等级为HRB600。

1.2 试验方法

将水泥、硅灰、粉煤灰、早强剂、减水剂和水先慢速搅拌30 s，然后快速搅拌2 min，再加入河砂快速搅拌1 min。

灌浆料的流动度、强度和竖向膨胀率按照 《钢筋连接用套筒灌浆料》(JG/T 408-2019)提供的方法进行。试验温度保持在20 ℃±1 ℃。试样尺寸为40 mm×40 mm×160 mm。为了与现场情况相似，强度和膨胀试样成型时试模内部先放置塑料薄膜，成型后表面用塑料薄膜包裹。灌浆料组成见表1。

表1 灌浆料组成设计

灌浆料与钢筋及套筒的黏结力通过钢筋拉伸试验进行测试。先把钢套筒和钢筋竖直固定好，采用压力枪把灌浆料从进料口压入套筒内，直到灌浆料从出料口流出，停止注浆，用橡皮塞塞住进、出料口，并补齐上口浆料。上下面密封好后，养护到一定龄期，用WAW-1000型电液伺服万能试验机进行拉伸试验。当钢筋发生断裂或强度达到最大屈服强度后，停止试验。

灌浆料饱满度采用切片法。成型方法同上，采用同尺寸的塑料套筒和木棍替代。20 ℃养护28 d后，使用切割机将塑料套筒切成厚5 mm左右的薄片，用超景深三维视频显微镜观察灌浆料在套筒和仿制筋周围的填充程度，以评价灌浆饱满度。

2 结果与讨论

2.1 灌浆料流动性

图1 掺SAP灌浆料的流动度

图2 掺SAP灌浆料的抗压强度

图3 未掺SAP灌浆料的抗压强度

掺SAP灌浆料的初始流动度及30 min流动度如图1所示。随着硫铝酸盐水泥掺量增加，灌浆料的初始流动度和30 min流动度减小。相对初始流动度而言，30 min流动度在硫铝酸盐水泥掺量超过4%时变化比较明显，到10%时减小了大约30 mm，这表明硫铝酸盐水泥逐渐发挥其快速凝结的特性，因此其掺量不易过大，以免影响浇筑效果。其他研究者也发现了类似现象[2-3]。

在本研究中掺入10%的硫铝酸盐水泥仍满足初始流动度大于300 mm和30 min流动度大于270 mm的要求。

2.2 灌浆料抗压强度

(1)掺SAP灌浆料

掺SAP灌浆料分别养护1 d、3 d、28 d后的抗压强度见图2。1 d时硫铝酸盐水泥掺量在小于4%时，对强度影响不大，超过4%时强度明显降低。但在3 d时，硫铝酸盐水泥掺量在2%～4%时具有较高的强度，大于5%时，强度降低较快。在28 d时，硫铝酸盐水泥掺量在1%～6%时强度增加比较明显，增加了约20 MPa。

硫铝酸盐水泥对水化影响与石膏在硅酸盐水泥中的作用相似，其主要组成硫铝酸钙将会快速与石膏和水反应形成钙矾石，形成的钙矾石对于早期强度发展有利，但掺量较高时，形成的钙矾石可能会影响到C3S的水化，从而影响早期强度的发展。30 min流动度变化也验证了硫铝酸盐水泥对水化的影响。

从1 d到28 d强度发展来看，硫铝酸盐水泥掺量应控制在5%以内。尽管28 d强度较高，但1 d和3 d强度仍略低于标准要求，需要进一步改进。

(2)未掺SAP灌浆料

本体系最初希望通过SAP和硫铝酸盐水泥协同降低自收缩的影响，从以上结果来看，早期强度比较低。这与SAP孔形成和它对早期水化延迟作用有关[8]。同时，硫铝酸盐水泥具有一定膨胀性和早强效果。因此，在组成中去掉SAP，能够更好发挥硫铝酸盐水泥的早期作用。

结合上述影响，主要考虑3%、6%和9% 3个掺量，灌浆料流动性指标仍符合标准要求，各龄期强度如图3所示。未掺SAP灌浆料强度随硫铝酸盐水泥掺量变化与掺SAP时相似，而且强度进一步提高，在掺量3%～6%时1 d和3 d强度均达到标准要求，28 d强度也达到110 MPa。

2.3 灌浆料膨胀性

未掺SAP灌浆料24 h竖向膨胀率如图4所示。未掺硫铝酸盐水泥时，浆体出现收缩，这与其较低的水胶比有关。当水胶比小于0.36时，即使采用浇水保湿，仍会产生自收缩，而硅灰的加入会进一步增大自收缩[9]。本体系的水胶比只有0.24，还含有10%的硅灰，且采用密封养护，因此自收缩比较大。硫铝酸盐水泥掺量在3%时，还不足以消除自收缩，产生稍微地收缩，当大于3%时呈现竖向膨胀，不过膨胀率不大，掺量9%时的膨胀率仅有0.035%，属于微膨胀。这种微膨胀不会引起开裂，有助于增加灌浆料与钢筋及套筒的黏结力。

2.4 灌浆料与钢筋及套筒的结合

灌浆料的灌浆效果除了自身强度之外，还在于能否有效填充钢筋与套筒之间的间隙，即饱满度。饱满度也直接影响灌浆料与钢筋及套筒间的黏结力，本文通过钢筋拉伸试验和显微结构分析来判定其灌浆料、钢筋和套筒间的黏结力。

(1)拉伸性能

未掺SAP灌浆料连接钢筋套筒试件的拉伸性能见图5和表2。

图4 竖向膨胀率随硫铝酸盐水泥掺量变化

图5 硫铝酸盐水泥掺量对试件拉伸性能的影响

试件的拉伸性能与钢筋相似，也表现出钢筋4个受拉阶段，且与钢筋屈服强度相等，即在屈服阶段前后主要表现为连接钢筋的变形。当未掺入硫铝酸盐水泥时，试件塑性变形最小，抗拉强度也较小，当掺入硫铝酸盐水泥时，抗拉强度与钢筋相近(见表2)，只是变形量相对较小，其中掺量6%和9%时变形相差不大。

表2 抗拉强度与硫铝酸盐水泥掺量的关系

从最终破坏形态来看，套筒外钢筋被拉断(见图6)。高润东等[10]认为套筒灌浆料在加载过程中，如果钢筋发生屈服，均是接头外钢筋发生屈服，接头内钢筋一般不再屈服。匡志平等[6]发现当黏结承载力达到钢筋抗拉承载力时,破坏形态由黏结破坏 (灌浆料劈裂或钢筋拔出) 转变为钢筋拉断。因此，所研制的灌浆料与套筒及钢筋间黏结力比较大，受拉时表现为钢筋屈服和破坏，从而实现竖向钢筋间的有效连接，保证结构的稳定性。

图6 试件最终破坏状态

(2)灌浆饱满度

对试件沿轴线进行横向切割，切片在超景深三维视频显微镜下显微结构如图7所示，每幅图的左边表示套筒与灌浆料之间的界面，右边为灌浆料与仿钢筋木棍的界面。

(a) 0%

(b) 3%

(c) 6%

(d) 9%

灌浆料与套筒之间结合非常紧密，没有明显的缝隙，同时灌浆料也比较密实，气孔较少。然而，代替钢筋的木棍与灌浆料之间的结合受到硫铝酸盐水泥掺量的影响。在未掺和掺3%硫铝酸盐水泥的试样中木棍与灌浆料之间有明显的间隙，而在掺量6%和9%的试样中它们的结合非常紧密。这些间隙的产生与灌浆料自收缩有关。由于木棍吸水，造成周围浆体水胶比进一步降低，致使这部分浆体自收缩增加，而塑料套管不吸水，影响较小，在木棍与浆体接触处出现了间隙。这在一定程度上降低了抗拉强度。随着硫铝酸盐水泥掺量的增加，膨胀量增大，使这部分间隙得到有效填充，试件的抗拉强度得到提高。

由于钢筋不吸水，其与灌浆料的结合与木棍不同，其断面不太容易得到，因而有必要对木棍表面进行处理，并做进一步研究。

3 结论

(1)灌浆料流动度随硫铝酸盐水泥掺量的增加而降低，合适掺量可以保证较高的早期强度和后期强度，并处于微膨胀状态，而SAP的存在会影响硫铝酸水泥的增强效果。

(2)硫铝酸盐水泥提高了硅酸盐水泥灌浆料与钢筋及套筒的结合力，使其具有单根钢筋相似的变形行为和抗拉强度，实现了钢筋的有效连接。