預(yù)應(yīng)力孔道壓漿摻亞硝酸鈣改善漿體性能研究

熊慧中，張立光，田清文

（1.東北林業(yè)大學(xué)工程咨詢設(shè)計研究院，哈爾濱150040;2.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱 150040）

富綏松花江公路大橋位于黑龍江省東北部三江平原地區(qū)，松花江干流下游富錦至綏濱江段。松花江流域地處北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性氣候特點(diǎn)十分明顯，冬季嚴(yán)寒漫長，夏、秋降雨集中，春季干燥多風(fēng)，秋季降溫急劇，常有凍害發(fā)生，橋址處年均2.5℃，年內(nèi)溫差較大，七月份平均氣溫21.9℃，極端最高氣溫37.1℃，一月份平均氣溫－20.1℃，極端最低溫度－37.8℃。松花江公路大橋主橋采用懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，設(shè)計強(qiáng)度C55;引橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支轉(zhuǎn)連續(xù)T型梁，設(shè)計強(qiáng)度C50。全橋總長3 470 m，橋面總寬23 m，雙向四車道，一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計使用壽命100 a。亞硝酸鈣的分子式為Ca（NO2）2，分子量132，亞硝酸鈣是一種用于混凝土工程施工的新型外加劑，它具有早強(qiáng)、防凍、阻銹作用［1］。

1 背景和機(jī)理

1.1 預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量不佳造成橋梁毀損的事例

眾所周知，英國的Ynys－Gwas橋梁建于1953年，在使用了32 a后于1985年12月4日突然倒塌，經(jīng)過英國運(yùn)輸與道路研究試驗(yàn)室（TRRL）對倒塌的橋梁進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)橋梁倒塌是由于預(yù)應(yīng)力灌漿不密實(shí)，使預(yù)應(yīng)力筋銹蝕所致。建于1957年的美國康涅狄格州的Bissell大橋，因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力筋銹蝕導(dǎo)致橋梁的安全度下降，在使用了35 a之后，在1992年不得不炸毀重建。另外美國從地震垮塌的后張法預(yù)應(yīng)力橋梁構(gòu)件上截取若干斷面解剖測試，發(fā)現(xiàn)后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)因孔道壓漿不密實(shí)而造成的預(yù)應(yīng)力筋銹蝕、斷面銳減、斷絲及應(yīng)力損失嚴(yán)重等致命的質(zhì)量問題，為此曾一度禁止后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的應(yīng)用［2］。通過近幾年的調(diào)查和調(diào)查資料證明，我國于80年代中期至本世紀(jì)初期興建的一批預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，壓漿不實(shí)是一個普遍存在的現(xiàn)象，個別橋梁該問題還十分突出，這里有壓漿工藝方面的原因和配合比方面的原因［3］。因此對后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)孔道壓漿漿體配合比優(yōu)化是很有現(xiàn)實(shí)意義的。

1.2 預(yù)應(yīng)力管道壓漿游離水造成的危害和機(jī)理分析

鋼筋銹蝕是混凝土結(jié)構(gòu)損壞的機(jī)理之一，而孔道壓漿的作用是排除孔道內(nèi)的水和空氣，使預(yù)應(yīng)力筋被堿性水泥石包裹，防止預(yù)應(yīng)力筋被腐蝕，保證預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的耐久性?？椎缐簼{的第二個作用是使預(yù)應(yīng)力鋼筋通過水泥石與周圍混凝土結(jié)成一個整體，將預(yù)應(yīng)力鋼筋上的力均勻地傳入到結(jié)構(gòu)物中，從而既能減輕錨具的受力，又能提高構(gòu)件的承載能力、抗裂性能和耐久性。

如果預(yù)應(yīng)力孔道中有游離水的存在，在低溫凍脹后，沿預(yù)應(yīng)力孔道方向出現(xiàn)裂縫，這種裂縫是不可恢復(fù)的。如果此游離水不被清除則裂縫會越來越大，裂縫的存在增加了混凝土的滲透性，使鋼筋產(chǎn)生銹蝕。另一方面預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕后，體積膨脹，又會進(jìn)一步加劇順筋裂縫的擴(kuò)展。如此惡性循環(huán)，有極大的危險性，影響結(jié)構(gòu)耐久性。當(dāng)有二氧化碳和水氣侵入混凝土內(nèi)部，與混凝土中的堿性物質(zhì)中和，導(dǎo)致混凝土的pH值降低，造成全部或部分鋼絞線表面鈍化膜破壞。由于鋼材材質(zhì)和表面的非均勻性，在鋼絞線表面的不同部位總會出現(xiàn)較大的電位差，形成陽極和陰極。因此在潮濕環(huán)境下，由于氧氣和水的參與，預(yù)應(yīng)力筋就有可能發(fā)生電化學(xué)反應(yīng):

在陽極的反應(yīng)為:Fe=Fe2++2e－。在陰極的反應(yīng)為:2H2O+O2=4（OH）－－4e－。陰極、陽極生成的鐵離子和氫氧根離子結(jié)合生成氫氧化鐵。

上述電化學(xué)反應(yīng)使鋼絞線表面的鐵不斷失去電子而溶于水，鋼絞線逐漸被腐蝕，反應(yīng)生成的氫氧化鐵進(jìn)一步氧化形成鐵銹Fe（HO）3·3H2O，鐵銹膨脹，將引起混凝土開裂對于預(yù)應(yīng)力鋼絞線而言，因應(yīng)力較大對腐蝕的敏感性大可能構(gòu)件表面還未出現(xiàn)裂縫，構(gòu)件就會因應(yīng)力腐蝕造成鋼絞線突然斷裂［4］。

綜上所述，現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁孔道內(nèi)壓漿不實(shí)、泌水是影響結(jié)構(gòu)的極限承載能力和結(jié)構(gòu)的耐久性的重要因素之一。

1.3 新舊橋規(guī)對于流動度和泌水要求

在橋規(guī)（JTJ041－2000）中規(guī)定3 h的泌水率為2%，24 h完全被漿體吸收。由于試驗(yàn)室在配制漿體確定配合比時，容器可吸收漿體面的直徑與長度（高度）的比在1∶2左右，而在實(shí)際施工管道為U型時，其可以吸收面的直徑與孔道總長之比在百分一，游離水不能全部被漿體吸收，只能存在于管道高點(diǎn)處，造成凍脹。因而工程需要無泌水、稠度在10～17 s凝結(jié)時間縮短的優(yōu)質(zhì)水泥漿。在新版橋規(guī)（JTJ041－2011）中，水泥漿稠度、泌水率都做了調(diào)整［5］，詳見表1。

表1 新舊規(guī)范預(yù)應(yīng)力孔道壓漿漿液流動度、泌水率對比Tab.1 Comparison of pre-stressed duct grouting slurry fluidity and bleeding rate under different specifications

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備與試驗(yàn)方法

（1）試驗(yàn)材料。水泥PO52.5哈爾濱亞泰水泥廠“天鵝牌”，UEA－膨脹劑、聚羧酸KMSP型高效減水劑、亞硝酸鈣均為黑龍江科曼公司提供。

（2）試驗(yàn)設(shè)備。EW300壓力試驗(yàn)機(jī)、水泥漿稠度儀、－40℃醫(yī)用冰箱、維卡儀和秒表等。

以已固定成型的配合比為對照，用不同的亞硝酸鈣摻量，了解其對水泥漿泌水、凝結(jié)時間、強(qiáng)度的影響。模擬初冬環(huán)境，第一組將新鮮水泥漿澆入玻璃容器和試模中，分別在1 h、5 h、10 h放入－20℃冰箱冷凍，白天放室內(nèi)溫度12℃左右，晚間放－20℃冰柜內(nèi)，觀察玻璃容器內(nèi)漿體的膨脹并測7 d強(qiáng)度。第二組將新鮮水泥漿澆入玻璃容器和試模中分別在1 h、5 h、10 h放入－20℃冰箱冷凍2個月，再在室溫（12℃ －16℃）放3個月后壓件，測冷凍對強(qiáng)度的影響。

3 試驗(yàn)過程和結(jié)果

對試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)結(jié)果匯總，用來比較亞硝酸鈣的摻量對泌水、凝結(jié)時間、強(qiáng)度的影響、交替冷凍對強(qiáng)度的影響和長期冷凍對強(qiáng)度的影響，結(jié)果見表2、表3和表4。

表2 亞硝酸鈣的摻量對泌水、凝結(jié)時間、強(qiáng)度影響Tab.2 Effects of calcium nitrite addition on bleeding，setting time，and strength

表3 交替冷凍對強(qiáng)度的影響Tab.3 Alternate freezing effect on strength

表4 長期冷凍對強(qiáng)度的影響Tab.4 Long term frozen effect on strength

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)亞硝酸鈣摻量在0.7%～4%之間時，均比對照組縮短了凝結(jié)時間，而繼續(xù)加大亞硝酸鈣摻量凝結(jié)時間反而越來越長，如圖1所示;當(dāng)亞硝酸鈣摻量在0.7% ～2.8%之間時，沒有泌水發(fā)生，而當(dāng)摻量超過4.2%時泌水量越來越多，如圖2所示;當(dāng)亞硝酸鈣摻量在0.7%～2.0%之間時，對強(qiáng)度沒有大的影響，但是當(dāng)亞硝酸鈣摻量大于2.8%之間時，強(qiáng)度下降明顯，如圖3所示。新鮮水泥漿澆入試模立即放入－20℃環(huán)境冷凍時，漿體中央凹陷，四周隆起，體積不穩(wěn)定。新鮮水泥漿澆入試模1 h后放入－20℃環(huán)境冷凍時，試件表面平整，漿體均勻，沒有分層等現(xiàn)象。而接近初凝才放入－20℃環(huán)境冷凍的試件對抗壓強(qiáng)度影響不大。通過觀察摻亞硝酸鈣對漿體膨脹量基本無影響，對于容器內(nèi)的漿體，只要沒有游離水就不發(fā)生凍脹。

5 結(jié)論

（1）孔道壓漿水泥漿中摻加適量亞硝酸鈣可以消除漿體泌水，稠度能達(dá)到10～17 s。但是在大摻量情況下，泌水增加。

圖1 亞硝酸鈣摻量與凝結(jié)時間關(guān)系曲線Fig.1 Relationship between calcium nitrite addition and condensation time

圖3 亞硝酸鈣摻量與強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between calcium nitrite content and strength

（2）孔道壓漿水泥漿中摻加適量亞硝酸鈣可以縮短凝結(jié)時間，有早強(qiáng)作用。但是在大量摻加情況下，凝結(jié)時間反而延長。

（3）預(yù)應(yīng)力孔道中無游離水，且漿體達(dá)到終凝，再處于負(fù)溫環(huán)境，可以保證漿體體積穩(wěn)定性和強(qiáng)度滿足要求。

（4）預(yù)應(yīng)力孔道中無游離水，且漿體初凝前越早接觸負(fù)溫對其強(qiáng)度影響越大。

（5）孔道壓漿水泥漿中摻加適量亞硝酸鈣對強(qiáng)度無明顯影響。但是在大摻量情況下，強(qiáng)度下降。

（6）綜合水泥漿中摻加不同量亞硝酸鈣對稠度、泌水率、強(qiáng)度的影響結(jié)果，得到摻1.5左右的亞硝酸鈣可以明顯改善水泥漿性能。

（7）消除壓漿后孔道游離水，并使?jié){體促凝、早強(qiáng)，凝結(jié)前不接觸負(fù)溫是提高抗凍性的又一途徑。

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［1］安春英.預(yù)應(yīng)力混凝土廠梁的預(yù)制過程控制［J］.森林工程，2011，27（2）:56 －60.

［2］彭成炎，李德順，預(yù)應(yīng)力張拉壓漿施工中質(zhì)量通病分析［J］.公路交通科技，2008（9）:130－132.

［3］楊思忠.后張預(yù)應(yīng)力工程孔道壓漿質(zhì)量通病與對策［J］.市政技術(shù)，2005，23（Z1）:15 －117.

［4］李傳平，劉耀武，張保和.公路橋梁140米長預(yù)應(yīng)力孔道壓漿質(zhì)量控制［J］.施工技術(shù)，2005，34（7）:59 －60.

［5］朱方榮.后張法中的灌漿技術(shù)—真空吸漿法［J］.湖南交通科技，2002（2）:54－55.