套筒灌浆料配合比及性能研究综述

预制建筑结构设计的节点设计关乎整个结构的整体性和稳定性。目前，标准规范中并没有明确给出套筒灌浆料的设计原理。本文通过介绍套筒灌浆料的设计原理，阐述了基本成分对灌浆料性能的影响，提供灌浆料选用的依据，并对套筒灌浆料的发展方向作了展望。

钢筋套筒-灌浆料-钢筋三者粘结强度直接影响着灌浆套筒接头的力学性能。灌浆套筒接头的工作机理是基于灌浆套筒内灌浆料有较高的抗压强度，同时自身还具有微膨胀的特性，在受到灌浆套筒的约束作用时，灌浆料与灌浆套筒内侧筒壁间产生较大的正向应力，钢筋藉此正向应力在其带肋的粗糙表面产生摩擦力，传递钢筋轴向应力。由于套筒直径远大于钢筋直径，套筒-浆体界面摩擦力远大于钢筋-浆体界面摩擦力，套筒接头往往发生钢筋拔出破坏。对于发生钢筋拔出的试件，钢筋极限承载力为[1]：

应用式（2）~（8），一些研究人员预测了灌浆连接的粘结强度，并与试验值进行了对比，验证了预测的可靠性[4]。另一方面，这些研究反过来验证了等式的合理性。可以看出，界面压力与套管、灌浆料和钢筋的力学性能，以及灌浆接头的横截面尺寸有关。当确定这些参数时，界面压力随着灌浆料膨胀率的增大而提高。

国内外标准对套筒灌浆料的性能指标要求，对比见表2。2011年美国材料与试验协会出台干粉灌浆料标准ASTM C1107-11，由于并非专用于套筒灌浆，因而对性能要求较低。但是与国内标准对比来看，ASTM C1107-11关注了硬化膨胀率指标0~0.3%，国内标准仅对塑性阶段膨胀率提出要求。建议国标对套筒灌浆料进行硬化阶段膨胀性研究，加入膨胀性指标。

灌浆料基本成分是水泥、细骨料以及矿物掺合料，对于低水胶比、高流动度的胶凝体系，减水剂是必要成分，塑性阶段膨胀剂可以提供早期竖向膨胀，以满足规范要求。套筒灌浆料水胶比在0.18～0.30之间；胶砂比为0.8～1.3；矿物掺合料可单掺也可复掺，掺量占胶凝体系的12%～20%；减水剂用量占胶凝体系的1%～1.5%，具体掺量可以根据配制时工作性能调整；硬化阶段膨胀剂掺量在胶凝体系的5%～10%为宜；为保证套筒灌浆料的工作性能，需配合消泡剂、早强剂和缓凝剂等其他外加剂使用。

4.1 水泥种类

预制建筑中使用的钢筋套筒灌浆料主要是水泥基灌浆材料，根据灌浆料水泥成分的不同可分为三类：硫铝酸盐类水泥灌浆料、硅酸盐类水泥灌浆料以及硅酸盐与硫铝酸盐复配水泥灌浆料。硫铝酸盐类水泥灌浆料凝结时间短，有较高的早期强度及可靠的膨胀。但是生产成本较高，早强但后期强度发展缓慢，凝结时间短，流动度经时损失大。硅酸盐类水泥灌浆料，成本低廉，配制方便，应用广泛，具有水化热大、凝结较慢、后期收缩明显等特点，掺入膨胀剂及其他外加剂能够控制水化硬化过程产生的体积收缩。硅酸盐与硫铝酸盐复配水泥灌浆料，早期和后期强度均较高，力学性能及膨胀性能可以通过使用石膏等缓凝剂控制钙矾石生成的数量来调整，但成分较复杂、配合比需经常调整，稳定性差。

综合以上考虑，硅酸盐类水泥灌浆料具有更加稳定的水泥浆体，掺入膨胀剂等外加剂后，性质稳定可控。

4.2 细骨料

灌浆料的细骨料最大粒径应小于2.36mm，在水胶比和胶砂比相同的前提下，随着砂的最大粒径的增大，流动度和抗压强度增大。采用石英砂代替河砂作为细骨料对灌浆料的工作性没有影响，但抗压强度略有降低。目前关于石英砂的研究也比较成熟，然而其资源有限，成本较高，其他岩性的机制砂逐渐引起人们的关注，最具代表性的为石灰石机制砂，但是在套筒灌浆料中应用的研究较少。

4.3 矿物掺合料

矿物掺合料是套筒灌浆料的重要成分，主要有硅灰、粉煤灰、矿渣粉等。适量掺加硅灰，可以明显提高灌浆材料的抗压强度和流动性，掺量过多或过少都达不到最佳，掺量为5%时达到最大强度；掺量为6%时，达到最大流动度；掺量为8%时，灌浆料的剪切应力大幅下降[9]。掺加硅灰还可以在一定程度上抑制膨胀剂的过度膨胀，使体积相对稳定。

在水泥基材料中加入粉煤灰，可以减少灌浆料的流动时间，降低干燥收缩，增强体积稳定性，并且对后期强度影响较小，还能提高灌浆料的耐久性。粉煤灰与矿渣粉复掺能显著提高灌浆料的流动度，硅灰和矿渣粉复掺对强度的提高最大，浆体竖向膨胀率受粉煤灰影响最大[10]。

矿渣粉活性与细度有关，细度越高，活性越大，为了保证矿渣粉活性，其粒径应小于459μm。矿渣粉能提高浆体的流动性、抗压强度和提高耐久性，矿渣粉掺量为15%~30%时，流动度和抗压强度是递增的，但掺量大于30%时，流动度和抗压强度反而降低[11]。

4.4 塑性阶段膨胀剂

套筒灌浆料的早期膨胀源曾以铝粉为主要原料，但由于产生气泡较多且难以控制发泡速率，导致膨胀不稳定，易产生不均匀膨胀，降低浆体强度和耐久性，不利于工程使用。类似铝粉，大多数塑性膨胀剂作用机理是：在碱性环境下与水发生反应，缓慢释放气体，在浆体中产生细小气泡，实现24h内的有效膨胀。合理掺量一般在0.03%~0.05%。

4.5 硬化阶段膨胀剂

由于膨胀剂的种类不同，膨胀源产生的机理不同，因此在设计套筒灌浆料时，应根据工程性质、位置及要求选择膨胀剂品种，并经检验指标符合标准要求后方可使用。

戴民[12]以氧化钙膨胀剂为膨胀源，测试与分析了水泥基灌浆料的竖向膨胀率、流动度和强度等性能。结果表明，氧化钙膨胀剂能够保证灌浆料有适宜的膨胀值，但强度和流动度随着掺量的增大而下降。

卢佳林等[13]通过掺入中后期膨胀剂（硫铝酸钙膨胀剂和氧化镁膨胀剂），制备出一种工作性能好，力学性能高，体积微膨胀的高性能水泥基无收缩灌浆料。由于灌浆料掺加膨胀剂的研究较少，灌浆料属于高性能混凝土的一种，因而可以借鉴高性能混凝土掺加膨胀剂的经验。

冯竟竟等[14]研究了硫铝酸钙-氧化钙类复合膨胀剂对高强混凝土的水化过程及膨胀性能的影响，同时加入了磨细矿渣和硅灰来改善性能。结果表明，该膨胀剂的早期膨胀量大，膨胀速度快，但该类膨胀剂反应需水量大，导致与水泥争夺水分，当水胶比过低时，会对强度发展产生负影响。

王栋民等[15]在高强混凝土中掺入了硫铝酸钙膨胀剂和磨细矿渣，试验结果表明，在一定掺量范围内，胶凝材料具有良好的膨胀性且与强度发展相协调；调整硫铝酸钙膨胀剂的掺量可以制备出不同用途的混凝土；磨细矿渣的掺入可以减小膨胀剂掺量过多引起的过度膨胀。一般来说，混凝土在水泥发展的各个阶段产生不同的收缩，高性能套筒灌浆料具有较低的水胶比，虽然低水胶比对收缩的影响较小，但其是抗震关键节点，仍然需要添加膨胀剂，保证灌浆料的膨胀性能，以此提高节点可靠性。对于套筒灌浆料，前期竖向膨胀率是一个十分重要的指标，规范也规定了灌浆料24h内的膨胀性能，而对后期膨胀并没有明确的要求，但硬化膨胀剂能够补偿一定的收缩量，减小砂浆硬化后收缩的几率，从而使套筒-灌浆料-钢筋紧密粘结在一起，提高套筒接头的整体性。

4.6 减水剂

套筒灌浆料工作性能指标较高，不仅包括初始流动度，而且还要求30min有足够的流动度，这就不仅要求初始流动度足够大，而且要有足够小的流动度经时损失。

冷达等[16]发现，聚羧酸减水剂与三聚氰胺和萘系减水剂相比，可以大幅度提高灌浆料的流动性和强度。汪秀石等[17]研究了聚羧酸减水剂对强度的影响：当掺量大于0.3%时，随减水剂掺量的增加，强度先增大后减小，减水效率降低。

一般情况下，聚羧酸系高性能减水剂对水泥等胶凝材料的适应性较好，掺入到混凝土后，能使混凝土的坍落度在2h内损失不明显，甚至还略有增大，基本无缓凝作用，其最佳掺量应根据工程实际调整而定。

（1）干缩引起的套筒与灌浆料之间握裹力不足是可能存在的，应进一步研发高抗压强度、补偿收缩灌浆料。

（2）有关套筒灌浆料的国内标准和行业标准都只关注了塑性膨胀，建议加入硬化阶段膨胀率指标。

（3）影响套筒灌浆料性能的因素较多，就膨胀性而言，应对膨胀剂类型和掺量进行设计，综合考虑各项组分对套筒灌浆料性能的影响，从材料角度提高节点连接的可靠性。

（4）石灰石机制砂代替河砂以及石英砂的可行性需要进一步研究。

原文参见《混凝土世界》2021年09期 P39~P43