CN111439981A - 一种低温型钢筋连接用套筒灌浆料及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及低温型钢筋连接用套筒灌浆料及其使用方法，以快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥、超高强硫铝酸盐水泥、石膏、掺合料、骨料、纳米晶核、抗冻剂、粉体聚羧酸高性能减水剂、聚醚类消泡剂、膨胀剂、纤维素醚、降粘剂作为原料，可满足‑15℃‑10℃超低温施工需要。

Description

一种低温型钢筋连接用套筒灌浆料及其使用方法

技术领域

本发明属于水泥基建筑材料领域，尤其涉及预制装配式建筑材料领域，具体涉及一种低温条件下进行钢筋连接用套筒灌浆施工的灌浆料。

背景技术

钢筋套筒灌浆连接施工工艺随着预制装配式建筑的发展而日益成熟，钢筋套筒灌浆连接技术不受钢筋直径大小、荷载类别及房屋高度的限制，适用范围较广，是全世界公认的PC构件之间连接最有价值的技术。其是指在预制构件吊装完毕后，在套筒中注入钢筋连接用套筒灌浆料，待浆体凝结硬化后，钢筋、套筒与浆体形成一个整体，提供胶结力、摩阻力、咬合力来完成接头的连接。

对于常温条件施工用的套筒灌浆料已有大量的研究及发明，行业标准JG/T408-2013《钢筋连接用套筒灌浆料》中已有详细规定。但是对于低温甚至负温条件下使用的钢筋套筒灌浆料的相关研究仍较少。在负温条件下，目前的套筒灌浆料胶凝材料水化反应缓慢。此外，水降至负温时会产生结冰膨胀，造成冻胀损害。按照JGJ355-2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》中的规定，“环境温度低于5℃时不宜施工，低于0℃时不得施工”，北京市住房和城乡建设委员会《关于加强装配式混凝土结构工程质量管理的通知》中强调：“灌浆施工温度不得低于5℃”。这对常温型套筒灌浆料的使用条件进行明确的限制，缩短了钢筋套筒灌浆可施工工期，增大了施工保温蓄热的成本，对预制装配式建筑灌浆施工技术发展产生了极大的限制。

现有技术中存在低温型套筒灌浆料的案例，专利申请号CN201810230700公开的“一种低温环境钢筋连接用灌浆料及其制备方法和应用”提供了一种低温环境用套筒灌浆料，其拌和用水需控制水温在10℃，力学性能也难以达到-5℃要求。CN108147776A公开了一种低温钢筋连接用高性能灌浆料，该发明在维持原有性能基础上能满足-5℃-10℃的施工要求。专利申请号CN201811081738.X公布了“一种负温型钢筋连接用套筒灌浆料及其制备方法”，通过采用改性纳米二氧化硅作为掺合料，使灌浆料在-10℃使用0℃水拌和仍具有良好的性能，且不需要额外的加热保温。综上所述，低温灌浆料在低于-10℃或更低温度下无法满足施工要求，并且不能适用于100MPa级更高强度要求的超低温型钢筋连接用套筒灌浆料。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的不足，特提供一种在负温条件下，尤其是低于-10℃时，工作性、力学性能及膨胀率都满足要求的套筒灌浆料，使套筒灌浆料产品体系的完善、科学研究的丰富，对装配式建筑的普及具有重要意义。

为实现上述目的，本发明的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，按照重量份数计，由以下组分组成：

快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥20-30份；

硅酸盐水泥15-30份；

超高强硫铝酸盐水泥0.5-5份；

石膏0-3份；

掺合料2-10份；

骨料40-50份；

纳米晶核0.1-1份；

抗冻剂0.3-2份；

粉体聚羧酸高性能减水剂0.05-0.5份；

聚醚类消泡剂0.02-0.1份；

膨胀剂0.02-0.5份；

纤维素醚0.001-0.05份；

降粘剂0.1-0.5份。

通过本发明低温型钢筋连接用套筒灌浆通过调整胶凝材料配合比例，可满足-15℃-10℃范围内的正常施工。

优选地，所述抗冻剂为粉体亚硝酸钠、亚硝酸钙的至少一种；所述粉体聚羧酸高性能减水剂的减水率≥32％。

优选地，所述膨胀剂为HCSA膨胀剂与塑性膨胀剂复合使用，可满足灌浆料在低温硬化时同样产生微膨胀，避免高活性胶凝材料水化过程中产生的收缩。

优选地，所述纤维素醚粘度为100-1000mPa·s。

优选地，所述降粘剂为含有氨基或酰胺基的早强型化学降粘剂，具有疏水降粘、早强的特点，可降低高强胶凝材料带来的浆体粘度，提高灌浆料流动性，与纤维素醚共同配合，实现高流动性的同时避免浆体离析、板结，浆料和易性良好。

优选地，所述快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥由熟料、硬石膏、混合材组成，其中熟料包含0.5-4.6％f-CaO与14-26.3％f-CaSO₄；该水泥为唐山北极熊建材有限公司研制成功并申请专利，不同于其他品种高贝利特硫铝酸盐水泥，试验表明，该快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥更加适用于本发明低温灌浆料的材料体系。

优选地，所述超高强硫铝酸盐水泥不含混合材，强度等级为72.5、82.5或92.5级；所述硅酸盐水泥为P.O62.5、P.O42.5、P.O52.5、P.II42.5、P.II52.5中的一种或两种，其28d水泥胶砂标准强度高于50MPa。本发明通过超高强硫铝酸盐水泥的掺入比例改善凝结时间，无需通过掺加碳酸锂、硼酸等化工品进行凝结时间的调整，降低了生产的难度。

优选地，所述掺合料为超细粉煤灰、硅灰、矿粉中的至少一种。

优选地，所述骨料为石英砂，其SiO₂含量不低于95％，按照筛网尺寸分为20-40目、40-70目、80-120目三种；更优选的，按重量百分比计，20-40目占50％，40-70目占40％，80-120目占10％。

优选地，所述纳米晶核，是以电石渣、赤泥、煅烧硅藻土、煅烧铝矾土、去离子水为原材料制备的棕红色粉末，具体制备步骤为：1)将电石渣、赤泥、煅烧硅藻土、煅烧铝矾土按照质量比1:0.4:0.5:0.1进行称取，按照粉体：水重量比1:25加入去离子水，利用行星式球磨机以公转200r/min的转速进行研磨混合4h；2)将混合物转移至水热反应釜，将水热反应釜置于电加热箱中按照一定的控温制度进行温度控制，水热反应恒温温度为110℃，恒温时间为15h；3)将冷却后的反应釜去除，并将混合料取出、洗涤、过滤数次，采用电热鼓风干燥箱在60℃下鼓风干燥24h直至恒重得到水热反应物；4)将得到的固体水热反应物，放入行星式球磨机中进行粉磨，直至通过80μm方孔筛，得到以纳米氢氧化铝晶体及纳米AFt晶体、纳米C-S-H晶体为主要成分的纳米晶核。将纳米晶核加入至灌浆料中，纳米氢氧化铝晶体与纳米AFt晶体为C₄A₃$的水化提供着附点，调控C₄A₃$的水化进程，加速AFt由针须状生长成棒状结构，提高水化产物的力学性能；纳米C-S-H晶体可作为水泥C₂S水化产物成核点，大大降低势垒，加速水泥水化反应进程；显著提高早期强度，且对水泥凝结时间影响较小。

优选地，所述塑性膨胀剂是以氟硼酸重氮盐、亚氨基二乙腈为发气组分，以十聚甘油二硬酯酸酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇作为稳定组分，以氢氧化锂作为激发剂的塑性膨胀剂，以蓝绿色碳酸铜粉为催化剂，以重钙粉和滑石粉为混合填充材共同研磨制得，具体制备步骤如下：a)将25-50份氟硼酸重氮盐、亚氨基二乙腈的发气组分和20-40份十聚甘油二硬酯酸酯、聚醋酸乙烯酯在行星式球磨机中以公转200r/min的转速下共同混合研磨25min，混合过程中加入适量的无水乙醇，确保研磨充分，粉体全部通过300目金属筛；b)依次分别将5-10份氢氧化锂与8-12份碳酸铜粉加入至过筛物中，混合研磨15-20min，混合研磨过程中加入适量的无水乙醇；c)加入2-4份的聚乙烯醇，混合研磨15-20min，完成塑性膨胀剂的二次包覆；d)加入90-110份混合填充材混合5min完成满足低温膨胀的塑性膨胀剂的制备。

本发明还涉及所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料的使用方法，具体的，通过人工手持搅拌机搅拌或全机械搅拌进行制备，当采用手持搅拌机搅拌时，将全部拌合用水加入搅拌桶中，加入75％配置好且精准称重的灌浆料粉体，搅拌至均匀后加入剩余25％的灌浆料粉体，继续搅拌2分钟至浆体均匀且流动性佳，静置2mi n排泡后方可使用；当采用全机械搅拌时，将全部拌和用水及配置好且精准称重的灌浆料粉体加入至搅拌机中，搅拌4-10分钟直至浆体均匀且流动性佳，静置2mi n排泡后方可使用。

优选地，使用过程中水料比为0.11-0.13，更优选地为0.12水料比。

本发明以快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥、硅酸盐水泥和超高强硫铝酸盐水泥作为主要胶凝材料，通过超高强硫铝酸盐水泥早期高水化放热，满足快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥可在超低温度下实现水泥持续水化，保证灌浆料初期和后期力学性能，通过掺加一定量的硅酸盐水泥，使得正温条件下灌浆料力学性能发展。通过不同水泥水化特性的结合，有效保障灌浆料在-15℃左右的施工性能和力学发展。纳米晶核的添加提供大量水化产物附着点及水化产物，调控AFt产物的生成,特制的塑性膨胀剂可满足低温下的膨胀需求，纤维素醚和降粘剂配合使用，降低大掺量高活性水泥造成的高粘度，保证流动性的同时也提高了浆体和易性。本发明通过调整超高强硫铝酸盐水泥掺加比例达到调整凝结时间及早期强度的目的，可有效避免化工盐类产品造成的工艺困难和灌浆料强度损失。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

1.所述低温型钢筋连接用套筒灌浆通过调整胶凝材料配合比例，可满足-15℃～10℃范围内的正常施工。

当在-15℃环境温度下，使用0℃液态水拌和后，具有如下性能：初始流动度≥300mm，30min流动度≥270mm，负温1d抗压强度≥40MPa，负温3d抗压强度≥65MPa，负温7天+标养21d抗压强度≥95MPa；

当在-10℃环境温度下，使用0℃液态水拌和后，具有如下性能：初始流动度≥320mm，30min流动度≥300mm，负温1d抗压强度≥50MPa，负温3d抗压强度≥75MPa，负温7天+标养21d抗压强度≥100MPa；

当在5℃环境温度下，使用0℃液态水拌和后，具有如下性能：初始流动度≥330mm，30min流动度≥290mm，1d抗压强度≥60MPa，3d抗压强度≥80MPa，7+21d抗压强度≥115MPa；

2.材料搅拌及施工过程中，无需对材料、拌合用水、设备进行辅助蓄热措施，提高施工效率，确保灌浆施工质量；

3.本发明采用快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥复合硅酸盐水泥，占总胶凝材料的50％以上，并辅以超高强硫铝酸盐水泥和纳米晶核，可以达到早期强度高，后期强度稳定增长不倒缩。

4.本发明采用粉体纳米水化硅酸钙C-S-H晶核作为增强剂，通过在水化过程中为水化早期C-S-H凝胶提供细小晶核，降低其结晶成核与晶体生长阻力，促进水泥早期水化产物的生成，提高水泥水化程度，同时不会引气灌浆料后期强度的倒缩。

5.本发明提供了一种特制的塑性膨胀剂，同时提供了制备方法。通过塑性膨胀剂，提高了在负温条件下的水解速率，确保灌浆料在塑性阶段产生满足指标的膨胀，保证了灌浆料与钢筋、套筒之间的紧密连接。

6.本发明提供的配合比，通过调整超高强硫铝酸盐水泥等胶凝材料掺量即可完成灌浆料流动性能及力学性能的优化，改善凝结时间，无需通过掺加碳酸锂、硼酸等化工品进行凝结时间的调整，降低了生产的难度，避免了化工品造成的强度损失。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥25份；

硅酸盐水泥23份；

超高强硫铝酸盐水泥3份；

石膏0.7份；

超细粉煤灰2份；

骨料45份；

纳米晶核0.3份；

亚硝酸钠0.5份；

粉体聚羧酸高性能减水剂0.2份；

聚醚类消泡剂0.08份；

膨胀剂0.11份，其中HCSA膨胀剂0.1份，塑性膨胀剂0.01份；

纤维素醚0.001份，粘度为400mPa·s；

降粘剂0.15份；

将上述原材料按比例进行混合制得低温型钢筋连接用套筒灌浆料，以12％用水量使用搅拌机进行拌和，静置2min排泡后进行施工应用。

对于实施例1所描述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，具体性能如表所示。

注：7+21d是指在低温条件下冷冻成型养护7天，随后转入标准养护21d进行测试。

实施例2：

快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥30份；

硅酸盐水泥15份；

超高强硫铝酸盐水泥5份；

石膏1.4份；

硅灰5份；

骨料40份；

纳米晶核1.0份；

亚硝酸钠1.5份；

粉体聚羧酸高性能减水剂0.48份；

聚醚类消泡剂0.09份；

膨胀剂0.13份，其中HCSA膨胀剂0.1份，塑性膨胀剂0.03份；

纤维素醚0.001份，粘度为400mPa·s；

降粘剂0.4份；

将上述原材料按比例进行混合制得低温型钢筋连接用套筒灌浆料，以11％用水量使用搅拌机进行拌和，静置2min排泡后进行施工应用。

对于实施例2所描述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，具体性能如表所示。

注：7+21d是指在低温条件下冷冻成型养护7天，随后转入标准养护21d进行测试。

实施例3：

快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥20份；

硅酸盐水泥30份；

超高强硫铝酸盐水泥0.5份；

石膏0.1份；

超细粉煤灰3.6份；

骨料45份；

纳米晶核0.1份；

亚硝酸钙0.2份；

粉体聚羧酸高性能减水剂0.3份；

聚醚类消泡剂0.03份；

膨胀剂0.11份，其中HCSA膨胀剂0.1份，塑性膨胀剂0.01份；

纤维素醚0.001份，粘度为400mPa·s；

降粘剂0.1份；

将上述原材料按比例进行混合制得低温型钢筋连接用套筒灌浆料，以11％用水量使用搅拌机进行拌和，静置2min排泡后进行施工应用。

对于实施例3所描述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，最佳使用温度范围为-5℃～10℃。具体性能如表所示。

注：7+21d是指在低温条件下冷冻成型养护7天，随后转入标准养护21d进行测试。

对比例1

硅酸盐水泥60份；

超高强硫铝酸盐水泥5份；

石膏1.4份；

硅灰5份；

骨料40份；

纳米晶核1.0份；

亚硝酸钠1.5份；

粉体聚羧酸高性能减水剂0.48份；

聚醚类消泡剂0.09份；

膨胀剂0.13份，其中HCSA膨胀剂0.1份，塑性膨胀剂0.03份；

纤维素醚0.001份，粘度为400mPa·s；

降粘剂0.4份；

将上述原材料按比例进行混合制得低温型钢筋连接用套筒灌浆料，以11％用水量使用搅拌机进行拌和，静置2min排泡后进行施工应用。

对于对比例1所描述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，无法进行0℃以下施工，具体性能如表所示。

注：7+21d是指在低温条件下冷冻成型养护7天，随后转入标准养护21d进行测试。

对比例2：

高贝利特硫铝酸盐水泥45份；

硅酸盐水泥15份；

石膏1.4份；

超细粉煤灰5份；

骨料42份；

亚硝酸钠1.4份；

粉体聚羧酸高性能减水剂0.45份；

聚醚类消泡剂0.09份；

膨胀剂0.12份，其中HCSA膨胀剂0.09份，塑性膨胀剂0.03份；

纤维素醚0.001份，粘度为400mPa·s；

降粘剂0.4份；

将上述原材料按比例进行混合制得低温型钢筋连接用套筒灌浆料，以10％用水量使用搅拌机进行拌和，静置2min排泡后进行施工应用。

对于对比例2所描述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，无法进行5℃以下施工，具体性能如表所示。

注：7+21d是指在低温条件下冷冻成型养护7天，随后转入标准养护21d进行测试。

对比例3：

快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥30份；

硅酸盐水泥15份；

超高强硫铝酸盐水泥5份；

石膏1.4份；

硅灰5份；

骨料40份；

纳米晶核1.0份；

亚硝酸钠1.5份；

粉体聚羧酸高性能减水剂0.48份；

聚醚类消泡剂0.09份；

将上述原材料按比例进行混合制得低温型钢筋连接用套筒灌浆料，以11％用水量使用搅拌机进行拌和，静置2min排泡后进行施工应用。

对于对比例3所描述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，无法进行0℃以下施工，0℃以上浆料发生离析，力学性能离散性大。

Claims (10)

1.一种低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，按照重量份数计，由以下组分组成：

快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥20-30份；

硅酸盐水泥15-30份；

超高强硫铝酸盐水泥0.5-5份；

石膏0-3份；

掺合料2-10份；

骨料40-50份；

纳米晶核0.1-1份；

抗冻剂0.3-2份；

粉体聚羧酸高性能减水剂0.05-0.5份；

聚醚类消泡剂0.02-0.1份；

膨胀剂0.02-0.5份；

纤维素醚0.001-0.05份；

降粘剂0.1-0.5份。

2.根据权利要求1所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，所述抗冻剂为粉体亚硝酸钠、亚硝酸钙的至少一种；所述粉体聚羧酸高性能减水剂的减水率≥32％。

3.根据权利要求1所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，所述膨胀剂为HCSA膨胀剂与塑性膨胀剂复合使用；所述纤维素醚的粘度为100-1000mPa·s；所述降粘剂为含有氨基或酰胺基的早强型化学降粘剂。

4.根据权利要求1所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，所述快凝快硬高贝利特硫铝酸盐水泥由熟料、硬石膏、混合材组成，其中熟料包含0.5-4.6％f-CaO与14-26.3％f-CaSO₄；所述超高强硫铝酸盐水泥不含混合材，强度等级为72.5、82.5或92.5级；所述硅酸盐水泥为P.O62.5、P.O52.5、P.O42.5、P.Ⅱ42.5、P.Ⅱ52.5中的一种或两种，其28d水泥胶砂标准强度高于50MPa。

5.根据权利要求1所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，所述掺合料为超细粉煤灰、硅灰、矿粉中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，所述骨料为石英砂，其SiO₂含量不低于95％，按照筛网尺寸分为20-40目、40-70目、80-120目三种。

7.根据权利要求1所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，所述纳米晶核，是以电石渣、赤泥、煅烧硅藻土、煅烧铝矾土、去离子水为原材料制备的棕红色粉末，以纳米氢氧化铝晶体及纳米AFt晶体、纳米C-S-H晶体为主要成分。

8.根据权利要求3所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料，其特征在于，所述塑性膨胀剂是以氟硼酸重氮盐、亚氨基二乙腈为发气组分，以十聚甘油二硬酯酸酯、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇作为稳定组分，以氢氧化锂作为激发剂的塑性膨胀剂，以蓝绿色碳酸铜粉为催化剂，以重钙粉和滑石粉为混合填充材共同研磨制得。

9.根据权利要求1-8任一所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料的使用方法，其特征在于，通过人工手持搅拌机搅拌或全机械搅拌进行制备，当采用手持搅拌机搅拌时，将全部拌合用水加入搅拌桶中，加入75％配置好且精准称重的灌浆料粉体，搅拌至均匀后加入剩余25％的灌浆料粉体，继续搅拌2分钟至浆体均匀且流动性佳，静置2min排泡后方可使用；当采用全机械搅拌时，将全部拌和用水及配置好且精准称重的灌浆料粉体加入至搅拌机中，搅拌4-10分钟直至浆体均匀且流动性佳，静置2min排泡后方可使用。

10.根据权利要求9所述的低温型钢筋连接用套筒灌浆料的使用方法，其特征在于，水料比为0.11-0.13。