负温钢筋套筒灌浆料研究进展

李 辉，马先伟,赵林林，杨乐乐，张建武

(河南城建学院 土木与交通工程学院，河南 平顶山 467036)

钢筋套筒灌浆连接是装配式建筑钢筋连接的主要方式，而灌浆料的质量决定了钢筋连接的效果。现有研究大多集中于常温灌浆料，但很多时候施工温度在0 ℃以下，而常温灌浆料5 ℃以下已不能达到质量要求[1]，在负温下极易被冻害，强度无法有效增大[2]。李文博[3]发现普通硅酸盐水泥-硫铝酸盐水泥-二水石膏的复合套筒灌浆料在5 ℃时已无法满足要求。

同时，环境温度对灌浆料流动度也有一定影响，-10 ℃时灌浆料流动度迅速降低，难以满足标准要求[4]。因此，需要一种适合在5 ℃以下使用的灌浆料，即低温(5 ℃以下)灌浆料，尤其是负温(0 ℃以下)灌浆料。

尽管负温下混凝土通过保温、蒸养、加早强剂或引气剂等措施可以满足工程要求，但钢筋套筒灌浆料用量少，且套筒和钢筋易散热，保温或蒸养在施工中也不易实现；同时，负温下仅靠早强剂难以达到1 d 35 MPa的要求[1]，而引气剂会造成强度损失。对负温灌浆料的研究虽然取得了一定进展，但仍有许多问题有待解决(如灌浆料组成设计、外加剂的选用等)，在工程中使用效果也较差。此外，低温环境的复杂性增加了实际应用的难度。因此，本文从胶凝材料组成、外加剂、养护等方面对相关研究成果进行总结和分析，找出存在的主要问题，以更好促进负温灌浆料的制备和工程应用，从而推动装配式建筑的发展。

1 胶凝材料体系

胶凝材料的组成决定了灌浆料的水化速率和强度发展。常用的灌浆料有纯硅酸盐水泥体系、纯硫铝酸盐水泥体系和复合水泥体系。复合水泥体系有二元复合(硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合)、三元复合(硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和高铝水泥复合)等。

图1 硅酸盐与硫铝酸盐水泥复配比例对强度的影响[5]

在负温条件下，纯普通硅酸盐水泥体系早期强度较低，而快硬硅酸盐水泥30 min流动度难以满足；通常硅酸盐水泥需要加入防冻剂、早强剂等，但负温时单掺外加剂难以获得较高的早期强度[1]。普通硫铝酸盐水泥体系虽然早期强度较高，但28 d强度难以达到要求。为此通常采用2种或3种水泥复合。董淑慧等[5]发现随着硫铝酸盐水泥取代硅酸盐水泥量的增加，灌浆料抗压强度先增大后降低，合适比例为8515，如图1所示。马正先等[6]发现在普通硅酸盐水泥中同时掺入高铝水泥和硫铝酸盐水泥的效果优于单掺高铝水泥或硫铝酸盐水泥，三者合适的比例为721。此外，环境温度不同，不同类型灌浆料的流动度也不同，如表1所示。

表1 不同类型灌浆料的低温流动度[2]

总的来说，单一硅酸盐水泥或硫铝酸盐水泥难以满足要求，应采用二元或三元复合体系，但由于高铝水泥或硫铝酸盐水泥和硅酸盐水泥之间会相互影响，造成性能损失，需要注意三者之间的比例关系。

2 外加剂的影响

要保持负温下灌浆料的可施工性和较高的早期强度，需要加入一些外加剂。在硅酸盐水泥灌浆料中，亚硝酸钠效果较好，甲酸钙和三乙醇胺次之，碳酸锂较差，但是在-5 ℃时均达不到强度要求，且1 d强度偏低[1]，如表2所示。在硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合灌浆料中碳酸锂对强度影响不大，而甲酸钙有负面影响[5]。在硅酸盐水泥、高铝水泥和硫铝酸盐水泥复合灌浆料中硫酸钠、甲酸钙、硝酸钠对强度有一定提高作用[7]。这表明早强剂在不同体系中作用效果存在差异。此外，在三元复合灌浆料和硅酸盐水泥灌浆料中硅灰、矿粉和粉煤灰对流动性和强度的影响效果相似[8]。

表2 不同早强剂对硅酸盐水泥灌浆料低温(-5 ℃)抗压强度的影响[1]

同时，外加剂也会影响到灌浆料流动性。陶成云等[4]发现-5 ℃时塑性膨胀组分掺量对硫铝酸盐水泥灌浆料流动度影响不大，高性能防冻组分对初始流动度均有提高作用，不过对30 min流动度无明显影响，而早强组分对流动度有负面影响。硫酸钠对三元复合灌浆料流动度的不利影响较大，硝酸钠较小，且复掺更明显；石膏、酒石酸起到缓凝作用，而碳酸锂起到促凝作用[7]。

李本友等[9]发现在普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和高铝水泥复合灌浆料中掺加促凝剂、缓凝剂和防冻剂后，早期强度可以满足-5 ℃的使用要求。杭鑫坤[10]采用70%PO 52.5水泥、20%高铝水泥和10%硫铝酸盐水泥复合，并加4%硅灰、12%石膏、0.16%酒石酸、0.16%碳酸锂、0.4%硝酸钠及适量聚羧酸型减水剂，在胶砂比为11和水胶比0.28时，获得满足-5 ℃要求的灌浆料。此外，谢松等[11]在硅酸盐水泥中加入激发剂(主要成分C12A7)、超细矿粉(21 060 cm3/g)及缓凝剂，灌浆料在-5 ℃时可操作时间充足，4 h强度达35 MPa以上，3 d强度达60 MPa以上。

从上面分析看，在负温条件下，防冻剂、早强剂及缓凝剂是调节灌浆料流动性和强度不可缺少的组分，但其作用会受胶凝材料组成体系的影响，应在胶凝材料设计确定的前提下，选择合适的外加剂，且应尽可能减少外加剂种类，以减少拌和的程序和成本。

3 养护条件的影响

养护温度和时间对灌浆料性能发展具有重要影响。谢松等[2]发现掺激发剂的硅酸盐水泥灌浆料可在负温下长期养护，如在-5 ℃养护28 d时抗压强度能达到85 MPa以上；硫铝酸盐水泥灌浆料只可在负温下短期养护，若-5 ℃养护7 d再继续标养28 d也可达85 MPa以上，如表3所示。朱清华[12]等认为一般情况下若能保证灌浆及灌浆后4 h套筒内温度不低于0 ℃，就可进行灌浆施工，即使最低温度低至-10 ℃，也不需采取任何加热保温措施。杨国刚等[13]发现0 ℃养护时对PO 52.5普通水泥和快硬硫铝酸盐水泥复合灌浆料的强度影响不大，但低于-5 ℃时需在-5 ℃以上预养4～5 h。顾旭东等[14]发现硫铝酸盐水泥灌浆料先在5 ℃预养护4 h后再在-5 ℃养护，3 d强度达到46.9 MPa，28 d强度达到87.2 MPa，如图2(a)所示。董淑慧等[5]发现先标养2 h后-5 ℃养护3 d再标养至28 d时复合防冻剂可以使硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥复合灌浆料1 d和3 d抗压强度提高2倍，28 d强度提高20%。

表3 不同养护方式下灌浆料的抗压强度[2]

然而，孙小魏等[1]发现硅酸盐水泥灌浆料10 ℃预养护2～8 h后在-5 ℃继续养护至28 d时强度均没有达到要求，建议提高预养护温度，如图2(b)所示。李文博[3]认为硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复合灌浆料在负温施工时应至少在10～20 ℃下预养护24 h，这种预养效果的差异与灌浆料的组成设计有关。顾旭东等采用的是硫铝酸盐水泥体系，孙小巍采用的是硅酸盐水泥体系，李文博采用的是硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥复合体系。对于灌浆料保温，李文博[3]发现套筒外壁缠绕电伴热带可以达到良好预热效果，如图3所示；李治[15]认为可以采用两层棉毡和两层塑料膜，同时保证套筒内温度不低于10 ℃。

此外，拌和水温度[1-3]和搅拌时间对负温灌浆料的性能也有一定影响。

(a)5 ℃预养24 h后，再-5 ℃养护至28 d[14] (b)10 ℃预养2～10 h，再-5 ℃养护至28 d[1]

图3 套筒外壁缠绕电伴热带预热效果[3]

从上面分析来看，在负温下适当的预养护对于灌浆料早期强度发展具有重要影响，但在实际工程中如何实现预养护是需要考虑的问题，如可预养的温度范围、有效的保温措施等。同时，在预养护温度和时间设计时需要考虑所用胶凝材料的组成设计。此外，原材料初始温度、拌和工艺等也需要综合考虑。

4 结论

(1)现有常温灌浆料基本上不能满足-5 ℃以下的使用要求，应重新设计其组成；采用硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥和高铝水泥三元复合体系制成的负温灌浆料效果较好，但相对比例比较敏感。

(2)早强剂、防冻剂和缓凝剂组合是保证负温灌浆料强度和流动性的较好选择，但需要综合考虑灌浆料性能来调整各自掺量。

(3)初始预养护是改善负温灌浆料强度的有效措施之一，但是如何在工程上实现预养护是需要考虑的问题，同时需要根据胶凝材料的组成来设计。

(4)满足工程要求的负温灌浆料非常少，尤其当环境温度为-5～-10 ℃时，需要进一步加强研究。