近年来, 装配式建筑在我国发展迅速, 钢制套筒和灌浆料连接是一种重要形式。装配式建筑预制构件在工厂生产, 基本不受气温、天气等条件影响, 但在现场灌浆施工过程中受季节、天气影响, 根据JGJ355—2015《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》^[1]规定, 套筒灌浆施工时灌浆料使用温度应≥5℃。因此, 研究在低温或负温条件下施工的早强水泥体系套筒灌浆料十分必要^[2]。以高贝利特硫铝酸盐水泥作为主要胶结材料, 以高强级配骨料、早强型聚羧酸系高性能减水剂、塑性膨胀剂等为主要原材料, 配制一种高性能灌浆料, 加入适量水可配制成流动性好、自密实性强的浆体, 硬化浆体具有早期强度高、体积微膨胀、后期强度不倒缩及耐久性能好等特点, -5～10℃施工环境下满足JG/T408—2013《钢筋连接用套筒灌浆料》^[3]要求。

试验选择硅酸盐水泥 (P·Ⅰ42.5, 简称P·Ⅰ) 、硫铝酸盐水泥 (SAC52.5, 简称SAC) 、高贝利特硫铝酸盐水泥 (HBSAC52.5, 简称HBSAC) 3种胶凝材料。

按照《钢筋连接用套筒灌浆料》标准中的试验方法, 试验前24h将灌浆料、砂浆搅拌机、试模等置于相应温度的恒温实验室中存放, 拌合用水温度为0℃, 制浆、试验等整个过程在相应温度的实验室中进行, 水泥、砂子质量比为1∶1, 水料比为0.12。根据《钢筋连接用套筒灌浆料》附录B, 浆体放入40mm×40mm×160mm模具中, 在-5℃环境下养护7d后移至20℃标准养护箱中养护, 测定不同龄期的抗压强度。SEM, XRD试样制作时, 水泥净浆水灰比为0.24, 与灌浆料抗压强度测试中的水灰比保持一致, 放入40mm×40mm×160mm模具中, 在-5℃环境下养护7d后移至20℃标准养护箱中养护。养护龄期结束后放入丙酮中24h, 终止水泥水化, 置于65℃烘箱中24h至恒重。观察SAC, HBSAC在-5℃养护1d和标准养护28d试件水化产物形态。测定P·Ⅰ, SAC, HBSAC粉末XRD衍射结果, 扫描范围2θ为10°～90°。

按上述试验方法, 测定以HBSAC为主要胶凝材料配制的钢筋连接用套筒灌浆料, -5, 0, 5, 10, 15℃条件下灌浆料拌合物性能测试结果如表1所示。

由表1可知, 随着温度升高, 灌浆料初始流动度增大, 由于灌浆料中的添加剂随温度升高活性增强, 溶液中各组分溶解度增大, 减水剂减水率增高。然而, 随着温度升高, 流动度损失变大, 15℃时30min流动度不满足标准要求, 但10℃时满足, 可进行灌浆施工。

按上述试验方法, 测定-5℃低温条件下钢筋连接用高性能灌浆料性能指标, 试块在-5℃实验室中恒温养护7d后转20℃标准条件养护, 试验结果如表2所示。

由表2可知, 各龄期强度均满足标准要求, 且到360d时强度仍继续增长, 没有出现倒缩现象, 说明该灌浆料在低温条件下早期强度高, 且没有牺牲后期强度。

-5℃时P·Ⅰ, SAC, HBSAC不同龄期的强度发展情况如表3所示, 其组分如表4所示^[5,6]。从表4中可以看出, Al₂O₃含量P·Ⅰ最低, 仅为4.46%, SAC最高, 达到23.76%, HBSAC居中;而SiO₂含量P·Ⅰ最高, HBSAC居中, SAC最低, 仅为6.58%。可知, P·Ⅰ以硅酸钙组分为主、铝酸钙组分为辅;SAC以铝酸钙组分为主、硅酸钙组分为辅;HBSAC介于二者之间, 既保证了低温条件下的强度, 后期强度又有较好发展。

对SAC, HBSAC试样分别进行各龄期X射线衍射分析, XRD图谱如图1所示。

由图1可知, SAC主要组分为Ca₄Al₆O₁₂SO₄, CaSO₄, Ca₂SiO₄和少量CaCO₃;HBSAC主要组分为Ca₄Al₆O₁₂SO₄, CaSO₄, Ca₂SiO₄, Ca₃SiO₅。从衍射峰强度可看出二者区别, SAC中Ca₄Al₆O₁₂SO₄衍射峰显著高于CaSO₄;而HBSAC相反, CaSO₄衍射峰高于Ca₄Al₆O₁₂SO₄。同时, SAC中Ca₄Al₆O₁₂SO₄衍射峰强度为Ca₂SiO₄的7倍多, 而HBSAC中为2倍左右, 这与水泥元素分析结果一致, 即HBSAC中硅酸钙组分含量高于SAC。

SAC水化产物主要为Ca₆Al₂ (SO₄) ₃ (OH) ₁₂·26H₂O (AFt) , 由于水灰比小、温度低, 随着水化进行, 仍存在大量未水化Ca₄Al₆O₁₂SO₄, CaSO₄衍射峰逐渐降低;HBSAC水化产物也为Ca₆Al₂ (SO₄) ₃ (OH) ₁₂·26H₂O, 但由于Ca₄A_l6O₁₂SO₄含量相对低, 水化1d后XRD测试中未发现Ca₄A_l6O₁₂SO₄衍射峰, 水化10d时 (低温7d转标准养护3d) Ca₃SiO₅衍射峰也消失了, 水化35d时CaSO₄, Ca₂SiO₄衍射峰仍显著。众所周知, AFt向AFm晶型转变是导致硫铝酸盐水泥稳定性出现问题的主要原因。随着SAC水化的进行, 未水化的Ca₄Al₆O₁₂SO₄继续水化, 消耗CaSO₄, 可能导致CaSO₄含量不足, 进而发生AFt向AFm晶型转变。而HBSAC在水化1d时Ca₄Al₆O₁₂SO₄已完全水化, 同时含有大量CaSO₄, 避免AFt向AFm晶型转变, 水化35d时仍含有大量Ca₂SiO₄, 从而保证后期强度持续发展。SAC, HBSAC及其水化产物XRD衍射结果与灌浆料抗压强度发展结果一致, 即以SAC为主的灌浆料抗压强度水化前期增长迅速, 后期可能由于晶型转变出现降低, 以HBSAC为主的灌浆料抗压强度水化前期增长迅速、后期增长缓慢, 原因是水化前期Ca₄Al₆O₁₂SO₄, Ca₃SiO₅快速水化提供早期抗压强度, 后期Ca₂SiO₄缓慢水化, 保持抗压强度持续增长。

SAC 1d水化产物呈针状与块状, 但35d时主要呈块状, 出现这种现象的主要原因可能是随着SAC水化的进行, AFt不断生长。HBSAC水化产物呈小针状和块状, 产生这种现象的原因主要是Ca₄A_l6O₁₂SO₄1d时水化完成, 已形成的AFt不再生长, 且Ca₂SiO₄水化缓慢, 同时水化产物为凝胶态, 不会形成大块水化产物 (见图2) 。

2016年至2017年冬期, 该低温套筒灌浆料在北京市平乐园公租房工程中最先应用, 冬期施工范围为3号住宅楼20～24层。施工过程中采取门窗部位洞口封闭等冬期施工措施, 当施工现场温度<-5℃时, 使用热风机对灌浆仓位和套筒加热, 现场实测温度-5～5℃。在平乐园公租房项目中成功应用后, 2017年至2018年冬期, 在北京市台湖公租房项目、焦化厂公租房项目、北京城市副中心周转房项目中进行广泛应用。在冬期封闭环境下, 根据施工现场实测温度决定是否采取加热升温措施, 确保灌浆前套筒内部温度>-5℃, 1d强度达到35MPa后可取消升温措施 (见图3) 。实际灌浆施工情况下, 同条件养护7d灌浆接头抗拉试验结果满足JGJ107—2016《钢筋机械连接技术规程》^[7]Ⅰ级接头要求, 其他性能满足《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》要求, 解决装配式结构冬期无法施工的难题, 保障重点工程工期。

1) 该低温套筒灌浆料使用高贝利特硫铝酸盐水泥、早强型聚羧酸系高性能减水剂, 并通过降低水胶比提高早期强度, 不含氯化物等盐类早强剂, 适合在-5～10℃低温条件下施工, 其性能指标满足《钢筋连接用套筒灌浆料》有关要求, 且采用该灌浆料12, 14, 16, 18全灌浆钢筋接头和半灌浆钢筋接头性能满足《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》要求。

2) 该低温套筒灌浆料使用的高贝利特硫铝酸盐水泥通过硫铝酸钙组分快速水化, 满足1d早期强度发展, 同时石膏含量高, 避免硫铝酸钙水化产物晶型转变, 避免出现抗压强度倒缩现象, 又因贝利特组分含量高, 后期强度持续增长。

3) 工程应用表明, 该低温套筒灌浆料可延长装配式混凝土结构冬期施工时间, 具有较高的经济效益和社会效益。