装配式建筑构件连接用化学灌浆材料粘聚渗透性能研究

2023-06-12曹刚

粘接 2023年5期

曹刚

摘要：为探究装配式建筑用化学灌浆材料在制备中不同材料参数配比对于强度等性能的影响，选择硅酸盐水泥作为胶凝材料，配合陶粒、河砂等骨料及矿物掺和料，完成制备方法及灌浆试件的性能测试方法的设计。采用正交实验优化灌浆材料的制备配比，将水胶比、胶砂比、矿物掺和料掺量作为正交实验中的变量因素，分析不同水平下的试件相关性能。研究结果表明，当水胶比为0.19、胶砂比为1.14、矿物掺和料掺量为0.20%时得到的试件性能最佳，对应配比为水泥750 g、砂810 g、PVA120 g、水213 g时，试件力学性能最优、竖向膨胀率及自由沁水率最佳。

关键词：化学灌浆材料；粘聚渗透性能；正交试验；竖向膨胀率；自由泌水率

中图分类号：TU528.004文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）05-0117-05

Studyontheapplicationof chemicalgrouting materialsforfabricatedbuildings

CAO Gang

（Shaanxi Construction Engineering Group Co.，Ltd.，Xi'an 710003，China）

Abstract： In order to explore the impact of different material parameter ratios on the strength and other properties of fabricated building chemical grouting materials during preparation，Portland cement was selected as a cementing material，along with aggregates such as ceramsite，river sand，and mineral admixtures，to complete the design of preparation methods and performance testing methods for grouting specimens. Orthogonal experiments were used to optimize the preparation ratio of grouting materials. The water cement ratio，cementsand ratio，and mineral admix? tures were used as variable factors in the orthogonal experiments to analyze the relevant properties of specimens at different levels. The results show that when the water cement ratio is 0.19，the cement sand ratio is 1.14，and the mineral admixture content is 0.20，the test piece has the best performance. When the corresponding ratio is 750g of cement，810g of sand，120g of PVA，and 213g of water，the test piece has the best mechanical properties，vertical expansion rate，and free bleeding rate.

Keywords： chemical grouting materials；viscose permeability；orthogonal experiments；vertical expansion rate； free bleeding rate

装配式建筑就是将部分建造过程在工厂内完成，运到现场后进行装配，整体完成建筑施工[1-2]。由于现代企业对其施工要求越来越高，对于部分工程，现浇混凝土结构在很大程度上已经不能滿足其施工要求。在这种情况下，预制混凝土构件的生产技术得到了迅速发展。预制混凝土构件以其自身强度高、整体性能好等特点，成为了装配式建筑中的重要构件[3]。装配式建筑采用标准化设计、工厂化生产、装配化施工、信息化管理、智能化应用的方式，将传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行，实现建筑材料、设备、构配件和装备等资源的优化配置。传统的预制构件连接方式以螺栓连接为主，其连接具有承载能力低、施工效率低等缺点[4]，难以满足施工要求，故其大多采用化学灌浆的方式，其作为一种新型的连接方式在国内外得到了广泛应用，但由于其施工工艺复杂导致其施工成本较高。在当前常用的装配式建筑预制构件中，主要有两种连接方式：湿式连接是将预制混凝土构件与周边环境完全隔离开来，通过在构件和外界之间设置一层防水或防雾密封层实现与周围环境的物理连接；而干式连接则是将预制混凝土构件直接与构件之间的结合面进行粘结，以达到密封防水的效果。

传统混凝土结构中预制构件与周围环境间的连接方式不仅会影响预制构件的耐久性和安全性，还会对结构使用寿命和经济造成较大影响[5-6]。近年来，随着材料科学、化学工程等学科发展以及建筑工业化进程不断推进，企业对预制构件的耐久性、安全性以及可靠性要求地不断增高，应提升预制混凝土构件性能，使其具有良好的可渗透性以及可灌性，并让其与周边环境之间良好粘结性能。为提高预制构件的连接效果，必须在预制构件中掺入高效、环保和可再生的灌浆材料，因此本文将采用一种新型化学灌浆材料，研究其对装配式建筑中预制构件连接效果及其耐久性的影响。

1 装配式建筑用化学灌浆材料制备方法研究

1.1 原材料和实验仪器

实验中所使用的主要原材料为水泥，类型为硅酸盐水泥，其质量分数为96.0%，凝结时间为3～12 min，28 d 强度为35.6 MPa。使用的骨料为陶粒、河砂，粒径分别为0.6、0.5 mm，含泥量质量分数分别为5.0%和4.0%。化学灌浆材料中的聚合物改性剂为聚乙烯醇，质量分数为88.6%，其中的主要原料包括：聚乙烯醇（PVA）和丙烯酸酯（AMA）等。固化劑是由双酚A 与三乙醇胺反应制得的一种双酚A 型固化剂，其化学名称为1-（2-羟基丙基）-3-甲基苯酚-1-胺。该固化剂可有效提高水泥浆体的稳定性，增加浆体的粘结强度和抗碳化性能。根据固化剂的反应机理可知，双酚A 与三乙醇胺反应生成双酚A 型固化剂，与水反应生成三乙醇胺，两者发生脱水缩聚反应，生成化学键合。可使浆体具有良好的流动性指数。其他材料还有硅酸钠、三聚磷酸钠、硅灰等[7]。

实验中所使用的实验器材主要有：XL-3080型数字超声波仪，上海创远仪器有限公司；YLXC-3010型多功能水泥浆体搅拌站，常州宏信电子设备有限公司；ZF-1型双轴搅拌机，湖南长沙瑞强机械制造有限公司；WGY-8型高精度电子天平，上海精密科学仪器有限公司；VITACH-2A型智能电加热器，浙江宁波博特电气设备有限公司；HP-500K 型超声波振动台，上海兴通实验仪器有限公司；NDJ-1型旋转粘度计，力辰科技有限公司；101-0DB 型电热鼓风干燥箱，天津泰斯特仪器有限公司；KXJ-2型多功能水泥试验机、WGY-7A 型万能试验机，浙江宁波天加达仪器有限公司；ASP-10/E 型双通道快速粘度计，美国 ASP公司。

1.2 制备方法

基本性能测试：依据 JG/T 213—2010《硅酸盐水泥胶砂强度检验方法》测定水泥净浆的初凝时间，依据BG 3034—1984《混凝土拌合物流动度检验方法》测定拌合物的初凝时间，依据BG 3034—1986《混凝土凝结时间测定方法》测定胶砂的凝结时间[8]。依据 BG 3034—1986《混凝土抗拉强度检验方法》测试灌浆材料的抗拉强度[9]。

在制备过程中，按照一定灌浆料配比，称取原材料放入水泥搅拌机中进行搅拌，过程为：先将粉料进行干混300 s，向其中加入拌和水，调整搅拌速度，然后慢速搅拌1 min，中间静置30 s 后快速搅拌5min，此时灌浆料有较好地流动性，将其灌注至模具中。待灌浆材料自然凝固且成件之后，进行养护24 h，最后进行拆模[10-12]。

1.3 性能测试方法

在测试过程中，主要对试件的力学性能和其他性能进行分析。力学性能测试中，主要利用 KXJ-2型多功能水泥试验机测试时间的抗压抗折强度[13]。流动性测试：在相同条件下，将5种不同材料的水泥浆体倒入盛有清水的水槽中，搅拌2 min 后，分别取1、5 mm 的水泥浆各10 mL，分别加入1 g 胶凝剂和3 g 双酚A 型固化剂，均匀混合120 s，将混合后的水泥浆体分别注入到预先钻好孔的试件中，养护28 d 后取出试件，用卡尺测量各试件的平均孔径。抗折强度测试：分别将5种材料的水泥浆体倒入盛有清水的水槽中搅拌2 min，之后将其注入到预先钻好孔的试件中[14]。

其余性能测试，主要包括竖向膨胀率、自由泌水率。在竖向膨胀率测试中，选择一透明模具板防止在测试仪器的2侧位置，将进料口设置在透明模具板的一侧，并从该侧倒入拌和料，利用百分表测量初始度数。放置不同时间段，分别测试百分表并记录。竖向膨胀率的计算公式：

式中：ht表示测试过程中，试件经过一段时间放置之后的高度；h0为试件刚制成的高度；h 表示试件的目标高度。

自由泌水率测试中，实验容器如图1所示。

在图1的装置中，利用1 L 的量筒装800 mL 的浆体，此时将量筒静置密封60 s 后，测量内部浆液高度 h1；在经过24 h 的固化析水后，再次测得析出水分的高度 h2和沉降浆体的高度 h3。在获取以上数据之后，能够计算出灌浆材料的自由泌水率，计算公式：

按照上述的原料和制备方法，选择3因素3水平正交实验对装配式建筑用化学灌浆材料进行制备，并对其力学性能和竖向膨胀率、自由泌水率进行测试[15]。

1.4 正交试验方案设计

为获取装配式建筑用化学灌浆材料的最优制备配比，利用3因素3水平正交试验进行验证。选择的3因素为水胶比、胶砂比和矿物掺和料掺量，正交实验水平如表1所示。

在以上的水平参数设置下，得到正交实验中的灌浆料配方，得到的各组正交实验表如表2所示。

在以上的正交实验下，得到的相应材料配比情况如表3所示。

按照表3中的配比调制灌浆材料，分别测试不同配比下的灌浆材料性能，并对结果进行对比与分析。

2 正交实验结果分析

2.1力学性能分析

在以上测试条件下，得到的28 d 后的化学灌浆材料的力学性能结果，具体如表4所示。得到的各组流动度情况如图2所示。

标准中要求灌浆材料的流动度在300 mm 以上为合格，合格的组别为3、4、5、6、8，对比上述的组别中，第5组抗压强度最高，第6组抗折强度最高。因此，从正交结果中选择最优配方比为第5组和第6组。

正交实验的分析结果主要是从几组数据中得到最优的配方；单纯从正交实验中，很难直接判定出最优配比。因此，使用极差来对正交结果进行分析。针对正交实验结果的极差的计算公式：

式中：kn ，max 表示其中任意因素指标平均值kn的最大值；kn ，min 表示其中任意因素指标平均值kn的最小值。根据上述公式，能够获取到正交实验中不同因素对于指标的影响大小，得到各因素对于灌浆料强度的影响结果，具体如表5所示。

由表5可知，实验中所选择的3因素中，极差最大的因素为水胶比，说明在装配式建筑用化学灌浆材料的配置过程中，水胶比的取值对于材料强度的影响是最大的。由此可知，当化学灌浆材料配置过程中，选择第5组配比量下，得到的灌浆试件强度最高。

2.2 其余性能分析

在以上组别中，不同配比下，化学灌浆材料其余性能测试的结果如表6所示。

由表6可知，对于装配式建筑用化学灌浆材料来说，其竖向膨胀率的允许范围大于等于0.02、自由泌水率为0，此时最佳。根据结果进行分析，获取到正交实验中不同因素对于其他性能指标的影响大小，得到的各因素对于竖向膨胀率和自由泌水率的影响结果，具体如表7所示。

由表7可知，经过极差分析结果可知，实验中所选择的3因素中，极差最大的因素为胶砂比，说明在装配式建筑用化学灌浆材料的配置过程中，胶砂比的取值对于材料其他性能的影响是最大的。由此可知，在化学灌浆材料配置过程中，选择第5组配比，得到的灌浆试件竖向膨胀率和自由泌水率的性能最好。

2.3 讨论

综上所述，对不同聚合物改性剂和固化剂用量的灌浆材料力学性能进行测试，在第5组配比量下，即水胶比为0.19、胶砂比为1.14、矿物掺和料掺量为0.20%时，得到的试件在抗压强度、抗折强度、竖向膨胀率以及自由泌水率等性能最优，对应的配比为：水泥750 g，砂810 g，PVA120 g，水213 g。究其原因，当聚合物改性剂掺量较大时，固结反应所需的时间较长，在一定程度上影响了试件的力学性能；当聚合物改性剂掺量较低时，水泥水化反应速率较慢，造成浆体内部水分向外扩散速度较慢。

由于聚合物改性灌浆材料中，水泥与聚合物改性剂之间是以物理吸附的方式进行粘接，因此，随着聚合物改性剂和固化剂掺入量的增加，浆体的粘聚性也随之增加。在上述最优配比的聚合物改性剂掺量下，浆体粘聚性最佳，其粘聚性随着聚合物改性剂掺入量的增加先增大后减小。

3 最优配比下建筑用化学灌浆材料的应用研究

在上述最优配比下，对建筑用化学灌浆材料的实际应用进行研究。选择不同直径的钢筋、不同类型的套筒进行测试，在不同的极限拉伸荷载下，记录试件对应的位移和参与变形量，具体结果如表8所示。

由表8可知，在不同的钢筋直径下，多次对试件进行测试，得到的极限拉伸荷载数据之间的差别不大，对应的位移和残余变形都在标准要求的范围内，这说明得到的材料制备配比参数在应用中能够得到良好的效果。

4 結语

近年来，装配式建筑得到了迅速发展，为改善建筑中预制构件之间的连接方式，研究利用化学灌浆材料的高粘结性、可渗透性和可灌性等特点，通过正交实验，获取到预制构件灌浆材料的最优配比。并将实验结果应用于实际，说明在研究获取的最优配比下，能够有效提升灌浆材料的性能，并在实际应用中取得良好效果。

【参考文献】

[1] 李先勇，米阳，丁浩.装配式建筑钢筋连接用套筒灌浆料的研究[J].新型建筑材料，2022，49（12）：75-78.

[2] 李宪军，邓美林，何廷树.装配式建筑套筒灌浆连接系统膨胀约束关键技术研究[J].建筑结构，2021，51（9）：43-48.

[3] 李国新，王周渊，安小强，等.适用于-5℃环境的灌浆材料制备及其性能研究[J].非金属矿，2021，44（3）：24-29.

[4] 徐鹏，杨辉，孔金鸣，等.装配式建筑用低温型封浆料的制备及性能研究[J].新型建筑材料，2022，49（8）：80-83.

[5] 张琴，刘文彬，樊利娇，等.功能化介孔二氧化硅的制备及其吸附分离水中铀的研究进展[J].应用化学，2023，40（2）：169-187.