裝配式建筑構(gòu)件連接用化學(xué)灌漿材料粘聚滲透性能研究

曹剛

摘要：為探究裝配式建筑用化學(xué)灌漿材料在制備中不同材料參數(shù)配比對(duì)于強(qiáng)度等性能的影響，選擇硅酸鹽水泥作為膠凝材料，配合陶粒、河砂等骨料及礦物摻和料，完成制備方法及灌漿試件的性能測(cè)試方法的設(shè)計(jì)。采用正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化灌漿材料的制備配比，將水膠比、膠砂比、礦物摻和料摻量作為正交實(shí)驗(yàn)中的變量因素，分析不同水平下的試件相關(guān)性能。研究結(jié)果表明，當(dāng)水膠比為0.19、膠砂比為1.14、礦物摻和料摻量為0.20%時(shí)得到的試件性能最佳，對(duì)應(yīng)配比為水泥750 g、砂810 g、PVA120 g、水213 g時(shí)，試件力學(xué)性能最優(yōu)、豎向膨脹率及自由沁水率最佳。

關(guān)鍵詞：化學(xué)灌漿材料；粘聚滲透性能；正交試驗(yàn)；豎向膨脹率；自由泌水率

中圖分類號(hào)：TU528.004文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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

裝配式建筑就是將部分建造過程在工廠內(nèi)完成，運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行裝配，整體完成建筑施工[1-2]。由于現(xiàn)代企業(yè)對(duì)其施工要求越來越高，對(duì)于部分工程，現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)在很大程度上已經(jīng)不能滿足其施工要求。在這種情況下，預(yù)制混凝土構(gòu)件的生產(chǎn)技術(shù)得到了迅速發(fā)展。預(yù)制混凝土構(gòu)件以其自身強(qiáng)度高、整體性能好等特點(diǎn)，成為了裝配式建筑中的重要構(gòu)件[3]。裝配式建筑采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理、智能化應(yīng)用的方式，將傳統(tǒng)建造方式中的大量現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)工作轉(zhuǎn)移到工廠進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)建筑材料、設(shè)備、構(gòu)配件和裝備等資源的優(yōu)化配置。傳統(tǒng)的預(yù)制構(gòu)件連接方式以螺栓連接為主，其連接具有承載能力低、施工效率低等缺點(diǎn)[4]，難以滿足施工要求，故其大多采用化學(xué)灌漿的方式，其作為一種新型的連接方式在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，但由于其施工工藝復(fù)雜導(dǎo)致其施工成本較高。在當(dāng)前常用的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件中，主要有兩種連接方式：濕式連接是將預(yù)制混凝土構(gòu)件與周邊環(huán)境完全隔離開來，通過在構(gòu)件和外界之間設(shè)置一層防水或防霧密封層實(shí)現(xiàn)與周圍環(huán)境的物理連接；而干式連接則是將預(yù)制混凝土構(gòu)件直接與構(gòu)件之間的結(jié)合面進(jìn)行粘結(jié)，以達(dá)到密封防水的效果。

傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)制構(gòu)件與周圍環(huán)境間的連接方式不僅會(huì)影響預(yù)制構(gòu)件的耐久性和安全性，還會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)使用壽命和經(jīng)濟(jì)造成較大影響[5-6]。近年來，隨著材料科學(xué)、化學(xué)工程等學(xué)科發(fā)展以及建筑工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，企業(yè)對(duì)預(yù)制構(gòu)件的耐久性、安全性以及可靠性要求地不斷增高，應(yīng)提升預(yù)制混凝土構(gòu)件性能，使其具有良好的可滲透性以及可灌性，并讓其與周邊環(huán)境之間良好粘結(jié)性能。為提高預(yù)制構(gòu)件的連接效果，必須在預(yù)制構(gòu)件中摻入高效、環(huán)保和可再生的灌漿材料，因此本文將采用一種新型化學(xué)灌漿材料，研究其對(duì)裝配式建筑中預(yù)制構(gòu)件連接效果及其耐久性的影響。

1 裝配式建筑用化學(xué)灌漿材料制備方法研究

1.1 原材料和實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中所使用的主要原材料為水泥，類型為硅酸鹽水泥，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為96.0%，凝結(jié)時(shí)間為3～12 min，28 d 強(qiáng)度為35.6 MPa。使用的骨料為陶粒、河砂，粒徑分別為0.6、0.5 mm，含泥量質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.0%和4.0%?；瘜W(xué)灌漿材料中的聚合物改性劑為聚乙烯醇，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.6%，其中的主要原料包括：聚乙烯醇（PVA）和丙烯酸酯（AMA）等。固化劑是由雙酚A 與三乙醇胺反應(yīng)制得的一種雙酚A 型固化劑，其化學(xué)名稱為1-（2-羥基丙基）-3-甲基苯酚-1-胺。該固化劑可有效提高水泥漿體的穩(wěn)定性，增加漿體的粘結(jié)強(qiáng)度和抗碳化性能。根據(jù)固化劑的反應(yīng)機(jī)理可知，雙酚A 與三乙醇胺反應(yīng)生成雙酚A 型固化劑，與水反應(yīng)生成三乙醇胺，兩者發(fā)生脫水縮聚反應(yīng)，生成化學(xué)鍵合?？墒?jié){體具有良好的流動(dòng)性指數(shù)。其他材料還有硅酸鈉、三聚磷酸鈉、硅灰等[7]。

實(shí)驗(yàn)中所使用的實(shí)驗(yàn)器材主要有：XL-3080型數(shù)字超聲波儀，上海創(chuàng)遠(yuǎn)儀器有限公司；YLXC-3010型多功能水泥漿體攪拌站，常州宏信電子設(shè)備有限公司；ZF-1型雙軸攪拌機(jī)，湖南長(zhǎng)沙瑞強(qiáng)機(jī)械制造有限公司；WGY-8型高精度電子天平，上海精密科學(xué)儀器有限公司；VITACH-2A型智能電加熱器，浙江寧波博特電氣設(shè)備有限公司；HP-500K 型超聲波振動(dòng)臺(tái)，上海興通實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；NDJ-1型旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)，力辰科技有限公司；101-0DB 型電熱鼓風(fēng)干燥箱，天津泰斯特儀器有限公司；KXJ-2型多功能水泥試驗(yàn)機(jī)、WGY-7A 型萬能試驗(yàn)機(jī)，浙江寧波天加達(dá)儀器有限公司；ASP-10/E 型雙通道快速粘度計(jì)，美國(guó) ASP公司。

1.2 制備方法

基本性能測(cè)試：依據(jù) JG/T 213—2010《硅酸鹽水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》測(cè)定水泥凈漿的初凝時(shí)間，依據(jù)BG 3034—1984《混凝土拌合物流動(dòng)度檢驗(yàn)方法》測(cè)定拌合物的初凝時(shí)間，依據(jù)BG 3034—1986《混凝土凝結(jié)時(shí)間測(cè)定方法》測(cè)定膠砂的凝結(jié)時(shí)間[8]。依據(jù) BG 3034—1986《混凝土抗拉強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》測(cè)試灌漿材料的抗拉強(qiáng)度[9]。

在制備過程中，按照一定灌漿料配比，稱取原材料放入水泥攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌，過程為：先將粉料進(jìn)行干混300 s，向其中加入拌和水，調(diào)整攪拌速度，然后慢速攪拌1 min，中間靜置30 s 后快速攪拌5min，此時(shí)灌漿料有較好地流動(dòng)性，將其灌注至模具中。待灌漿材料自然凝固且成件之后，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)24 h，最后進(jìn)行拆模[10-12]。

1.3 性能測(cè)試方法

在測(cè)試過程中，主要對(duì)試件的力學(xué)性能和其他性能進(jìn)行分析。力學(xué)性能測(cè)試中，主要利用 KXJ-2型多功能水泥試驗(yàn)機(jī)測(cè)試時(shí)間的抗壓抗折強(qiáng)度[13]。流動(dòng)性測(cè)試：在相同條件下，將5種不同材料的水泥漿體倒入盛有清水的水槽中，攪拌2 min 后，分別取1、5 mm 的水泥漿各10 mL，分別加入1 g 膠凝劑和3 g 雙酚A 型固化劑，均勻混合120 s，將混合后的水泥漿體分別注入到預(yù)先鉆好孔的試件中，養(yǎng)護(hù)28 d 后取出試件，用卡尺測(cè)量各試件的平均孔徑?？拐蹚?qiáng)度測(cè)試：分別將5種材料的水泥漿體倒入盛有清水的水槽中攪拌2 min，之后將其注入到預(yù)先鉆好孔的試件中[14]。

其余性能測(cè)試，主要包括豎向膨脹率、自由泌水率。在豎向膨脹率測(cè)試中，選擇一透明模具板防止在測(cè)試儀器的2側(cè)位置，將進(jìn)料口設(shè)置在透明模具板的一側(cè)，并從該側(cè)倒入拌和料，利用百分表測(cè)量初始度數(shù)。放置不同時(shí)間段，分別測(cè)試百分表并記錄。豎向膨脹率的計(jì)算公式：

式中：ht表示測(cè)試過程中，試件經(jīng)過一段時(shí)間放置之后的高度；h0為試件剛制成的高度；h 表示試件的目標(biāo)高度。

自由泌水率測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)容器如圖1所示。

在圖1的裝置中，利用1 L 的量筒裝800 mL 的漿體，此時(shí)將量筒靜置密封60 s 后，測(cè)量?jī)?nèi)部漿液高度 h1；在經(jīng)過24 h 的固化析水后，再次測(cè)得析出水分的高度 h2和沉降漿體的高度 h3。在獲取以上數(shù)據(jù)之后，能夠計(jì)算出灌漿材料的自由泌水率，計(jì)算公式：

按照上述的原料和制備方法，選擇3因素3水平正交實(shí)驗(yàn)對(duì)裝配式建筑用化學(xué)灌漿材料進(jìn)行制備，并對(duì)其力學(xué)性能和豎向膨脹率、自由泌水率進(jìn)行測(cè)試[15]。

1.4 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為獲取裝配式建筑用化學(xué)灌漿材料的最優(yōu)制備配比，利用3因素3水平正交試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。選擇的3因素為水膠比、膠砂比和礦物摻和料摻量，正交實(shí)驗(yàn)水平如表1所示。

在以上的水平參數(shù)設(shè)置下，得到正交實(shí)驗(yàn)中的灌漿料配方，得到的各組正交實(shí)驗(yàn)表如表2所示。

在以上的正交實(shí)驗(yàn)下，得到的相應(yīng)材料配比情況如表3所示。

按照表3中的配比調(diào)制灌漿材料，分別測(cè)試不同配比下的灌漿材料性能，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比與分析。

2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1力學(xué)性能分析

在以上測(cè)試條件下，得到的28 d 后的化學(xué)灌漿材料的力學(xué)性能結(jié)果，具體如表4所示。得到的各組流動(dòng)度情況如圖2所示。

標(biāo)準(zhǔn)中要求灌漿材料的流動(dòng)度在300 mm 以上為合格，合格的組別為3、4、5、6、8，對(duì)比上述的組別中，第5組抗壓強(qiáng)度最高，第6組抗折強(qiáng)度最高。因此，從正交結(jié)果中選擇最優(yōu)配方比為第5組和第6組。

正交實(shí)驗(yàn)的分析結(jié)果主要是從幾組數(shù)據(jù)中得到最優(yōu)的配方；單純從正交實(shí)驗(yàn)中，很難直接判定出最優(yōu)配比。因此，使用極差來對(duì)正交結(jié)果進(jìn)行分析。針對(duì)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果的極差的計(jì)算公式：

式中：kn ，max 表示其中任意因素指標(biāo)平均值kn的最大值；kn ，min 表示其中任意因素指標(biāo)平均值kn的最小值。根據(jù)上述公式，能夠獲取到正交實(shí)驗(yàn)中不同因素對(duì)于指標(biāo)的影響大小，得到各因素對(duì)于灌漿料強(qiáng)度的影響結(jié)果，具體如表5所示。

由表5可知，實(shí)驗(yàn)中所選擇的3因素中，極差最大的因素為水膠比，說明在裝配式建筑用化學(xué)灌漿材料的配置過程中，水膠比的取值對(duì)于材料強(qiáng)度的影響是最大的。由此可知，當(dāng)化學(xué)灌漿材料配置過程中，選擇第5組配比量下，得到的灌漿試件強(qiáng)度最高。

2.2 其余性能分析

在以上組別中，不同配比下，化學(xué)灌漿材料其余性能測(cè)試的結(jié)果如表6所示。

由表6可知，對(duì)于裝配式建筑用化學(xué)灌漿材料來說，其豎向膨脹率的允許范圍大于等于0.02、自由泌水率為0，此時(shí)最佳。根據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，獲取到正交實(shí)驗(yàn)中不同因素對(duì)于其他性能指標(biāo)的影響大小，得到的各因素對(duì)于豎向膨脹率和自由泌水率的影響結(jié)果，具體如表7所示。

由表7可知，經(jīng)過極差分析結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)中所選擇的3因素中，極差最大的因素為膠砂比，說明在裝配式建筑用化學(xué)灌漿材料的配置過程中，膠砂比的取值對(duì)于材料其他性能的影響是最大的。由此可知，在化學(xué)灌漿材料配置過程中，選擇第5組配比，得到的灌漿試件豎向膨脹率和自由泌水率的性能最好。

2.3 討論

綜上所述，對(duì)不同聚合物改性劑和固化劑用量的灌漿材料力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試，在第5組配比量下，即水膠比為0.19、膠砂比為1.14、礦物摻和料摻量為0.20%時(shí)，得到的試件在抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、豎向膨脹率以及自由泌水率等性能最優(yōu)，對(duì)應(yīng)的配比為：水泥750 g，砂810 g，PVA120 g，水213 g。究其原因，當(dāng)聚合物改性劑摻量較大時(shí)，固結(jié)反應(yīng)所需的時(shí)間較長(zhǎng)，在一定程度上影響了試件的力學(xué)性能；當(dāng)聚合物改性劑摻量較低時(shí)，水泥水化反應(yīng)速率較慢，造成漿體內(nèi)部水分向外擴(kuò)散速度較慢。

由于聚合物改性灌漿材料中，水泥與聚合物改性劑之間是以物理吸附的方式進(jìn)行粘接，因此，隨著聚合物改性劑和固化劑摻入量的增加，漿體的粘聚性也隨之增加。在上述最優(yōu)配比的聚合物改性劑摻量下，漿體粘聚性最佳，其粘聚性隨著聚合物改性劑摻入量的增加先增大后減小。

3 最優(yōu)配比下建筑用化學(xué)灌漿材料的應(yīng)用研究

在上述最優(yōu)配比下，對(duì)建筑用化學(xué)灌漿材料的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究。選擇不同直徑的鋼筋、不同類型的套筒進(jìn)行測(cè)試，在不同的極限拉伸荷載下，記錄試件對(duì)應(yīng)的位移和參與變形量，具體結(jié)果如表8所示。

由表8可知，在不同的鋼筋直徑下，多次對(duì)試件進(jìn)行測(cè)試，得到的極限拉伸荷載數(shù)據(jù)之間的差別不大，對(duì)應(yīng)的位移和殘余變形都在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)，這說明得到的材料制備配比參數(shù)在應(yīng)用中能夠得到良好的效果。

4 結(jié)語

近年來，裝配式建筑得到了迅速發(fā)展，為改善建筑中預(yù)制構(gòu)件之間的連接方式，研究利用化學(xué)灌漿材料的高粘結(jié)性、可滲透性和可灌性等特點(diǎn)，通過正交實(shí)驗(yàn)，獲取到預(yù)制構(gòu)件灌漿材料的最優(yōu)配比。并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于實(shí)際，說明在研究獲取的最優(yōu)配比下，能夠有效提升灌漿材料的性能，并在實(shí)際應(yīng)用中取得良好效果。

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