装配式建筑水泥基灌浆料性能试验研究

朱燕;刘加坤;陈佳佳

【摘 要】以普通硅酸盐水泥、砂、矿物掺合料(粉煤灰、硅灰)以及外加剂(减水剂、缓凝剂、膨胀剂)为主要原料配制成装配式建筑水泥基灌浆料.通过检测合理配合比下、不同水灰比的水泥基灌浆料的流动性、强度、膨胀性、泌水率、总氯离子含量、电通量和氯离子扩散系数等指标来考察其性能.结果表明,当砂最大粒径为2.36 mm、水灰比为0.24～0.30、砂灰比为1∶1、粉煤灰掺量为8％、硅灰掺量为5％、减水剂掺量为0.6％、缓凝剂掺量为0.1％、膨胀剂掺量为8％时,水泥基灌浆料的各项性能均满足装配式建筑灌浆料的要求.最后结合现场工程实测资料,对氯离子环境下水泥基灌浆料的最小保护层厚度进行了推算. 【期刊名称】《南通大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2018(017)001 【总页数】6页(P44-49)

【关键词】装配式建筑;水泥基灌浆材料;耐久性;最小保护层 【作 者】朱燕;刘加坤;陈佳佳

【作者单位】南通职业大学建筑工程学院,江苏南通226007;河海大学岩土工程研究所,江苏南京210098;南通职业大学建筑工程学院,江苏南通226007;江苏南通六建建设集团有限公司,江苏南通226500 【正文语种】中 文 【中图分类】TU528

灌浆料是装配式建筑预制构件连接的关键点，其强度、刚度、耐久性等要求最为严格，需要更好更优的工作性能.长期以来，学者们[1-7]对不同种类的灌浆材料进行了系统而深入的调查研究，但对于装配式建筑水泥基灌浆料的研究鲜有报道.在沿海地区，由于长期受到氯离子的侵蚀，该地区的建筑物或构筑物在使用过程中过早被破坏，使用年限缩短[8].因此，对于氯盐侵蚀环境下装配式建筑水泥基灌浆料的耐久性研究显得尤为重要.本文通过设计合理的配合比，选取南通地区用量较大的建筑材料及常用外加剂，通过测定流动度、强度、膨胀性、泌水率、氯离子含量及电通量等指标对装配式建筑水泥基灌浆料的耐久性进行系统的试验研究，并结合当地实测数据推算出合理配合比下水泥基灌浆料的最小保护层厚度. 1 试验材料与方法 1.1 原材料

水泥：42.5R级普通硅酸盐水泥，购于南通华新水泥有限公司，密度为3.21 g/cm3，比表面积为355 m2/kg，细度为0.85%，标准稠度用水量为31%，体积安定性合格，3 d抗折强度为5.7 MPa，3 d抗压强度为21.12 MPa，化学成分见表1.

粉煤灰：I级商品粉煤灰，购于南通华瑞粉煤灰开发有限公司，密度为2.78 g/cm3，需水量比为93.5%，45 μm筛余量为4.47%，化学成分见表1. 硅灰：微硅粉，购于苏州尊越新材料科技有限公司，化学成分见表1. 砂：南通地区河砂，水洗20次以上并晾晒干，最大粒径2.36 mm，细度模数Mx=2.78.

减水剂：PCA（I）聚羧酸类高效减水剂，购于江苏苏博特新材料股份有限公司，减水率为25%.

缓凝剂：酒石酸，购于苏州欧扬化工科技有限公司，含量≥99.7%.

膨胀剂：PMC高性能混凝土膨胀剂，购于南京克里斯工程材料有限公司，产品性能符合GB23439—2009《混凝土膨胀剂》质量要求.

表1 原材料的化学成分%材料 ω（Al2O3） ω（Fe2O3） ω（SiO2） ω（CaO） ω（SO3） ω（MgO） 烧失量 碱含量水泥 7.42 5.01 18.90 60.29 3.96 4.42 4.11 0.67粉煤灰 27.09 5.23 63.01 3.89 0.78 - 2.70 -硅灰 0.86 1.98 94.05 0.97 0.80 1.34 - -

1.2 试验方法及性能指标

装配式建筑水泥基灌浆料的流动度、抗压强度、膨胀率、泌水率及抗氯离子渗透性的测试方法及具体技术指标见表2.

表2 水泥基灌浆材料的技术性能性能参数 测试方法 龄期 技术指标流动度/mm GB/T 2419—2005[9] 初始 ≥300 30 min ≥260 1 d ≥35 3 d ≥60 28 d ≥85膨胀率/% JC/T 986—2005[11] 3 h ≥0.02 24 h与 3 h差值 0.02～0.5泌水率/% GB/T 50080—2016[12] 24 h ≤0总氯离子含量/% ASTM C1202—2012[13] 28 d ≤0.03电通量/C ASTM C1202—2012 28 d ≤2 500抗压强度/MPa GB/T 17671—1999[10] 2 试验配合比设计

基于前期相关室内试验的结果，本次试验选取砂灰比为1∶1，粉煤灰掺量为水泥质量的8%（外掺），硅灰掺量为水泥质量的5%（外掺），减水剂掺量为水泥质量的0.6%，缓凝剂掺量为水泥质量的0.1%，膨胀剂掺量为水泥质量的8%.以流动度为基础进行水灰比初选，满足指标要求时再进行其他性能的测试，进而确定水灰比.具体配合比见表3.

表3 水泥基灌浆材料配合比编号膨胀剂PMC 1 0.24 900 72 45 900 216 5.4 0.9 72 2 0.26 900 72 45 900 234 5.4 0.9 72 3 0.28 900 72 45 900 252 5.4 0.9 72 4 0.30 900 72 45 900 270 5.4 0.9 72水灰比各组成材料用量/g水泥 粉煤灰 硅

灰 河砂 水 减水剂PCA（I）缓凝剂酒石酸 3 结果与分析

3.1 水泥基灌浆料的工作性

将拌合料加水拌合后，用水泥胶砂搅拌机搅拌均匀，制成灌浆材料，对水泥基灌浆料进行流动度、强度试验，结果见图1、图2. 图1 水泥基灌浆料的流动性试验结果 图2 水泥基灌浆料的强度试验结果

如图1所示，当水灰比为0.24时，初始流动度为300 mm，30 min后流动度下降至280 mm，均满足标准对初始流动度的要求.初始流动度随着水灰比的增大而增大，但增速缓慢，且30 min后流动度的经时损失随着水灰比的增大而增大.由此可知，当采用相同配合比时，在满足初始流动度的前提下，水泥基灌浆料的水灰比可降低到0.24.

水灰比、水泥熟料、水泥细度以及水泥的粉磨工艺、外加剂等是影响水泥流动性的主要因素.从试验结果可以看出，水泥基灌浆料的流动性随着水灰比的增大而提高，这是因为随着水灰比增大，灌浆料中的含水量增多，使得颗粒间的距离增大，颗粒之间的范德华力、摩擦阻力等随之减小，最终导致水泥基灌浆料的流动度变大[14].试验所选用的早强型普通硅酸盐水泥为刚出厂水泥，颗粒的正电性较强，因此对减水剂的吸附作用比较大.而水泥的细度也在较大程度上影响着水泥基灌浆料的流动度，且两者成反比，即水泥的比表面积越大，水泥基灌浆料的流动性越差[15]. 如图2所示，当水灰比为0.24时，1 d抗压强度达到43.8 MPa，3 d抗压强度达到71.3 MPa，28 d抗压强度达到88.6 MPa.随着水灰比的增大，1 d、3 d、28 d抗压强度有所降低，符合水灰比与强度成反比的规律.

水灰比、胶凝材料种类、骨料级配以及减水剂是水泥基灌浆料抗压强度的主要影响因素，且相关研究[16]表明，这些影响因素的关联程度为：第一影响因素是减水剂，

其次是水灰比，第三是胶砂比.高效减水剂的使用，可有效改善灌浆料的孔隙结构，细化孔径，提高灌浆料的密实程度.本次试验水灰比较低，使得没有参与水化反应的多余水含量减少，避免了灌浆体硬化后自由水蒸发形成过多有害的毛细孔而降低灌浆料的强度.同时本次试验加入了合理掺量的硅灰和粉煤灰，其二次反应产物填充了孔隙，使得水泥中大孔隙的数量减少，胶凝孔和过渡孔增加，孔径改变，结构变得密实均匀，从而提高了灌浆料的密实度和强度. 3.2 水泥基灌浆料的泌水率

在测定水泥基灌浆料流动度的同时，还对灌浆料的泌水率进行了确认.试验结果表明，搅拌后水泥基灌浆料的表面有许多气泡冒出、逸散，但并没有发生泌水现象，水灰比在0.24～0.30时水泥基灌浆料的泌水率均为0.

水泥浆体的泌水现象本质上是胶结材料沉降速度过快的表现.根据Stokes沉降理论，浆体中固体物质的密度和液体的黏度与浆体的沉降速度成反比.当水灰比在0.24～0.30时，聚羧酸类高效减水剂可以显著地降低水灰比、提高浆体的密度，以此来降低颗粒的沉降速度，达到水泥基灌浆料抗泌水的目的. 3.3 水泥基灌浆料的膨胀性

将水泥基灌浆料灌入试模后，分别测试3，9，15，24 h灌浆料的膨胀率，结果见图3.

图3 水泥基灌浆料的膨胀性试验结果

由图3可知，水泥基灌浆料的膨胀性随着时间的延长而逐渐增大，当水灰比为0.24时，3 h时膨胀率为0.02%，24 h时增大到0.048%，3 h与24 h膨胀率差值为0.024%，符合规范要求，且其余三种水灰比下灌浆料的膨胀率也符合规范要求.除水灰比为0.30时膨胀率略有波动外，其他水灰比下灌浆料的膨胀率在各个龄期均随着水灰比的增大而逐渐增大.

PMC高性能混凝土膨胀剂是由铝酸钙CA、CA2和硫铝酸钙C4A3S组成的，可分

别与硫酸钙水化生成钙矾石，使得水泥基灌浆料在水化初期出现体积膨胀的现象.水泥基灌浆料的膨胀性一方面提高了套筒内灌浆体的密实度和饱满度，另一方面也在灌浆套筒内形成一定的预压应力，消除水泥灌浆体硬化后产生的部分收缩应力，保证了整体结构的安全性，提高了水泥基灌浆料的抗裂性能.从试验结果可以看出，当水灰比在0.24～0.30时，PMC膨胀剂掺入量为8%的水泥基灌浆料，其膨胀率符合国家规范要求.

3.4 水泥基灌浆料的总氯离子含量

采用NCL-AL型氯离子含量快速测定仪对水泥基灌浆料总氯离子含量进行测定，结果见表4.

表4 水泥基灌浆料的总氯离子含量水灰比 0.24 0.26 0.28 0.30 ω（Cl-）/% 0.002 6 0.003 1 0.003 5 0.003 6

由表4可知，水灰比从0.24至0.30，水泥基灌浆料中总氯离子含量均在0.01%以下，远远小于国家规范所规定的0.03%，由此可见，各组水泥基灌浆料对钢筋不会产生锈蚀作用.

3.5 水泥基灌浆料的抗氯离子渗透性

对水泥基灌浆料进行电通量试验，结果见表5.相关文献[17]表明，使用ASTM C1202方法检测到的6 h混凝土电通量与混凝土中氯离子扩散系数之间存在下列线性关系：

式中，D表示混凝土中氯离子扩散系数，Q表示混凝土6 h总电通量，相关系数r=0.990 7.鉴于水泥基灌浆料与混凝土的相似性，本文借鉴上述研究成果，计算各水灰比下的氯离子扩散系数，结果见表5.

表5 水泥基灌浆料的电通量及氯离子扩散系数编号 水灰比 电通量/C 扩散系数/（10-9cm2·s-1）1 0.24 573 5.397 2 0.26 682 5.933 3 0.28 702 6.031 4 0.30

820 6.612

由表5可知，当水灰比在 0.24～0.30时，水泥基灌浆料的电通量均小于1 000 C，属于氯离子渗透性非常低的等级，符合沿海地区混凝土建筑物高耐久性的要求.此外，水灰比对电通量有一定的影响，随着水灰比的增加，水泥基灌浆料的电通量增加，氯离子扩散系数增大，抗氯离子渗透能力降低.这可能是由水灰比增大引起水泥基灌浆料内部气孔率增大、密实度下降所致.

在高效减水剂的作用下，水泥基灌浆料中产生了均匀细小的气泡，这些气泡细化了孔径，减少了大孔隙的数量，从而提高了灌浆料的密实程度，降低了氯离子在其内部的通行速度，最终提高了水泥基灌浆料的抗氯离子渗透性能；同时，硅灰和粉煤灰成分通过与水泥水化产物进行二次水化，切断、填充了连续的大的孔隙，增加了水泥基灌浆料的密实度和饱和度，提高了水泥基灌浆料的抗氯离子渗透能力. 4 水泥基灌浆料保护层厚度设计

在近海环境中，由于灌浆料内外的浓度差，氯离子不断地由灌浆料外表面扩散进入灌浆料内部，这种由浓度差引起的氯离子扩散过程符合Fick第二扩散定律.由该定律可知，环境氯离子浓度、钢筋开始锈蚀时的氯离子浓度、侵蚀时间、保护层厚度之间的关系为

式中：C为钢筋开始锈蚀时氯离子的浓度（临界浓度），文献[18]表明氯离子临界浓度服从0.6～1.2 kg/m3的均匀分布，本文临界浓度取为0.9 kg/m3；C0为环境初始氯离子质量浓度（见表6）；x为保护层厚度；t=15.768×108s（假设侵蚀时间为50a）；D为混凝土氯离子扩散系数（见表5）.

其中，环境氯离子浓度由南通洋口港现场取样结果确定[19]，选取取样地点2地下埋置深度分别为1，5，10，15，30 m的盐渍土试样进行检验，结果见表6. 根据公式（2），可以得到潜伏期为50 a（t=15.768×108s）时，不同土层深度

中的不同水灰比下水泥基灌浆料的保护层厚度，结果见表7.

表6 洋口港盐渍土试样中的氯离子含量送样号 深度/m ρ（Cl-）/（kg·m-3）YK02-2 01 4.112 5 YK02-10 05 4.289 8 YK02-15 10 10.671 4 YK02-17 15 8.171 9 YK02-22 30 2.304 4

表7 潜伏期为50 a的水泥基灌浆料保护层厚度结构埋置深度/m编号 水灰比1 5 10 15 30灌浆料保护层厚度/cm 1 0.24 5.302 5.424 7.435 6.887 3.657 2 0.26 5.538 5.666 7.766 7.193 3.819 3 0.28 5.787 5.920 8.115 7.516 3.991 4 0.30 6.022 6.160 8.444 7.821 4.153

从表6、表7中可以看出，不同的结构埋置深度所需要的保护层厚度不同，这主要与土层中Cl-含量有关，Cl-含量越高所需的结构保护层厚度越大.以南通洋口港取样地点2为例，地下埋置深度为10 m的盐渍土中Cl-含量为该孔位沿深度范围内所测最大数值，为10.671 4 kg/m3，如果结构水灰比为0.26，则该结构所需保护层厚度应是该结构沿深度范围内最大取值，为7.766 cm. 5 结论

1）当砂最大粒径为2.36 mm、水灰比为0.24～0.30、砂灰比为1∶1、粉煤灰掺量为8%、硅灰掺量为5%、PCA（I）聚羧酸类减水剂掺量为0.6%、酒石酸缓凝剂掺量为0.1%、PMC高性能混凝土膨胀剂掺量为8%（以上掺量均指相对于水泥质量）时，该水泥基灌浆料满足早期强度高、后期强度高、工作性好、微膨胀、不泌水、氯离子含量低、抗氯离子渗透性良好等装配式建筑灌浆料的要求.

2）试验结果表明：当采用相同配合比时，在满足初始流动度的前提下，水泥基灌浆料的水灰比可降低到0.24；随着水灰比的增大，1 d、3 d、28 d抗压强度有所降低，水灰比与强度成反比；水泥基灌浆料的膨胀性随着时间的增加而逐渐增大. 3）以氯离子质量浓度 =0.9 kg/m3为钢筋锈蚀的临界浓度，由Fick第二扩散定律可推算出使用寿命为50 a的不同水灰比、不同埋置深度下灌浆料的保护层厚度，

土层中Cl-含量越高所需的结构保护层厚度越大. 参考文献：

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