装配式建筑用套筒灌浆料的制备及应用研究

摘要

随着中国工业化进程的日益推进，装配式建筑越来越受到研究者和政府的关注。装配式建筑是一种将建筑材料预先生产成构件，施工单位在现场再采用一些轻钢结构将这些轻型材料进行组合，兼具节能、抗震、保温、隔音、防火等功能于一身的建筑形式，其将成为未来建筑结构发展的重要方向。装配式建筑结构中主要关注的是结构节点之间的连接和纵向钢筋的连接问题，钢筋套筒连接技术是钢筋混凝土装配式建筑中采用的主要连接技术。随着技术的进步，传统套筒灌浆料的使用环境也越来越复杂，应用于装配式建筑中暴露的问题越来越多，比如强度不够，耐久性不佳等。针对套筒灌浆料的研究不足，本课题研究开发出一种性能稳定，质量优异的高性能水泥基灌浆材料，希望可以改进传统灌浆材料的不足，满足不同工程的需求。
　　本课题采用高标号的硅酸盐水泥作为胶凝材料，选择粉煤灰、矿粉、硅灰作为矿物掺合料，选择河砂作为细骨料，采用高效聚羧酸减水剂来解决灌浆料流动性差的问题，采用塑性膨胀剂补偿早期收缩，采用UEA膨胀剂补偿中后期收缩，采用早强剂实现灌浆料的早强，采用消泡剂消除拌合过程中产生的气泡。重点研究减水剂、早强剂、膨胀剂、消泡剂等外加剂的掺量和种类对灌浆料各项性能的影响，采用正交试验优化水胶比、胶砂比、矿物掺合料的组合方式与掺量得到最优配比。同时研究了环境条件下灌浆料性能的变化规律，研制成冬季型灌浆料配方。选择多种纳米材料研究其对灌浆料各项性能的影响，并采用SEM、TEM、热重、压汞等微观分析手段对掺有纳米材料的灌浆料进行微观分析。最后，进行了套筒灌浆料接头实验，研究了不同套筒、不同尺寸钢筋以及不同灌浆料配比对套筒灌浆接头的影响，采用拉伸试验和疲劳试验检验灌浆料的性能。最后与市售高强灌浆料进行性能对比和成本核算。研究结果表明:
　　1.通过控制变量法确定各外加剂的掺量，结果表明聚羧酸减水剂最佳掺量为1.5％;早强剂选择甲酸钙，其最佳掺量为1.5％;消泡剂能有效抑制和排出搅拌过程中产生的气泡，最佳掺量为0.1％;塑性膨胀剂最佳掺量为0.02％，UEA膨胀剂作为中后期膨胀剂，最佳掺量为4.98％;
　　2.通过正交试验确定水胶比、胶砂比、矿物掺合料的组合方式以及掺量。综合结果确定最优取值分别为水胶比0.19、胶砂比1.33、矿物掺合料掺量0.17、矿物掺合料的组合为粉煤灰+矿粉+硅灰。采用极差分析正交试验结果表明，矿物掺合料的掺量对灌浆料1天强度影响最大，矿物掺合料的组合方式对3天和28天强度的影响最大，而水胶比对灌浆料流动性的影响最大。研究环境因素对灌浆料性能的影响。结果表明夏季条件下灌浆料表现为工作性下降，力学性能提升，而冬季条件下灌浆料表现为流动性略有提升，力学性能严重下降，并确定冬季灌浆料配方。
　　3.选择纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米氧化铝、碳纳米管和氧化石墨烯研究纳米材料对灌浆料各项性能的影响，并制备了一种粉煤灰基原位生长碳纳米管，结果表明仅表面改性纳米二氧化硅、粉煤灰基原位生长碳纳米管和氧化石墨烯可以在满足标准要求工作性的前提下，提高灌浆料的力学性能。采用SEM、TEM、热重、压汞等微观手段分析粉煤灰基原位生长碳纳米管的生长情况以及表面改性纳米二氧化硅、粉煤灰基原位生长碳纳米管在灌浆料中的微观形貌，并通过压汞得出灌浆料孔结构的变化规律。
　　4.套筒灌浆料接头实验结果表明:不同套筒类型对接头性能有较大影响，不同尺寸钢筋不影响接头的破坏形式，采用拉伸试验和疲劳试验检验不同配比的灌浆料性能。最后与市售高强灌浆料进行性能对比和成本核算，结果表明本实验得到的最优配方具有优异性能、性价比高、有一定的市场竞争力。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．2．1 套筒灌浆料的种类和发展历程

1．2．2 套筒灌浆料的特性及应用

1．2．3 套筒灌浆料的性能影响因素

1．2．4 当前灌浆料研究领域存在的不足

1．3 纳米材料在高性能水泥基材料中的应用研究

1．3．1 纳米材料的特性

1．3．2 纳米材料的分散性

1．3．3 纳米材料在水泥基材料中的应用进展

1．3．4 纳米材料在水泥基材料中的作用机理

1．3．5 纳米材料在UHPCC中应用存在问题

1．4 课题研究内容

第二章 原材料及实验方法

2．1 原材料

2．1．1 水泥

2．1．2 砂

2．1．3 石英粉

2．1．4 粉煤灰

2．1．5 硅灰

2．1．6 矿粉

2．1．7 高效减水剂

2．1．8 膨胀剂

2．1．9 消泡剂

2．1．10 早强剂

2．1．11 纳米材料

2．1．12 水

2．2．3 灌浆料力学性能测试方法

2．2．4 灌浆料其他性能测试方法

2．2．5 微观测试

第三章 套筒灌浆料基本配方的研究

3．1 各因素对灌浆料性能的影响

3．1．1 外加剂对灌浆料性能的影响

3．1．2 环境因素对灌浆料性能的影响

3．1．3 砂种类对灌浆料性能的影响

3．2 正交优化试验

3．2．1 正交试验方案

3．2．2 正交试验结果与讨论

3．3 冬季型配方的研制

3．4 本章小结

第四章 纳米材料对灌浆料性能的影响

4．1 纳米材料的制备及性能

4．1．1 粉煤灰基原位生长碳纳米管的制备

4．2 不同纳米材料对套筒灌浆料性能的影响

4．3 微观分析

4．3．1 扫描电镜分析(SEM)

4．3．2 孔结构分析(MIP)

4．4 本章小结

第五章 套筒灌浆料的实际应用研究

5．1 套筒灌浆接头实验

5．1．1 实验方案及原材料性能

5．1．2 实验结果分析

5．1．3 套筒灌浆料与钢筋粘结强度分析

5．2 套筒灌浆料的市场前景

5．2．1 与现有产品的性能对比

5．2．2 套筒灌浆料的成本核算

5．3 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表成果情况