化学灌浆材料在装配式建筑中的应用研究

陈凌峰

（上海思博职业技术学院 建筑与工程学院，上海 201301）

引 言

随着人口的增多，为满足工作、生活的需要，建筑空间的规模越来越大，因此建筑建造量越来越大，但是随着大量建筑的建造，能源资源被大量消耗，并且造成了环境污染。另外，传统建筑建造模式还存在施工周期长、成本高、难度大、危险程度高等缺陷[1]。针对这种情况，一种新型建筑建造方式出现，即装配式建筑。这种建筑建造方式，顾名思义，是指预先制成建筑组成部件，然后在现场直接组合搭建而成的建造方式。这种方式效率高、成本低、风险低、污染小、且不受环境的限制，应用范围更加广泛。然而，装配式建筑也并不是完美无缺的，即构件之间的连接质量对装配式建筑有着直接影响[2]。目前，构件之间主要通过化学灌浆材料进行钢筋套筒连接，最终形成一个整体装配式建筑，因此化学灌浆材料在装配式建筑中起到了重要的作用，关系到建筑整体的稳定性和安全性。

针对这一问题，很多文献都进行了相关分析。例如，何思聪等人[3]选择5 种不同型号的灌浆料，通过抗压强度试验的方式，检验了其强度，为灌浆料的选择提供参考和建议。黄杉等人[5]在其研究中为了明确冬季低温环境对灌浆料的连接性能的影响，在低温（-5℃）条件下，对灌浆料力学性能和耐久性能进行研究[4]。甘正正在其研究中通过正交试验研究装配式建筑套筒灌浆料强度不同对其建筑性能的影响，提高套筒灌浆料的制备及应用质量。

结合前人研究经验，进行化学灌浆材料在装配式建筑中的应用研究，分析不同条件或工况下的化学灌浆材料在装配式建筑构件连接中的应用效果。通过本研究以期为装配式建筑的建造提供参考和建议。

1 原材料与设备

1.1 实验原材料

化学灌浆材料制备所需要的原材料如下表1 所示。

表1 实验原材料Table 1 The raw materials for experiment

1.2 仪器设备

试验所需要的仪器设备主要分为两类，一类用于化学灌浆材料制备；另一类用于化学灌浆材料在装配式建筑中的应用以及检测研究[6]。所需要的仪器设备如表2 和表3 所示。

表2 化学灌浆材料制备仪器设备Table 2 The instruments and equipment for the preparation of chemical grouting materials

表3 化学灌浆材料在装配式建筑中的应用设备Table 3 The application equipment for chemical grouting materials in prefabricated buildings

2 化学灌浆材料的配制

基于上述给出的原材料与设备仪器，配制化学灌浆材料，具体过程中下：

步骤1：设计化学灌浆材料配制方案。具体如表4 所示。

表4 化学灌浆材料配制方案Table 4 The preparation scheme of chemical grouting materials

步骤2：利用电子称量天平按照表4 化学灌浆材料配置方案称取原材料，并放置到材料容器中[7]。

步骤3：将所有干性原材料倒入行星式水泥胶砂搅拌机中，并启动设备，搅拌干料2 min，使得各种干料混合均匀[8]。

步骤4：边搅拌，边将水加入到混合干料当中，直至水与干料充分混合。

步骤5：按照配比将四种化学外加剂一起加入到搅拌机中，继续搅拌5min。

步骤6：取50g 用于化学灌浆材料性能测试，判断是否满足标准要求。性能测试包括流动性能测试、力学性能测试以及膨胀性能测试[9]。测试过程如图1所示。

图1 化学灌浆材料性能测试Fig. 1 The performance test of chemical grouting materials

化学灌浆材料性能测试结果如表5 所示。

表5 化学灌浆材料性能测试结果Table 5 The performance test results of chemical grouting materials

式中，K 代表膨胀率；F1试件龄期为t 时的高度读数；F0代表试件高度的初始读数；H 代表试件基准高度[10]。

流动性能标准要求来自《水泥胶砂流动度测试方法》GB/T2419-2016；力学性能标准要求来自《水泥胶砂强度检验方法》GB/TI7671-1999；膨胀性能标准要求来自《混凝土外加剂应用技术规范》中附录中的相关要求[11]。

经过三种测试，三种化学灌浆材料的流动性能、力学性能以及膨胀性能均符合标准要求，可以投入实际应用中。

步骤7：将三种化学灌浆材料剩余所有部分放入三联胶砂试模当中，然后放入到恒温箱中，在温度为20±1℃、湿度99%的条件下标准养护24h，等待用于最后的灌浆应用测试[12]。

3 化学灌浆材料在装配式建筑中施工工艺

基于上述章节2 制备好的化学灌浆材料，本章节分析化学灌浆材料在装配式建筑中的施工过程。装配式建筑中钢筋构件之间的连接是最常用的，因此本章节就钢筋之间的套筒连接工艺进行分析[13]。

步骤1：选择钢筋构件，即HRB400 型直径为20mm 热乳带肋钢筋；

步骤2：裁剪200mm 同等长度的钢筋，用于拉伸试验，研究化学灌浆材料在装配式建筑中的应用过程。

步骤3：准备与20mm 热乳带肋钢筋配套的标准套筒。该标准套筒的长度340mm；套筒内径50mm；套筒外径70mm[14]。

步骤4：将钢筋构件放入套筒中，如图2 所示。

图2 钢筋套筒示意图Fig. 2 The schematic diagram of reinforcing steel sleeve

步骤5：利用灌浆器从套筒灌浆口灌入制备好的三种不同的化学灌浆材料，如图3 所示。

图3 灌浆示意图Fig. 3 The diagram of grouting

步骤6：将灌好化学浆料的套筒放入ISO 水泥胶砂振捣台进行敦实，防止出现中空。

步骤7：将其放入三种环境中，即低温环境（-10℃）、室温环境（20℃）以及高温环境（50℃）中，等待浆料凝固。

浆料凝固后，制成所需要的试件，用于后续的应用效果检测中。

4 化学灌浆材料在装配式建筑中的应用效果测试

按照标准《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》（JGJ-355-2015）的要求进行拉伸试验，检测不同化学灌浆材料在装配式建筑中的连接强度，判断其应用效果。

采用液压式万能试验机对试件进行拉伸试验。持续恒定加载荷载（0→最大拉力（记录极限抗压承载力）→破坏），直至试件完成初始、屈服、强化以及颈缩等四个阶段反应[15]。单向拉伸试验设备现场如图4 所示

图4 拉伸试验设备现场Fig. 4 The field of tensile test equipment

试验过程中需要记录试件极限拉伸荷载与对应位移，由此计算抗拉强度以及粘结强度。计算公式如下：

抗拉强度P：

式中，X 代表极限破坏荷载（N）；d 代表钢筋直径；l 代表试件位移。

5 结果与分析

针对记录下的拉伸试验数据，绘制荷载与位移曲线，确定极限拉伸荷载，并以此计算拉伸强度和粘结强度。

5.1 低温环境下化学灌浆材料应用效果

低温环境（-10℃）下，基于拉伸试验数据，绘制荷载与位移曲线，如图5 所示。

从图5 中可以看出，方案1 化学灌浆材料下连接，试件的极限拉伸荷载为1382.36 N，对应的位移为25.36mm；方案2 化学灌浆材料连接下，试件的极限拉伸荷载为1400.50N，对应的位移为20.24mm；方案3 化学灌浆材料下连接下，试件的极限拉伸荷载为1370.21N，对应的位移为26.55mm。

图5 低温环境（-10℃）下试件荷载与位移曲线Fig. 5 The load and displacement curve of test piece at low temperature（- 10℃）

基于上述数据，计算化学灌浆材料在装配式建筑钢筋构件连接中的应用性能，结果如表6 所示。

表6 低温环境（-10℃）下化学灌浆材料应用性能测试数据Table 6 The test data of application performance of chemical grouting materials at low temperature (-10℃)

从表6 中可以看出，低温环境下，方案2 的抗拉强度和粘结强度最高，说明方案2 更适用于低温环境中装配建筑的施工，而原因在于42.5 快硬硫铝酸盐水泥中的硫铝酸盐凝固点较其他两种物质更低。

5.2 室温环境下化学灌浆材料应用效果

室温环境（20℃）下，基于拉伸试验数据，绘制荷载与位移曲线，如图6 所示。

图6 室温环境（20℃）下试件荷载与位移曲线Fig. 6 The load and displacement curve of test piece at room temperature (20℃)

基于图6 极限拉伸荷载和对应位移数据，计算试件的抗拉强度和粘结强度，结果如表7 所示。

表7 室温环境（20℃）化学灌浆材料应用性能测试数据Table 7 The test data of application performance of chemical grouting materials at room temperature (20℃)

从表7 中可以看出，室温环境下，方案1 的抗拉强度和粘结强度最高，其次是方案2，最后是方案3，说明方案1 更适用于日常施工环境中，连接的装配建筑构件更加牢固。

5.3 高温环境下化学灌浆材料应用效果

高温环境（50℃）下，基于拉伸试验数据，绘制荷载与位移曲线，如图7 所示。

图7 高温环境（50℃）下试件荷载与位移曲线Fig. 7 The load and displacement curve of test piece at high temperature(50℃)

基于图7 中给出的极限拉伸荷载和对应位移数据，按照公式（2）和（3）计算化学灌浆材料在装配式建筑钢筋构件连接中的拉伸强度和粘结强度，结果如表8 所示。

表8 高温环境（50℃）化学灌浆材料应用性能测试数据Table 8 The test data of application performance of chemical grouting materials at high temperature (50℃)

从表8 中可以看出，高温环境下，与方案1 和2 相比，方案3 化学灌浆材料连接的装配建筑构件的抗拉强度和粘结强度更高，说明方案3 制备的灌浆材料更适用于夏季高温环境下的装配式建筑施工。原因有两个，一个是铝元素，二是水灰比更高。

6 结束语

综上所述，近年来装配式建筑越来越多，这种建筑建造方式效率更高，成本更低，且不易受到环境的限制，但是这种建造方式对构件的连接质量要求更高，因为许多构件是通过化学灌浆材料粘结在一起搭建而成，因此灌浆材料在装配式建筑中的应用质量对建筑安全性和稳定性至关重要。为此，进行化学灌浆材料在装配式建筑中的应用研究。该研究通过试验分析，分析了不同化学灌浆材料在不同环境中的抗拉强度和粘结强度，得出其应用效果。然而，本研究仍有需要改进的地方，即仅模拟了现实中拉伸环境，而现实中还存在很多种荷载，会影响化学灌浆材料的应用，因此有待进一步扩展分析。