CN113998959B - 一种钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料，所述智能灌浆料采用以下原料按重量比混配均匀而成：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，0.9～1.32；功能填料，0.011～0.01625；粉煤灰，0～0.13；硅灰，0.06～0.13；矿粉，0～0.13；外加剂，0.04525～0.06990；水，0.24～0.27。本发明的智能灌浆料具备应变、应力自感知性能和良好的电学稳定性能，并同时满足钢筋套筒用高强灌浆料对工作性能的相关要求，为灌浆套筒具备灌浆缺陷和应力状态的自监测能力提供了关键材料基础，解决了传统灌浆料应用部位难以监测的技术问题。

Description

一种钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料
技术领域
本发明属于建筑材料技术领域，涉及一种钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料。
背景技术
混凝土是世界上使用最多的材料之一，它与世界资源、能源消耗、二氧化碳排放等密切相关。传统的施工方法存在诸多问题，如：环境污染、扬尘污染、水资源浪费、施工周期长。加上我国人口优势逐渐减弱，人口老龄化加剧，这一现象导致劳动力短缺和生产成本不断上升。因此，装配式建筑因其自身的优点而被大力提倡，日本每年约建造15万套预制房屋，欧洲多国装配率高达80％，我国从2013年开始，陆续颁布并实施了一系列政策措施，来大力提倡并强制新建建筑物达到一定比例的装配率。但是，装配式结构的耐久性一直为人们所担忧。其中，不同构件之间的连接是影响装配式建筑整体性和耐久性的关键。钢筋套筒连接形式是对预制构件进行搭接的主要方式之一，灌浆料是整个套筒连接的薄弱环节，其在施工过程中的灌浆质量和服役过程中的工作性能对整体结构的安全性、耐久性至关重要。
装配式建筑用高强灌浆料是以高标号水泥作为胶凝材料，并且加入一定量的砂、膨胀剂、减水剂等其他组分形成的干混料，使其具有微膨胀、高流动性等性能。过去，大量的试验研究主要针对灌浆料的机械性能和工作性能，通过掺加粉煤灰、硅灰、高效聚羧酸减水剂、膨胀剂等原材料，可以提高传统灌浆料的抗压强度、流动度、竖向膨胀率等性能。然而目前，高强灌浆料质量仍参差不齐，其在施工过程中的灌浆质量和服役过程中的工作性能难以保证。目前，针对灌浆套筒连接部位的监测方法主要通过外加光纤光栅、压电陶瓷等传感器，或者借助电磁波、X射线、超声波等方式，以上方法存在诸多局限性：与混凝土结合耐久性差；成本高；施工难度大；受限于灌浆套筒的狭窄空间。与此同时，目前针对灌浆套筒应力状态监测方法的研究相对较少，其无损监测方法相对单一。
最近，自感知水泥基复合材料得到大力发展。通过添加功能填料，使传统的水泥基材料具备了感知应力、应变和破坏程度的能力，同时具有良好的电学稳定性能。1930年左右，国外就开始了对自感知水泥基复合材料的研究。到目前为止，已有十余种类型的功能填料被应用到水泥基材料中。其中，多尺度的碳基材料是目前应用最多的功能填料类型。但是，现有针对自感知水泥基复合材料的研究显示，其流动度、抗压强度等工作性能远不能满足高强灌浆料对工作性能的要求。
目前，装配式建筑用钢筋套筒使用的灌浆材料多以传统高强灌浆料为主，这种材料不具备应力自感知性能和良好的电学稳定性能。从而，传统灌浆料填充的灌浆套筒等连接部位不具备灌浆缺陷和应力状态的自监测能力。目前，关于灌浆套筒用智能灌浆料的研究未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料，其具备应变、应力自感知性能和良好的电学稳定性能，并同时满足钢筋套筒用高强灌浆料对工作性能的相关要求，为灌浆套筒具备灌浆缺陷和应力状态的自监测能力提供了关键材料基础，解决了传统灌浆料应用部位难以监测的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料，采用以下原料按重量比混配均匀而成：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，0.9～1.32；功能填料，0.011～0.01625；粉煤灰，0～0.13；硅灰，0.06～0.13；矿粉，0～0.13；外加剂，0.04525～0.06990；水，0.24～0.27，其中：
石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.5～0.72；40目～70目，0.4～0.6；
功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.1～0.125；200μm碳纤维粉，1.0～1.5；
外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，4.0～6.0；塑性膨胀剂，0.025～0.05；聚羧酸高效减水剂，0.4～0.8；消泡剂，0.10～0.14。
进一步的，所述矿粉为S95级矿粉，所述粉煤灰为一级粉煤灰，所述硅灰为优质硅灰。
进一步的，所述塑性膨胀剂为QH-100型塑性膨胀剂。
进一步的，所述消泡剂为德国明凌化学粉末消泡剂P803，由液态碳氢化合物、聚乙二醇和非结晶性二氧化矽组成。
发明原理：
本发明由包含满足灌浆料结构性能要求的基本组分和应变、应力自感知性能的功能组分两大部分组成。通过掺加高效聚羧酸减水剂、粉煤灰、硅灰等传统原材料可以改善灌浆料的流动度和密实度，降低孔隙率，提高各龄期强度，并同时保证灌浆料的流动度等工作性能；通过添加多尺度碳基材料，使其在灌浆料内部形成导电网络，从而提高传统灌浆料的应变、应力传感特性，并且其同时具备良好的电学稳定性能。
本发明以满足传统高强灌浆料工作性能的基本组分为基础，通过添加多尺度碳基材料，使其具备应变、应力自感知能力和良好的电学稳定性能，具体具有以下特点：
(1)流动性好，在水灰比很低的情况下，可获得较大的流动度，可对灌浆套筒进行较好的填充，保证其在施工过程中的灌浆质量，其初始流动度大于300mm，30min流动度大于260mm。
(2)无收缩，具有微膨胀性能，能确保灌浆料在套筒内部密实，不会产生收缩裂缝，3h竖向膨胀率大于0.02％。
(3)早强高强，1d抗压强度大于35MPa，28d抗压强度大于85MPa。
(4)具备应变、应力自感知性能，压力在0～60MPa范围内，试件的电阻值变化率最大值约为9～12％；压阻系数大于1.5×10-9·Pa-1。
(5)具有良好的电学稳定性能，在对灌浆套筒注浆起30min范围内，灌浆套筒的电阻值变化率小于4％。
(6)本发明将高强灌浆料与自感知水泥基复合材料相结合，以具备传统高强灌浆料工作性能的基本组分为基础，通过添加多尺度碳基材料，使其具备应力、应变自感知性能，同时其工作性能满足高强灌浆料相关要求。
(7)本发明将传统灌浆料的结构功能和自感知水泥基复合材料的感知功能完美结合，为后续灌浆料应用部位的无损监测提供了关键材料基础。
(8)可用于预制构件连接、梁柱界面、梁板补强加固、钢轨钢架钢柱与基础的固定连接。
附图说明
图1是自感知性能试验测试所用试件及其电极固定方式图；
图2是压阻耦合试验测试流程图；
图3是实施例1中智能灌浆料的电阻值变化率与压力之间的关系图；
图中，1-铜网电极材料，2-灌浆料试件，3-DC电源，4-受压过程，5-定值电阻，6-ADAM4117采集模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
本发明提供了一种钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料，所述智能灌浆料采用以下原料按重量比混配均匀而成：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，0.9～1.32；功能填料，0.011～0.01625；粉煤灰，0～0.13；硅灰，0.06～0.13；矿粉，0～0.13；外加剂，0.04525～0.06990；水，0.24～0.27，其中：
石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.5～0.72；40目～70目，0.4～0.6；
功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.1～0.125；200μm碳纤维粉，1.0～1.5；
外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，4.0～6.0；塑性膨胀剂，0.025～0.05；聚羧酸高效减水剂，0.4～0.8；消泡剂，0.10～0.14。
进一步的，所述矿粉为S95级矿粉，所述粉煤灰为一级粉煤灰，所述硅灰为优质硅灰。
进一步的，所述塑性膨胀剂为QH-100型塑性膨胀剂。
进一步的，所述消泡剂为德国明凌化学粉末消泡剂P803，由液态碳氢化合物、聚乙二醇和非结晶性二氧化矽组成。
按上述原料配比在制作水泥基智能灌浆料过程中，所有原料取料的重量误差控制在"±"5％。
本发明制备智能灌浆料时，按原料配比备料，需要一台磁力搅拌器、超声波仪、砂浆搅拌机。具体步骤如下：
(1)将水、功能填料、高效聚羧酸减水剂在烧杯中配成溶液，在磁力搅拌器下搅拌3min，然后对悬浮液超声30min。
(2)将超声后的溶液在砂浆搅拌机中搅拌3min，然后加入水泥、硅灰、粉煤灰、石英砂搅拌1min。
(3)加入其它剩余原材料，在砂浆搅拌机下搅拌10min。
通过以上步骤，即可得到分散均匀的具有良好的电学稳定性能和应变、应力自感知性能的智能灌浆料浆体。
灌浆料传统性能按照JG/T 408-2019《钢筋连接用套筒灌浆料》规范要求方法测试。在标准条件下对试件进行压阻系数测试时，测试方法采用DC两电极法，电极固定方式采用嵌入式，在测试之前预通电15min以减弱极化效应带来的影响，如图1所示。其中，试件与电液伺服试验机接触处通过垫加环氧树脂板来达到绝缘的目的，压阻性能测试及监测具体流程如图2所示。压阻系数的求解公式如下所示：
Figure BDA0003397645260000071
上述公式中，Δρ是电阻率变化值，ρ是电阻率，ΔR是电阻值变化值，R是电阻值，σ是压强。
实施例1
本实施例中，钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.016；粉煤灰，0.1；硅灰，0.1；外加剂，0.06745；水，0.25，其中：
所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.6；40目～70目，0.4；
所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.1；200μm碳纤维粉，1.5；
所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。
实施例2
本实施例中，钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.011；粉煤灰，0.12；硅灰，0.12；外加剂，0.06745；水，0.26，其中：
所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.5；40目～70目，0.5；
所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.1；200μm碳纤维粉，1.0；
所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。
实施例3
本实施例中，钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.2；功能填料，0.01125；粉煤灰，0.123；硅灰，0.077；外加剂，0.06745；水，0.26，其中：
所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.72；40目～70目，0.48；
所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.125；200μm碳纤维粉，1.0；
所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。
实施例4
本实施例中，钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.01125；矿粉，0.13；硅灰，0.13；外加剂，0.06745；水，0.25，其中：
所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.5；40目～70目，0.5；
所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.125；200μm碳纤维粉，1.0；
所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。
实施例5
本实施例中，钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.011；矿粉，0.1；硅灰，0.1；外加剂，0.06745；水，0.27，其中：
所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.6；40目～70目，0.4；
所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.1；200μm碳纤维粉，1.0；
所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。
对比例1
本对比例中，钢筋套筒用传统高强灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；粉煤灰，0.07；矿粉，0.07；硅灰，0.07；外加剂，0.06745；水，0.26，其中：
所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.6；40目～70目，0.4；
所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。
对比例2
本对比例中，钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.03；粉煤灰，0.07；矿粉，0.07；硅灰，0.07；外加剂，0.06745；水，0.26，其中：
所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.6；40目～70目，0.4；
所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，1.0；200μm碳纤维粉，2.0；
所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。
对比例3
本对比例中，钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.0006；粉煤灰，0.07；矿粉，0.07；硅灰，0.07；外加剂，0.06745；水，0.26，其中：
所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目～40目，0.6；40目～70目，0.4；
所述功能填料为多壁碳纳米管；
所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。
对比例4
本对比例中，钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料包括以下组分：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，1.0；功能填料，0.016；粉煤灰，0.07；矿粉，0.07；硅灰，0.07；外加剂，0.06745；水，0.26，其中：
所述石英砂粒径范围为0.08mm～2mm；
所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：2mm短切碳纤维，0.1；200μm碳纤维粉，1.5；
所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，6.0；塑性膨胀剂，0.025；聚羧酸高效减水剂，0.6；消泡剂，0.12。
对实施例1-5以及对比例1-4进行传统工作性能和自感知性能测试，结果见下表1。
表1
Figure BDA0003397645260000111
Figure BDA0003397645260000121
从对比例1可以看出，传统高强灌浆料不具备感知应力、应变的能力；从对比例2可以看出，相对较大含量的2mm短切碳纤维对抗压强度有较大程度的劣化，并且较大程度降低灌浆料的流动度；从对比例3可以看出，多壁碳纳米管的加入对抗压强度有较大程度的劣化；从对比例4可以看出，大粒径石英砂的加入大幅度降低了智能灌浆料的应力、应变自感知性能，但是其对力学性能有一定的增强作用。
通过以上过程，最终得到的智能灌浆料既能满足高强灌浆料的工作与结构性能要求，同时又具备应变、应力自感知能力和良好的电学稳定性能。本发明的智能灌浆料作为装配式建筑钢筋套筒的封装材料，将灌浆套筒的监测功能和工作性能完美结合，为实现套筒灌浆饱满度和应力状态的自监测能力提供了关键材料基础。

Claims (5)

1.一种钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料，其特征在于所述智能灌浆料采用以下原料按重量比混配均匀而成：P.Ⅱ52.5R硅酸盐水泥，1.0；石英砂，0.9~1.32；功能填料，0.011~0.01625；粉煤灰，0~0.13；硅灰，0.06~0.13；矿粉，0~0.13；外加剂，0.04525~0.06990；水，0.24~0.27；所述石英砂按照级配和重量比由以下原料混配而成：20目~40目，0.5~0.72；40目~70目，0.4~0.6；所述功能填料按重量比由以下原料混配而成：短切碳纤维，0.1~0.125；碳纤维粉，1.0~1.5，所述短切碳纤维的长度为2mm，碳纤维粉的长度为200μm；所述外加剂按重量比由以下原料混配而成：HCSA膨胀剂，4.0~6.0；塑性膨胀剂，0.025~0.05；聚羧酸高效减水剂，0.4~0.8；消泡剂，0.10~0.14。
2.根据权利要求1所述的钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料，其特征在于所述塑性膨胀剂为QH-100型塑性膨胀剂。
3.根据权利要求1所述的钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料，其特征在于所述消泡剂为消泡剂P803，由液态碳氢化合物、聚乙二醇和非结晶性二氧化矽组成。
4.根据权利要求1所述的钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料，其特征在于所述矿粉为S95级矿粉。
5.根据权利要求1所述的钢筋套筒用结构与感知功能一体化智能灌浆料，其特征在于所述粉煤灰为一级粉煤灰。
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