CN112299764B - 一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料及其配比设定方法 - Google Patents

一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料及其配比设定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料及其配比设定方法，包括干粉料和碱激发剂溶液，其中，所述干粉料包括高炉矿渣粉、粉煤灰沉珠、萘系减水剂、塑性膨胀剂、河砂以及铜尾矿料，所述碱激发剂溶液包括水玻璃、硝酸钡、氢氧化钠以及水，本方案是以碱矿渣作为胶凝材料制作的灌浆料，是一种新型的灌浆料，由于套筒的空间比较小，要保证灌浆料完全填充筒内，必须要有着良好的流动性，在标准规范中规定其初始流动度必须≥300mm，30min流动度必须≥260mm，因此，本方案通过萘系减水剂、氢氧化钠、铜尾矿料、细粒化高炉矿渣粉、粉煤灰沉珠、塑性膨胀剂、河砂掺合料来稳定碱激发矿渣套筒灌浆料的凝结时间及工作性。

Description

一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料及其配比设定方法
技术领域
本发明涉及建筑材料的技术领域，具体涉及一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料及其配比设定方法。
背景技术
在装配式建筑中，钢筋连接技术是影响装配式混凝土结构的关键因素，关系到整个装配式建筑的安全和使用寿命。目前使用最多的钢筋连接技术是套筒灌浆连接，套筒灌浆料的性能是影响整个结构安全及耐久性的重要因素。
现阶段工程中使用的大部分灌浆料主要分为以下三类：
(1)普通硅酸盐水泥为主要胶凝材料的灌浆料，需要掺入膨胀组分来补偿水泥水化硬化过程中产生的收缩。该类灌浆材料成本较低、配制简单，应用最为广泛，但其最大问题在于凝结速度缓慢、后期硬化会收缩、施工进度和质量受影响，对早期强度有要求的工程应用此类灌浆料就会受到限制。并且我国膨胀剂产品良莠不齐，膨胀组分自身性能的不足或与水泥的不适应容易造成灌浆料产品质量波动，因此通常需要进行反复试验调整以确定最佳配方。
(2)硫铝酸盐水泥为主要胶凝材料的灌浆料，由于硫铝酸盐水泥自身具有膨胀性能，因此不需要掺入膨胀组分。这类灌浆材料的主要特点是快硬早强、膨胀性能可靠，但后期强度不高，使得灌浆料在具有早强同时，会出现凝结速度太快、施工可操作时间短、流动度经时损失大等问题。并且硫铝酸盐水泥价格较普通硅酸盐水泥要高，必然导致硫铝酸盐水泥基灌浆料成本高。目前该类材料主要用于客运专线盆式橡胶支座的灌浆以及水泥混凝土路面的快速修补等工程。
(3)以硅酸盐水泥与硫铝酸盐水泥或铝酸盐水泥复合为主要胶凝材料，利用石膏等外加组分控制钙矾石生成量来改善力学性能及膨胀性能。目前采用此种方法配制的灌浆料的原料成分较为复杂，配合比需要经常调整。
为了解决以上技术问题，中国专利文件(公开号为CN103265253B)公开了一种装配式建筑施工用高性能灌浆料及其制备方法。灌浆料配制组分及其质量百分比为：最大粒径2.15-2.5mm的细砂45％-55％，水泥30％-40％；其它组分包括粉体聚羧酸减水剂0.2％-1.0％，灌浆料增强改性剂0.3％-1.0％，超细掺合材10％-15％，其是以硫铝酸盐水泥为主要胶凝材料制备而成的高性能灌浆料，但是，硫铝酸盐水泥凝结速度太快、施工可操作时间短、流动度经时损失大、后期强度倒缩及价格昂贵的问题依然不容忽视。
同样，中国专利文件(公开号为CN104844121A)一种灌浆料及制备方法，包括如下重量份数的组分：水泥320～500份；粉煤灰10～50份；细骨料400～550份；膨胀组分10～50份；减水剂1～20份；稳定剂0.5～2份；增稠剂0.02～1份；聚丙烯酰胺0.05～5份；膨润土60～150份，其由于包含减水剂、膨胀剂、稳定剂、增稠剂及膨润土等多种外加剂，外加剂组成复杂，导致施工成本高。
因此，现有灌浆材料主要表现在新拌浆体流动性差、用水量带宽小、强度不足、无早期塑性膨胀、后期膨胀性能不稳定等问题，这不仅给施工带来了一定难度、影响施工进度，而且会对工程质量造成负面影响，留下安全隐患，而且，工业固废铜尾矿料堆存对生态环境造成的污染，资源浪费，现有技术尚没有有效资源化利用。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种不仅实现在制备钢筋连接套筒灌浆料时，充分发挥碱矿渣水泥早强、高强的特点，有效提高套筒灌浆料的高性能化，而且有效解决了工业固废铜尾矿料堆存对生态环境造成的污染问题的含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料及其配比设定方法。
解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料，包括干粉料和碱激发剂溶液，其中，所述干粉料包括高炉矿渣粉、粉煤灰沉珠、萘系减水剂、塑性膨胀剂、河砂以及铜尾矿料，所述碱激发剂溶液包括水玻璃、硝酸钡、氢氧化钠以及水。
本方案是以碱矿渣作为胶凝材料制作的灌浆料，是一种新型的灌浆料，由于套筒的空间比较小，要保证灌浆料完全填充筒内，必须要有着良好的流动性，在标准规范中规定其初始流动度必须≥300mm，30min流动度必须≥260mm，因此，本方案通过萘系减水剂、氢氧化钠、铜尾矿料、细粒化高炉矿渣粉、粉煤灰沉珠、塑性膨胀剂、河砂掺合料来稳定碱激发矿渣套筒灌浆料的凝结时间及工作性。
其中，通过水玻璃的激发作用强于塑化作用，加速高炉矿渣粉水化，从而增加整体的凝结时间缩短，同时，使得灌浆料的浆体中自由水逐渐增多，从而其流动度逐渐变大，利用氢氧化钠与水玻璃的配合，生成的Na2CO3在碱激发胶凝体系中有着双重作用，Na2CO3既能促进水化同时也会抑制硅酸凝胶转化为水化硅酸钙，因此会产生缓凝的效果；在矿渣体系中掺入粉煤灰沉珠后，由于粉煤灰沉珠的活性比矿渣低，与水玻璃反应较慢，并且粉煤灰沉珠中含有大量的惰性物质(石英等)，在碱激发作用下，并不能发生聚合反应，因此就会延长套筒灌浆料的凝结时间；同时，由于粉煤灰沉珠是一种球状颗粒，表面比较光滑，玻璃微珠含量多，这样就会发挥润滑和滚珠效应，并且粉煤灰沉珠的密度较小，比矿渣密度小很多，这样就会更好的填充骨料间的空隙，从而使得套筒灌浆料的流动性不断的增大。
另一方面，通过增加塑型膨胀剂使得套筒灌浆料内部产生气体，这样就会产生一种滚动作用，使得其相对运动的滑动摩擦力变为滚动摩擦力，这就相当于减小了套筒灌浆料内部摩擦阻力，从而促进了浆体和细骨料的流动，这样就会增大套筒灌浆料的流动性；利用铜尾矿料颗粒大小介于矿渣和河砂之间的特性，将其用于制备钢筋连接套筒灌浆料，使得颗粒材料堆积紧密，从而实现套筒灌浆料良好的流动性能和力学性能。
进一步，按照重量百分比计算，所述高炉矿渣粉30％～50％，粉煤灰沉珠3％～8％、萘系减水剂0.2％～0.8％、塑性膨胀剂0.04％～0.09％、河砂30％～50％、铜尾矿料5％～15％、水玻璃2％～4％、氢氧化钠0.3％～1％、硝酸钡0.1％～0.3％、水8％～15％。
用氢氧化钠和水玻璃作为复合激发剂时，套筒灌浆料的凝结时间会延长，流动度随着氢氧化钠掺量的增多而降低，因此，将氢氧化钠重量百分比控制在0.3％～1％，水玻璃重量百分比控制在2％～4％，既能够增大套筒灌浆料的凝结时间，又能保持很好的流动性。
进一步，按照重量百分比计算，高炉矿渣粉40％，粉煤灰沉珠4％、萘系减水剂0.5％、塑性膨胀剂0.07％、河砂35％、铜尾矿料8％、水玻璃2％、氢氧化钠0.5％、硝酸钡0.1％、水9.83％。
进一步，按照重量百分比计算，高炉矿渣粉40％，粉煤灰沉珠4.8％、萘系减水剂0.4％、塑性膨胀剂0.08％、河砂38％、铜尾矿料5.6％、水玻璃2.4％、氢氧化钠0.4％、硝酸钡0.2％、水8.12％。
根据上面的优选方案制作出的套筒灌浆料初始流动度340mm，30min流动度280mm，1d抗压强度37.2MPa，3d抗压强度63MPa，28d抗压强度86.4MPa，3h竖向膨胀率为0.2％，24h竖向膨胀率为0.36％的高性能套筒灌浆料。
进一步，按照重量百分比计算，所述干粉料中的高炉矿渣粉41.9％，粉煤灰沉珠5.7％，铜尾矿料6.8％，河砂45.6％。
进一步，所述河砂的颗粒尺寸为0～2.36mm。能够保证钢筋套筒灌浆料的流动度、稳定性以及抗压能力。
进一步，所述河砂的颗粒尺寸为2.36mm。
一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料的配比设定方法，包括以下步骤：
a)采用筛分析法，河砂和铜尾矿料通过方孔筛进行筛选，确定河砂和铜尾矿料的颗粒级配；
b)采用激光粒度仪测定高炉矿渣粉和粉煤灰沉珠的粒径分布；
c)采用Dinger和Funk改进的Andreasen方程计算颗粒堆积目标曲线：
Figure BDA0002759287360000041
式中：P(D)-筛下累计百分数(％)；
Dmax-颗粒的最大粒径；
Dmin-颗粒的最小粒径；
q-分布模数，q范围在0.22～0.25；
D-颗粒粒径；
d)使用最小二乘法对颗粒材料的粒度分布堆积曲线与目标曲线进行拟合，RSS最小时即为颗粒材料的最佳比例，RSS计算公式如下：
Figure BDA0002759287360000042
式中：RSS-残差平方和；
n-从Dmin到Dmax的步数；
Pmix(Di)-混合料堆积曲线在Di时的筛下累计百分数；
Ptar(Di)-目标曲线在Di时的筛下累计百分数。
进一步，在步骤a)中，所述方孔筛的尺寸为1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm和0.075mm，确定河砂和铜尾矿料的颗粒级配。
进一步，在步骤b)中，所述分布模数q为0.23。由于本方案中的灌浆料是一种粉体较多的浆体，分布模数q在试验中得出取0.23时，套筒灌浆料的强度及流动度是很好的。
相比现有技术，本发明具有如下优点：
1、本发明用铜尾矿料与河砂相配合做细骨料，结合Dinger和Funk方程对钢筋套筒灌浆料的配比设定方式进行了优化，制作出的套筒灌浆料初始流动度340mm，30min流动度280mm，1d抗压强度37.2MPa，3d抗压强度63MPa，28d抗压强度86.4MPa，3h竖向膨胀率为0.2％，24h竖向膨胀率为0.36％的高性能套筒灌浆料，各项性能均满足标准规范，验证结果表明该配合比即为最佳配合比。
2、本发明用铜尾矿料和河砂相配合做细骨料时，其砂胶比对套筒灌浆料的性能影响较大，砂胶比越小，套筒灌浆料的流动度越大，在砂胶比为1.1时，套筒灌浆料的各龄期强度达到最大，分别为37.2MPa、63MPa和86.4MPa。
3、本发明中的铜尾矿料的掺入能够很好地改善砂的级配，但是对流动度有一定的负面影响，在铜尾矿料按照重量百分比计算为13％时，套筒灌浆料的强度达到最大值，流动度良好。
4、本发明在满足标准的要求下可以适当降低水胶比，当水胶比为0.37时，套筒灌浆料的1d、3d和28d抗压强度分别为：38.6MPa、64.3MPa和91.2MPa，初始流动度和30min流动度分别为300mm和260mm。
5、本发明通过对制备的套筒灌浆料的原材料价格进行计算发现：该方法制备的套筒灌浆料成本远低于市场价，大大降低了套筒灌浆的生产成本。
附图说明
图1为不同掺量的缓凝剂对套筒灌浆料凝结时间的影响；
图2为不同掺量的粉煤灰沉珠对套筒灌浆料凝结时间的影响；
图3为不同掺量的缓凝剂对套筒灌浆料流动度的影响；
图4为不同掺量的塑性膨胀剂对套筒灌浆料流动度的影响；
图5为不同掺量的粉煤灰沉珠对套筒灌浆料流动度的影响；
图6为不同掺量的缓凝剂对套筒灌浆料抗压强度的影响；
图7为不同掺量的塑性膨胀剂对套筒灌浆料抗压强度的影响；
图8为不同掺量的粉煤灰沉珠对套筒灌浆料抗压强度的影响；
图9为不同掺量的塑性膨胀剂对套筒灌浆料竖向膨胀率的影响；
图10为不同掺量的粉煤灰沉珠对套筒灌浆料竖向膨胀率差值的影响；
图11为各原料的粒径分布及其Dinger-Funk方程的粒径分布。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作其中说明。
本实施例：一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料，包括干粉料和碱激发剂溶液，其中，干粉料包括高炉矿渣粉、粉煤灰沉珠、萘系减水剂、塑性膨胀剂、河砂以及铜尾矿料，碱激发剂溶液包括水玻璃、硝酸钡、氢氧化钠以及水。
其中，按照重量百分比计算，所述高炉矿渣粉30％～50％，粉煤灰沉珠3％～8％、萘系减水剂0.2％～0.8％、塑性膨胀剂0.04％～0.09％、河砂30％～50％、铜尾矿料5％～15％、水玻璃2％～4％、氢氧化钠0.3％～1％、硝酸钡0.1％～0.3％、水8％～15％，而河砂的颗粒尺寸为0～2.36mm，优选为2.36mm。
作为优选，按照重量百分比计算，高炉矿渣粉40％，粉煤灰沉珠4％、萘系减水剂0.5％、塑性膨胀剂0.07％、河砂35％、铜尾矿料8％、水玻璃2％、氢氧化钠0.5％、硝酸钡0.1％、水9.83％，或者按照重量百分比计算，高炉矿渣粉40％，粉煤灰沉珠4.8％、萘系减水剂0.4％、塑性膨胀剂0.08％、河砂38％、铜尾矿料5.6％、水玻璃2.4％、氢氧化钠0.4％、硝酸钡0.2％、水8.12％。
除此之外，按照重量百分比计算，干粉料中的高炉矿渣粉41.9％，粉煤灰沉珠5.7％，铜尾矿料6.8％，河砂45.6％。
其中，本发明中的萘系减水剂采用的是江苏苏博特新材料股份有限公司生产的萘系减水剂，其粉剂褐黄色粉末，液体棕褐色粘稠液。
河砂：采用粒径小于2.36mm的洞庭湖天然河砂，细度模数2.7，表观密度为2600kg/m3。
塑性膨胀剂是以铝矾土矿物为主要材料在氮气气氛下，在炭和氧化钙存在的条件下，经1700℃高温烧结后产品经表面处理磨细而成，产物为黄色粉末。
发明人为了探究不同影响因素对套筒灌浆料的性能影响，作了以下实验：
1.1凝结时间
按照GB/T1346-2011的《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检测方法》进行测试。
1.1.1硝酸钡对套筒灌浆料凝结时间的影响
研究了硝酸钡作为缓凝剂对套筒灌浆料凝结时间的影响，配比设计水胶比0.4，碱当量6％，水玻璃模数1.4，萘系减水剂1％，缓凝剂Ba(NO3)2的掺量分别为0.5％、1％、2％、3％。试验结果参见图1所示。
由图1可知，随着缓凝剂Ba(NO3)2掺量的增加，套筒灌浆料的凝结时间逐渐延长；当掺量分别为0.5％、1％、2％、3％时，凝结时间分别为49min、72min、141min、200min，可以发现缓凝剂对套筒灌浆料的缓凝效果较好。这是因为在加入缓凝剂后由于Ba2+和水玻璃中的SiO3 2-会发生反应生成BaSiO3这种白色沉淀，随后白色沉淀会包裹在矿渣颗粒表面，从而阻止了矿渣在碱性环境中的进一步解离，从而使得套筒灌浆料的凝结时间延长。
1.1.2粉煤灰沉珠对套筒灌浆料凝结时间的影响
研究了粉煤灰沉珠对套筒灌浆料凝结时间的影响，配合比设计为水胶比0.4，碱当量6％，水玻璃模数1.4，单一改变粉煤灰沉珠掺量(0％、5％、10％、15％、20％、25％)。试验结果如图2所示。
由图2可知随着粉煤灰沉珠掺量的增加，套筒灌浆料的凝结时间逐渐延长；当其掺量为掺量分别为0％、5％、10％、15％、20％、25％时，其凝结时间分别为19min、20min、26min、32min、38min、40min。这主要是因为在矿渣体系中掺入粉煤灰沉珠后，由于粉煤灰沉珠的活性比矿渣低，与水玻璃反应较慢，并且粉煤灰沉珠中含有大量的惰性物质(石英等)，在碱激发作用下，并不能发生聚合反应，因此就会延长套筒灌浆料的凝结时间。
1.2流动度试验
按照JG/T408-2013《钢筋连接用套筒灌浆料》附录A进行。采用的圆锥截模尺寸大小：上口内径为70mm±0.5mm，下口内径为100mm±0.5mm，高度为60mm±0.5mm。
(1)首先称取1800g的灌浆材料，在水泥胶砂搅拌机搅拌使其原材料均匀混合，
(2)将玻璃板和圆锥截模湿润但是不能有明水，圆锥截模放在玻璃板的正中间位置。
(3)将灌浆材料倒入到圆锥截模中，使得灌浆材料与圆锥截模表面相平，缓缓的提起圆锥截模，此时不要让外界因素影响其流动，等到灌浆料停止流动时，用直尺来测定灌浆料的流动度，一般是测量水平方向和垂直方向。
(4)将玻璃板上的灌浆料倒入到搅拌锅内，采用覆膜的方式，防止水分散失，放置30min后，重复2～3步。
1.2.1缓凝剂对套筒灌浆料流动度的影响
设计配合比为水胶比0.4，水玻璃模数1.4，碱当量6％，砂胶比1.0，萘系减水剂1％，五种不同的缓凝剂掺量(0％、0.5％、1％、2％、3％)，测试了套筒灌浆料的流动度。试验结果如图3所示。
由图3可知随着缓凝剂掺量的增多，套筒灌浆料的初始流动度先减小后增大再减小，30min流动先增大后减小在增大。这主要是因为：在水化早期，Ba2+会与SiO3 2-发生反应生产BaSiO3白色沉淀，这种白色沉淀会形成包裹层将矿渣颗粒包裹在内部，当掺量较小时(0.5％)，此时生成的包裹层不能将矿渣颗粒完全包裹，仍然会有部分矿渣与碱发生反应，消耗一部分自由水，从而使得初始流动度降低，而当掺量为过大时(＞1％)时，此时形成的包裹层太厚，将矿渣完全包裹，此时由于包裹层太厚，在破坏包裹层时需要较大的剪切力，因此表现为缓凝剂掺量过多，粘度偏大，流动度降低的特点。30min流动度在不掺入缓凝剂时，由于浆体凝结过快，没到30min就已经初凝，因此流动度为0，掺入一定量的缓凝剂后，有效的延缓了凝结时间，相当于在30min时，体系内部还有多余的自由水，从而有着良好的流动度。因此缓凝剂的掺量不能过多。
1.2.2塑性膨胀剂对套筒灌浆料流动度的影响
设计配合比为水胶比0.4，水玻璃模数1.4，碱当量6％，砂胶比1.0，萘系减水剂1％，七种不同的塑性膨胀剂掺量(0％、0.16％、0.18％、0.20％、0.22％、0.24％、0.26％)，测试了套筒灌浆料的流动度。试验结果如图4所示。
由图4中可知加入早期塑性膨胀剂后，套筒灌浆料的初始流动度会先逐渐增加后趋于平缓，当掺量超过0.2％时，流动度增大幅度降低，在掺量为0.2％时，套筒灌浆料的流动度为335mm，与空白对照组相比增加4.6％，比掺量为0.16％时提高1.5％。这主要是由于这种塑型膨胀剂有引气的效果，在碱性环境中可以产生大量微小独立的氨气，随着塑型膨胀剂的掺量的增大，气体产生量逐渐增多，这样就会产生一种滚动作用，在套筒灌浆料内部使得其相对运动的滑动摩擦力变为滚动摩擦力，这就相当于减小了套筒灌浆料内部摩擦阻力，从而促进了浆体和细骨料的流动，这样就会增大套筒灌浆料的流动性。
1.2.3粉煤灰沉珠对套筒灌浆料流动度的影响
设计配合比为水胶比0.4，水玻璃模数1.4，碱当量6％，砂胶比1.0，萘系减水剂1％，六种不同粉煤灰沉珠掺量，测试了套筒灌浆料的流动度，试验结果如图5所示。
由图5可知随着粉煤灰沉珠掺量的增大，套筒灌浆料的流动度逐渐增加；这主要是由于粉煤灰沉珠是一种球状颗粒，表面比较光滑，玻璃微珠含量多，这样就会发挥润滑和滚珠效应，并且粉煤灰沉珠的密度较小，比矿渣密度小很多，这样就会更好的填充骨料间的空隙，从而使得套筒灌浆料的流动性不断的增大。
1.3抗压强度试验
灌浆料的抗压强度按照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度试验(ISO法)》进行进行。将搅拌好的灌浆料倒入到40×40×40的钢膜中，使得灌浆料与钢膜上表面平齐，放在标准养护箱里养护，在龄期为1d，3d，28d时测定其抗压强度，测试结果去3个试件的平均值。抗压强度按下式计算：
Figure BDA0002759287360000081
上式中：—灌浆料的抗压强度(MPa)；
F—试件破坏极限荷载(N)；
A—试件受压面积(mm2)。
1.3.1缓凝剂对套筒灌浆料力学性能的影响
设计配合比为水胶比0.4，水玻璃模数1.4，碱当量6％，砂胶比1.0，萘系减水剂1％，五种不同的缓凝剂掺量，分别测试了套筒灌浆料1d、3d和28d的抗压强度。试验结果如图6所示。
由图6可知缓凝剂对套筒灌浆料的早期抗压强度有负面影响，随着缓凝剂掺量的增多其抗压强度逐渐降低，而随着矿渣水化的进行，缓凝剂对抗压强度的负面影响逐渐减弱；当掺量为0.5％时，1d抗压强度与空白组相比降低了6.2％，3d抗压强度与空白组相比降低了6.7％，而28d抗压强度与空白组相比则增加了3.1％。这是因为加入Ba(NO3)2后，Ba2+就会与水玻璃中的SiO3 2-发生反应生成乳白色沉淀BaSiO3包裹在矿渣表面，从而阻止了矿渣与OH-的接触，进一步延缓了矿渣的解离，从而导致早期C-S-H凝胶的生成量变少，对早期强度产生不利影响，随着水化的进行，包裹在矿渣外面的沉淀就会被破坏，从而使得套筒灌浆料的抗压强度正常发展，缓凝剂能够有效的延缓矿渣与碱的反应，从而使得浆体反应更加均匀，结构更加致密，有利于后期强度发展。
1.3.1塑性膨胀剂对套筒灌浆料力学性能的影响
设计配合比为水胶比0.4，水玻璃模数1.4，碱当量6％，砂胶比1.0，萘系减水剂1％，七种不同的塑性膨胀剂掺量(0％、0.16％、0.18％、0.20％、0.22％、0.24％、0.26％)，分别测试了套筒灌浆料1d、3d和28d抗压强度。试验结果如图7所示。
由图7可知与不掺塑性膨胀剂相比，掺入塑性膨胀剂都使得套筒灌浆料的抗压强度降低，塑性膨胀剂的主要作用是为了提供早期膨胀，使得钢筋，套筒，灌浆料能够紧密的连接在一起，因此合适掺量的塑性膨胀剂是套筒灌浆料能够发挥作用的前提，从图7中可以发现，当塑性膨胀剂的掺量为0.20％时，套筒灌浆料1d、3d和28d抗压强度与空白组相比分别降低了：0.5％、4.3％和1.6％，可以发现掺量为0.2％的塑性膨胀剂不至使得套筒灌浆料的抗压强度降低很大。这是因为在矿渣水化的早期阶段，掺入的塑性膨胀剂后，由于碱矿渣体系是强碱体系，会导致其与碱反应释放出氨气，形成均匀的致密的孔隙，这样就会导致孔隙增多，从而使得强度降低，并且随着掺量的增多，孔隙会越来越多，这样就会造成强度降低幅度增大，随着水化的进行，矿渣的水化产物会逐渐增多，从而填充毛细孔，使得套筒灌浆料的整体结构变得密实。而当塑性膨胀剂的掺量增加时，浆体内的孔隙会增多，这样就使得套筒灌浆料的整体结构不密实，而降低套筒灌浆料的抗压强度。
1.3.2粉煤灰沉珠对套筒灌浆料力学性能的影响
设计配合比为水胶比0.4，水玻璃模数1.4，碱当量6％，砂胶比1.0，萘系减水剂1％，六种不同粉煤灰沉珠掺量，分别测试了套筒灌浆料1d、3d和28d的抗压强度，试验结果如图8所示。
由图8可知随着粉煤灰沉珠掺量的增多，套筒灌浆料1d和3d的抗压强度均降低，而粉煤灰沉珠掺量为10％时，28d抗压强度与空白组相比增加了1.4％。当粉煤灰沉珠掺量为25％时，套筒灌浆料的各龄期抗压强度均为最小值，与空白组相比，1d、3d和28d抗压强度分别降低了37％、26.6％和15.6％，粉煤灰沉珠对套筒灌浆料的早期强度影响较大，降低幅度也较大，一定掺量的粉煤灰沉珠会对套筒灌浆料的后期抗压强度起到促进作用。这是因为粉煤灰沉珠和矿渣虽然都是铝硅酸盐材料。但是矿渣的主要成分为CaO和SiO2，而粉煤灰沉珠的主要成分为Al2O3和SiO2。相关学者研究表明钙含量是碱激发胶凝材料强度发展的重要组成部分，Ca能够直接使网络玻璃体解聚，因此矿渣含量高时，表现出早期抗压强度高，粉煤灰沉珠是一种空心玻璃体，结构上一种大球包裹着小球的颗粒，因此早期水化速率慢，表现为早期抗压强度降低，当加入粉煤灰沉珠后，随着水化的进行，粉煤灰沉珠能够与游离的碱发生反应，从而消耗掉游离的碱，生成了更多的水化产物，使得套筒灌浆料的结构变得致密，从而在一定程度上能够增加后期抗压强度。
1.4竖向膨胀率试验
套筒灌浆料的竖向膨胀率试验按照JG/T408-2019《钢筋连接用套筒灌浆料》中的附录C进行。将钢膜放在钢板上固定好，将玻璃板放在钢膜的中间位置，然后将搅拌好的灌浆材料从一侧缓缓倒入，直到另一侧高出钢膜大约2mm为止，然后用湿歩将高出钢膜的浆体盖住，然后将磁力支座固定在钢板上，将百分表固定在磁力支座的卡座上，使得百分表的表头与玻璃板垂直，调节百分表的指针，使得指针指在百分表总量程的一半，并且安装牢固后，记下此时的百分表的读书h0，从加拌合水开始计时，分别在3h和24h读数，整个操作控制室温在20±2℃。
竖向膨胀率公式计算如下式:
εt＝×100 (4-2)
式中：εt—竖向膨胀率
ht—试件龄期为t时的高度读数(mm)
h0—试件高度的初始读数(mm)
h—试件基准高度100(mm)
注：测量结果取一组三个试件的平均值，计算精确到10-2。
1.4.1塑性膨胀剂对套筒灌浆料竖向膨胀率的影响
设计配合比为水胶比0.4，水玻璃模数1.4，碱当量6％，砂胶比1.0，萘系减水剂1％，六种不同的塑性膨胀剂掺量(0.16％、0.18％、0.20％、0.22％、0.24％、0.26％)，测试了套筒灌浆料竖向膨胀率。试验结果如图9所示。
从图9可知随着塑性膨胀剂掺量的增加，当掺量≥0.18％时，24h与3h竖向膨胀率的差值逐渐增大；这也说明了这种塑性膨胀剂的效果较好，能够套筒灌浆料早期膨胀性能的要求。随着矿渣的继续水化，早期产生的气孔已经逐渐消失，并且C-S-H凝胶逐渐变多，结果也变得比较致密，改善了孔结构，从而增加了浆体的抗压强度。
1.4.2粉煤灰沉珠对套筒灌浆料竖向膨胀率的影响
设计配合比为水胶比0.4，水玻璃模数1.4，碱当量6％，砂胶比1.0，萘系减水剂1％，塑性膨胀剂掺量固定为0.2％，六种不同粉煤灰沉珠掺量(0％、5％，10％、15％、20％、25％)，测试了套筒灌浆料的竖向膨胀率，试验结果如图10所示。
由图10可知随着粉煤灰掺量的增大，套筒灌浆料竖向膨胀率的差值越来越大。这是因为粉煤灰对24h膨胀影响更大，掺入粉煤灰能够调节的竖向膨胀率。
因此，从实验数据以及结果得到最优方案：高炉矿渣粉30％～50％，粉煤灰沉珠3％～8％、萘系减水剂0.2％～0.8％、塑性膨胀剂0.04％～0.09％、河砂30％～50％、铜尾矿料5％～15％、水玻璃2％～4％、氢氧化钠0.3％～1％、硝酸钡0.1％～0.3％、水8％～15％。
为了进一步验证上述的最优方案，发明人研发了一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料的配比设定方法，其包括以下步骤：
a)采用筛分析法，河砂和铜尾矿料通过方孔筛进行筛选，确定河砂和铜尾矿料的颗粒级配；
b)采用激光粒度仪测定高炉矿渣粉和粉煤灰沉珠的粒径分布；
c)采用Dinger和Funk改进的Andreasen方程计算颗粒堆积目标曲线，如式1
Figure BDA0002759287360000111
式中：P(D)-筛下累计百分数(％)；
Dmax-颗粒的最大粒径；
Dmin-颗粒的最小粒径；
q-分布模数，q范围在0.22～0.25；
D-颗粒粒径；
d)使用最小二乘法对颗粒材料的粒度分布堆积曲线与目标曲线进行拟合，RSS最小时即为颗粒材料的最佳比例，RSS计算公式如式2：
Figure BDA0002759287360000112
式中：RSS-残差平方和；
n-从Dmin到Dmax的步数；
Pmix(Di)-混合料堆积曲线在Di时的筛下累计百分数；
Ptar(Di)-目标曲线在Di时的筛下累计百分数。
其中，在步骤c)中的式1，是通过采用根据Fulle和Andersen[94]的研究结果，颗粒间的最紧密堆积公式如下式计算：
Figure BDA0002759287360000121
上式中：P(D)-筛下累计百分数(％)；
Dmax-堆积体中颗粒的最大粒径；
q-分布模数；
D-颗粒粒径；
分布模数q是一个重要参数，其对配合比设计有着重要的影响，Andreasen从大量的试验中推断出q的范围应该在
Figure BDA0002759287360000122
之间才能使得体系达到最紧密堆积。而Fuller和Thomsen[12]的研究，在很多出版物中都指出分布模数为
Figure BDA0002759287360000123
富勒曲线的分布模数，并且运用于常规的自密实混凝土设计规范。但是在混凝土的配合比设计中，存在一个问题，那就是上式中的粒径只有最大粒径，默认最小粒径为0，然而在实际工程中，原材料必然存在最小粒径，因此，Dinger和Funk[95]在粉体中引入最小粒径限制对Andreasen方程进行了修正得到的。
而在步骤c)中的式1的分布模数q主要影响粗颗粒和细颗粒的比例。当分布模数q＞0.5时，将导致拌合物中富含粗颗粒，而当q＜0.25时，将导致拌合物中富含细颗粒。而使用不同的分布模数将使得粗颗粒和细颗粒比例不同来设计配合比。Brouwer[94]通过研究发现：当对干硬性混凝土时(EMC)进行配合比设计时，分布模数q的范围通常在0.325～0.375，这样体系就能获得最大紧密堆积密度；而Hunger[12,96]通过研究指出：当对自密实混凝土(SCC)进行配合比设计时，分布模数q的取值范围为：0.22～0.25，这样使得体系能够获得最大紧密堆积密度。在方案中，灌浆料是一种粉体较多的浆体，分布模数q在0.22～0.25之间选择，在前期试验中得出分布模数q取0.23时，套筒灌浆料的强度及流动度比较适合，因此，在后续试验中q取0.23。
作为优选，在步骤a)中，所述方孔筛的尺寸为1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm和0.075mm，确定河砂和铜尾矿料的颗粒级配。
作为优选，在步骤b)中，所述分布模数q为0.23。由于本方案中的灌浆料是一种粉体较多的浆体，分布模数q在试验中得出取0.23时，套筒灌浆料的强度及流动度是很好的。
研究中q取0.23，首先原材料的粒径分布通过激光粒度仪测定，测试结果如图11所示。其中，SG代表高炉矿渣粉，CT代表铜尾矿料，S代表河砂，F代表粉煤灰沉珠，P代表混合料的实际粒径分布，target代表通过Dinger-Funk方程求解出来的目标粒径分布；通过粒度分析以及Dinger和Funk方程，借助Excel来进行规划求解，求解结果如表1所示，并根据求解结果进行相关性能测试，测试结果如表2所示。并对求解出来的配合比进行验证，看是否满足最优解的性能要求。
表1基于Dinger-Funk模型的灌浆料配合比的优化求解结果
Figure BDA0002759287360000131
表2试验结果
Figure BDA0002759287360000132
其中，随着铜尾矿料掺量的增加，套筒灌浆料的1d、3d和28d抗压强度均先增大后减小。当掺量为13％，套筒灌浆料的1d、3d和28d抗压强度达到最大值，与空白组相比抗压强度分别提升：5.7％，2.8％，12.2％。这主要是因为：(1)铜尾矿料本身的粒径较小，用铜尾矿料取代部分天然后，铜尾矿料可以填充在河砂的空隙中，使得套筒灌浆料的结构更加密实；(2)铜尾矿料的粗糙程度较大，而且铜尾矿料的表面有许多棱角，因此铜尾矿料颗粒之间的作用力比河砂要大，当铜尾矿料取代部分河砂后，细骨料之间的就会变得更加紧密，因此矿渣水化与细骨料之间形成了致密的结构；(3)铜尾矿料是经过岩石的破碎后形成的，而且其密度比河砂的密度大，因此其坚固性也比河砂大，这样在河砂中加入铜尾矿料后，整个体系的坚固性和密度也会相应的提高；(4)13％掺量的铜尾矿料使得体系为最紧密堆积状态，因此结构紧密。综上所述，加入一定量的铜尾矿料会增加套筒灌浆料的抗压强度。而当铜尾矿料掺量过多时，由于其粒径比较小，这样就会导致浆体的需水量增大，从而使得拌合物比较敢稠，粘度增大，这样不利于矿渣的水化，从而使得套筒灌浆料的抗压强度逐渐降低。因此合适的掺量的铜尾矿料对套筒灌浆料的抗压强度有着积极作用。
随着铜尾矿料掺量的增加，套筒灌浆料的流动度先减小后增大再减小。当掺量为13％时，初始流动度与30min流动度与空白组相比分别降低了2.8％和3.4％，当掺量为20％时，初始和30min流动度均达到最小值，分别为285mm和230mm，与空白组相比，分别降低了18.6％和20.7％。这主要是因为:铜尾矿料比河砂要细，铜尾矿料里面的粉料含量比较多，比表面积大，当在河砂中加入铜尾矿料后，就会导致需水量增加，从而使得相同水胶比时，掺入铜尾矿料会降低套筒灌浆料的流动度，而掺量为13％时，此时体系处于最紧密堆积状态，体系内部的空隙较少，其流动度可以满足要求。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料，其特征在于，包括干粉料和碱激发剂溶液，其中，所述干粉料包括高炉矿渣粉、粉煤灰沉珠、萘系减水剂、塑性膨胀剂、河砂以及铜尾矿料，所述碱激发剂溶液包括水玻璃、硝酸钡、氢氧化钠以及水，按照重量百分比计算，所述高炉矿渣粉30％～50％，粉煤灰沉珠3％～8％、萘系减水剂0.2％～0.8％、塑性膨胀剂0.04％～0.09％、河砂30％～50％、铜尾矿料5％～15％、水玻璃2％～4％、氢氧化钠0.3％～1％、硝酸钡0.1％～0.3％、水8％～15％。
2.根据权利要求1所述的含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料，其特征在于，按照重量百分比计算，高炉矿渣粉40％，粉煤灰沉珠4％、萘系减水剂0.5％、塑性膨胀剂0.07％、河砂35％、铜尾矿料8％、水玻璃2％、氢氧化钠0.5％、硝酸钡0.1％、水9.83％。
3.根据权利要求1所述的含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料，其特征在于，按照重量百分比计算，高炉矿渣粉40％，粉煤灰沉珠4.8％、萘系减水剂0.4％、塑性膨胀剂0.08％、河砂38％、铜尾矿料5.6％、水玻璃2.4％、氢氧化钠0.4％、硝酸钡0.2％、水8.12％。
4.根据权利要求1所述的含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料，其特征在于，按照重量百分比计算，所述干粉料中的高炉矿渣粉41.9％，粉煤灰沉珠5.7％，铜尾矿料6.8％，河砂45.6％。
5.根据权利要求1-4任一项所述的含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料，其特征在于，所述河砂的颗粒尺寸为0～2.36mm。
6.一种含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料的配比设定方法，其特征在于，
a)将上述权利要求1-5任一项的所述的含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料采用筛分析法，河砂和铜尾矿料通过方孔筛进行筛选，确定河砂和铜尾矿料的颗粒级配；
b)采用激光粒度仪测定高炉矿渣粉和粉煤灰沉珠的粒径分布；
c)采用Dinger和Funk改进的Andreasen方程计算颗粒堆积目标曲线：
Figure FDA0003421877900000011
式中：P(D)-筛下累计百分数(％)；
Dmax-颗粒的最大粒径；
Dmin-颗粒的最小粒径；
q-分布模数，q范围在0.22～0.25；
D-颗粒粒径；
d)使用最小二乘法对颗粒材料的粒度分布堆积曲线与目标曲线进行拟合，RSS最小时即为颗粒材料的最佳比例，RSS计算公式如下：
Figure FDA0003421877900000021
式中：RSS-残差平方和；
n-从Dmin到Dmax的步数；
Pmix(Di)-混合料堆积曲线在Di时的筛下累计百分数；
Ptar(Di)-目标曲线在Di时的筛下累计百分数。
7.根据权利要求6所述的含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料的配比设定方法，其特征在于，在步骤a)中，所述方孔筛的尺寸为1.18mm、0.60mm、0.30mm、0.15mm和0.075mm，确定河砂和铜尾矿料的颗粒级配。
8.根据权利要求6所述的含铜尾矿料砂的钢筋套筒灌浆料的配比设定方法，其特征在于，在步骤c)中，所述分布模数q为0.23。
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Černý et al. Faculty of Civil Engineering, Brno University of Technology, Veveří 331/95, 60200 Brno, Czech Republic meszarosova. l@ fce. vutbr. cz

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