套筒灌浆料强度随龄期变化规律研究

1、引言

本研究通过多用水量、多龄期试验设计，系统分析套筒灌浆料在1-30d（强度快速增长及初期稳定阶段）的强度变化规律，量化用水量对强度的影响程度，旨在：1）建立1-30d 龄期与强度的定量关系，为工程早期强度预判提供数据；2）为构建覆盖30-90MPa 强度范围的测强曲线提供基础数据；3）揭示超量加水对强度的负面影响，为现场施工规范制定提供理论支撑。

2、试验概况

2.1 原材料与试件设计

2.1.1 原材料

试验选用ATM-TT85 常温型套筒灌浆料（符合JG/T408-2019《钢筋连接用套筒灌浆料》基础要求），其主要成分包括硅酸盐水泥、超细矿粉、硅灰、高效减水剂及消泡剂，初始流动度≥320mm，28d 标准抗压强度≥85MPa，适用于常温环境下的钢筋套筒连接施工。

2.1.2 试验变量与龄期设计

用水量梯度：设定3 组变量，模拟工程现场不同施工偏差情况

12% （基准组）：符合产品说明书推荐用水量；

◦ 13.5% （适度超量组）：模拟轻微超量加水（超量 12.5% ）；

◦ 15%（严重超量组）：模拟严重超量加水（超量 25% ）。

◦ 试验龄期：选取1、2、3、4、5、6、7、9、11、14、17、21、25、28、30d 共15 个龄期，覆盖强度快速增长（1-7d）、平缓过渡（7-14d）、二次增长（14-28d）及初期稳定（28-30d）阶段；同时制作 135-720d 长龄期试件，为后续研究储备数据，本文仅分析≤30d 结果。

2.1.3 试件规格与数量

采用 40mm×40mm×160mm 棱柱体试模，用于抗折-抗压联测（抗折试验后将试件折断，取半截进行抗压试验）。

2.2 试件制作与养护

2.2.1 搅拌工艺

采用JJ-5 型水泥胶砂搅拌机，严格遵循“先干料后水”的投料顺序，慢速搅拌60s，用刮刀将叶片、锅壁和锅底上的胶砂刮入锅中，再次慢速搅拌120s，后静止1min，将气泡排出，确保浆体均匀。

2.2.2 成型与养护

·带模养护：试件成型后立即用玻璃板覆盖（防止水分蒸发），置于（20±1） 、相对湿度≥90%的恒温恒湿养护箱中，养护24h±1h，期间严禁振动或移动试件。

·脱模后养护：24h 后脱模，立即将试件放入（20±1）℃、pH≥7 的恒温水槽中，水面高出试件顶面≥5mm，确保全浸泡养护；28d 后转移至（20±2）℃、相对湿度60%±5%的自然环境中，每日记录温湿度数据，维持养护条件稳定。

3、试验结果与分析

3.1 棱柱体试件试验方法

3.1.1 抗折试验

1.取出对应龄期的试件，用干布擦拭表面水分，采用游标卡尺（精度 0.02mm ）测量试件截面尺寸（ 40mm×40mm ）及长度（160mm），记录数据；

2.将试件置于抗折试验机支座上，调整支座间距为100mm（符合GB/T17671-2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》规定），以（50±10）N/s 的速度匀速加载，直至试件折断；

3.记录破坏荷载（精确至1N），按公式（1）计算抗折强度：

式中：ff为抗折强度（MPa，精确至0.1MPa）；F 为破坏荷载（N）；L 为支座间距（mm）；b 为试件截面宽度 （mm） ）；h 为试件截面高度 （mm） ）。

3.1.2 抗压试验

1.取抗折试验后折断的半截试件（截面 40mm×40mm ），擦拭表面残留水分；

2.将试件置于抗压试验机下压板中心，确保受压面与压板完全贴合，以（2400±200）N/s 的速度匀速加载（符合 GB/T17671-2021 要求），直至试件破坏；

3.记录破坏荷载（精确至10N），按公式（2）计算抗压强度，取2 个半截试件的强度平均值作为该试件的抗压强度：

式中：fc 为抗压强度（MPa，精确至 0.1MPa ）；F 为破坏荷载（N）；b 为试件截面宽度 ：mm^⋅ ）；h 为试件截面高度 （mm ）。

3.2 强度随龄期变化规律分析

以龄期（d）为横坐标、平均抗压强度（MPa）为纵坐标，绘制强度-龄期变化曲线（图 1、图 2），结合回归分析量化两者关系。

3.2.1 不同用水量对强度的影响相同龄期下，用水量与强度呈显著负相关，具体表现为：

·1-7d 快速增长期： 12% （基准组）强度增长最快，7d 时达 79.1MPa ； 13.5% （适度超量组）次之，为75.6MPa；15% （严重超量组）最慢，为 73.5MPa ，各组差值最大达5.6MPa；

·28d 标准龄期：12%用水量试件强度最高（103.8MPa）， 13.5% 次之（ 105.0MPa ，轻微波动属试验误差），5%最低（102.6MPa），印证“超量加水导致强度降低”的工程现象；

·30d 稳定期：各组强度均略有下降，但仍保持 100MPa 以上， 12% 、 13.5% 、 15% 用水量试件强度分别为101.2MPa、100.9MPa、99.8MPa，降幅均≤2 .7% ，符合强度稳定要求。

通过回归分析，不同用水量下强度-龄期关系可用对数函数拟合（拟合优度 R∖2 均≥0.87，相关性良好）：

（式中： x 为龄期（d）， y 为抗压强度（MPa））

3.2.2 整体强度变化规律

将3 组用水量数据汇总，得到套筒灌浆料1-30d 强度整体变化规律（图2）：

图2 抗压强度随龄期总体变化规律曲线

1. 阶段 1（1-7d）：快速增长：水化反应剧烈，大量生成水化硅酸钙（C-S-H）凝胶，填充浆体孔隙，强度从 37.6MPa 增至 76.1MPa，增幅达 102.4% ，是强度形成的关键期；

2. 阶段2（7-14d）：平缓增长：水泥水化速率减缓，C-S-H 凝胶生成量减少，强度仅从76.1MPa 增至77.0MPa，增幅 1.18% ，属“水化间歇期”；

3. 阶段 3（14-28d）：二次增长：掺合料（矿粉、硅灰）启动二次水化，补充生成 C-S-H 凝胶，强度增至103.8MPa，增幅 34.84% ，体现灌浆料后期强度发展潜力；

4. 阶段4（28-30d）：初期稳定：水化反应基本完成，强度略有下降（103.8MPa→101.0MPa），但降幅小，表明灌浆料后期强度稳定性良好。

汇总后的强度-龄期回归公式为：

y = 19.671ln（x）+35.112

（式中：x 为龄期（d），y 为平均抗压强度（MPa））

4、讨论

1.强度阶段性增长的机理：1-7d 快速增长源于水泥熟料的快速水化，生成大量C-S-H 凝胶和 Ca（OH）₂ 2；7-14d平缓期因 Ca（OH）2 在浆体表面形成包裹层，阻碍水泥进一步水化；14-28d 二次增长则是掺合料（矿粉、硅灰）与Ca（OH）2发生“火山灰反应”，消耗 Ca（OH）₂ 的同时生成更多C-S-H 凝胶，优化浆体微观结构，提升强度。

2.用水量影响的本质：超量加水会增加浆体孔隙率（水化完成后多余水分蒸发形成气孔），且降低浆体密实度，导致强度下降；同时，过多水分会延长水化反应时间，减缓早期强度增长速率，与试验中 15%用水量组早期强度偏低的结果一致。

3.试验局限性：本研究仅分析≤30d 龄期及单一品牌灌浆料，未考虑环境温度（如低温、高温）、养护湿度对强度的影响；后续需结合135-720d 长龄期数据，探究极端环境下灌浆料的长期强度稳定性。

5、结论与展望

5.1 结论

1.套筒灌浆料1-28d 强度呈“快速增长→平缓过渡→二次增长”的阶段性特征：1-7d 增幅 102.4% ，7-14d 增幅1.18% ，14-28d 增幅 34.84% ，28d 达 103.8MPa 的较高强度；28d 后强度进入稳定阶段，30d 时略有下降（降幅2.7% ），但仍维持在100MPa 以上。

2.用水量对强度有显著负向影响：在 12% -15%用水量范围内，相同龄期下强度随用水量增加而降低，28d时15%用水量试件强度较12%基准组低1.2MPa，与工程现场超量加水导致强度降低的现象完全吻合。

3.本研究获取的1-30d 强度数据（37.6-103.8MPa），可直接为建立覆盖30-90MPa 强度范围的套筒灌浆料测强曲线提供核心支撑，满足工程早期强度评估需求。

5.2 展望

1.长龄期强度研究：利用已储备的135-720d 试件，测试不同龄期强度，重点分析56d、90d、180d、360d、720d 的强度变化趋势，明确灌浆料长期强度衰减阈值，为结构全生命周期安全评估提供依据。

2.现场质量控制优化：针对超量加水问题，开发“智能灌浆设备+用水量实时监测系统”，实现施工过程中用水量的动态管控；同时制定专项施工培训方案，规范操作人员行为，从源头避免强度不足风险。

3.多因素预测模型构建：结合不同品牌灌浆料、不同环境温度、不同养护条件的试验数据，引入机器学习算法（如BP 神经网络、随机森林），构建“龄期-用水量-环境参数-强度”的多变量预测模型，提升工程强度预判精度。

4.微观机理深化：通过扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）等微观测试手段，分析不同龄期、不同用水量下灌浆料的微观结构变化（如孔隙率、C-S-H 凝胶含量），从微观层面揭示强度发展机理。

参考文献

[1]JG/T408-2019，钢筋连接用套筒灌浆料[S].

[2]GB/T17671-2021，水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）[S].