新型橋梁預(yù)應(yīng)力孔道壓漿劑配合比優(yōu)化研究

馬士賓，楊鑫瑋，孫敬福，陳 奕

（河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

新型橋梁預(yù)應(yīng)力孔道壓漿劑配合比優(yōu)化研究

馬士賓，楊鑫瑋，孫敬福，陳 奕

（河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

根據(jù)最新頒布的《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的要求，以粉煤灰、硅灰、減水劑、膨脹劑、纖維素、消泡劑為原材料，配制了預(yù)應(yīng)力孔道壓漿劑．首先通過試驗(yàn)系統(tǒng)研究了各種原材料對壓漿劑的流動度和抗壓強(qiáng)度的影響，然后應(yīng)用響應(yīng)面法對配合比進(jìn)行了優(yōu)化．試驗(yàn)結(jié)果表明：減水劑用量會使壓漿料流動度增大，而硅灰、粉煤灰則在一定程度上提高漿液的流動度．優(yōu)化后的壓漿料流動度在16 s以內(nèi)，而抗壓強(qiáng)度7 d、28 d分別能達(dá)到60Mpa、74MPa以上，且同組數(shù)據(jù)誤差均在10%以內(nèi)，強(qiáng)度變異性顯著降低，能夠滿足工程需要．

壓漿劑；抗壓強(qiáng)度；響應(yīng)面；配合比優(yōu)化

從19世紀(jì)50年代以來，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在國內(nèi)外橋梁建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用．預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)之所以能在短時(shí)間內(nèi)得到迅速發(fā)展是因?yàn)榛炷梁弯摻钣兄嗨频臏囟扰蛎浵禂?shù)，與鋼筋更好的協(xié)同工作，防止了混凝土的裂縫產(chǎn)生．

孔道壓漿是后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)施工的一項(xiàng)重要內(nèi)容，它不僅起著保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼筋不受有害離子侵蝕的重要作用，而且還直接影響預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的整體剛度和強(qiáng)度，承擔(dān)著使預(yù)應(yīng)力鋼筋和周圍混凝土結(jié)為整體，協(xié)同工作的重任．孔道壓漿料性能直接關(guān)系到后張法預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[3]．

交通運(yùn)輸部又頒布了新的《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TF50-2011），對壓漿材料的水膠比、流動度、泌水率、強(qiáng)度等做了嚴(yán)格規(guī)定．但是，低水膠比、高流動度、零泌水和微膨脹的要求對新型壓漿劑的開發(fā)帶來很大困難[1]．現(xiàn)今，施工單位為了保證灌漿材料的穩(wěn)定性，施工單位基本采取購買壓漿劑．而市場上的壓漿劑魚龍混雜，產(chǎn)品價(jià)格頗高，而且壓漿劑具有一定的時(shí)效性．

壓漿劑實(shí)為各種性能外加劑的復(fù)合，解決外加劑相容性問題是關(guān)鍵．調(diào)查發(fā)現(xiàn)有關(guān)新橋規(guī)壓漿劑的研究甚少[2]．而且市場上的壓漿劑種類參差不齊，多數(shù)壓漿劑的強(qiáng)度變異性都比較大．成品壓漿劑在現(xiàn)場進(jìn)行施工拌合時(shí)，由于放置時(shí)間、日光暴曬或吸收水分的原因使得現(xiàn)場拌合的壓漿劑出現(xiàn)流動度低、泌水等現(xiàn)象，造成注漿不密實(shí)，由此引發(fā)的結(jié)構(gòu)損壞時(shí)有發(fā)生．因此，研制新型預(yù)應(yīng)力孔道壓漿劑，改善壓漿劑的性能便于更好的施工，對壓漿劑配合比的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[5]．本文參考大量的國內(nèi)外研究文獻(xiàn)，研究硅灰對壓漿劑的強(qiáng)度變異性的影響，并結(jié)合響應(yīng)面分析進(jìn)行強(qiáng)度變異性的優(yōu)化．

1 原材料選擇

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）對于壓漿劑原材料的選取做出了非常詳細(xì)嚴(yán)格的規(guī)定．本文選取以下原材料進(jìn)行配合比試驗(yàn)：1）水泥；2）粉煤灰；3）硅灰；4）高效聚羧酸減水劑；5）復(fù)合型膨脹劑；6）羥丙基甲基纖維素；7）消泡劑．各種原材料的物理力學(xué)性質(zhì)如下．

1.1 水泥

預(yù)應(yīng)力孔道壓漿劑試驗(yàn)所需水泥按《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/TF50-2011)及《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE30-2005）對水泥的性能的要求．實(shí)驗(yàn)采用P.O 42.5級水泥，原材料試驗(yàn)結(jié)果見表1．結(jié)果表明所選水泥符合規(guī)范要求．

表1 水泥的原材料試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test resultof cement

1.2 硅灰和粉煤灰

為了制備高性能的壓漿劑，通常在壓漿劑中加入硅灰和粉煤灰使形成水泥-硅灰-粉煤三元膠凝材料體系，可以有效防止泌水、抓底、分層等現(xiàn)象，使壓漿劑的穩(wěn)定性更好．

粉煤灰：一級粉煤灰，通過實(shí)驗(yàn)分析，其細(xì)度為10%，需水量比為93%，燒失量為4.4%，三氧化硫的含量為2.4%，強(qiáng)度活性指數(shù)77%，含水量0.2%，以上指標(biāo)都符合GB/T 15962005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求．

硅灰：外觀為灰白色，測得含量為94.96%，符合GB/T 6901-2008要求．

1.3 減水劑、消泡劑、膨脹劑、纖維素、水

減水劑：聚羧酸減水劑（粉劑）各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足 GB 8076-2008國家標(biāo)準(zhǔn)高性能減水劑[6]．外觀為白色粉末，減水率27%，泌水比41%，含氣量4.8%，初凝61m in、終凝9m in；抗壓強(qiáng)度比1 d為190%、3 d為177%、7 d為171%、28 d為159%；收縮率比（28 d）為102%；氯離子含量＜0.03%；密度506 g/cm3；PH值8.8；水泥凈漿流動度271mm．

膨脹劑：為復(fù)合型膨脹劑，總堿量低于0.75%．外形為黃色粉末；比表面積281m2/kg；比重3.2；初凝91min、終凝251m in；限制膨脹率0.05%（水養(yǎng)7 d）、0.083%（水養(yǎng)28 d）、0.021%（空氣28 d）；抗壓強(qiáng)度34.1MPa（7 d）、52.7MPa（28 d）；堿含量0.35%；氯離子0.013%；氧化鎂3.91%．

纖維素：400黏度羥丙基甲基纖維素．溶于水后，均勻的分布于壓漿劑中，將固體顆粒包裹，使內(nèi)部更加潤滑，壓漿劑更加的穩(wěn)定，并且保水性和工作性都有提高．

消泡劑：粉末消泡劑，灰度35%（800℃），密度340 kg/m3（20℃），pH值為7.2．拌合用水：自來水．水中不能有大于350mg/L的氯化物離子．

2 試驗(yàn)方案及配合比的優(yōu)化

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

考慮到壓漿劑的原材料種類較多，本試驗(yàn)選擇響應(yīng)面法進(jìn)行配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]．首先通過初步實(shí)驗(yàn)確定原材料用量范圍：減水劑為10～12 g；硅灰為130～150 g，粉煤灰235～258 g，用以上3個(gè)因素為考察因素以流動度為響應(yīng)值，采用3因素3水平的Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法[9]，編碼如表2．

表2 試驗(yàn)因素水平編碼表Tab.2 Levelserialnumberof different factor

通過對于硅灰、粉煤灰和減水劑的用量范圍的預(yù)估和響應(yīng)面的計(jì)算，從而得到了17種組合．對這17種組合分別進(jìn)行了流動度試驗(yàn)，流動度所用到的壓漿劑攪拌機(jī)和流動錐如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果見表3．

圖1 壓漿劑攪拌機(jī)和流動錐Fig.1 Grouting agentm ixerand flow cone

表3 流動度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test resultof fluidity

在響應(yīng)面初始流動度試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對設(shè)計(jì)的17組試驗(yàn)方案的其它關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)（30m in流動度、60m in流動度、3 h鋼絲間泌水率、24 h泌水率、3 h和24 h自由膨脹率以及抗壓抗折強(qiáng)度）進(jìn)行測試，第1組的各個(gè)流動度超出規(guī)范要求，其余都滿足要求；17組實(shí)驗(yàn)的3h鋼絲間泌水率和24 h泌水率均為0符合新橋規(guī)的要求；3h和24 h自由膨脹率也滿足新橋規(guī)的要求（3 h自由膨脹率0～2、24 h自由膨脹率0～3）；由于水泥水化物的存在脆性，對17組試驗(yàn)制作的試件進(jìn)行抗壓、抗折試驗(yàn)，絕大多數(shù)試件的強(qiáng)度滿足要求，存在極少數(shù)的試件產(chǎn)生脆性破壞達(dá)不到試驗(yàn)要求，雖然壓漿劑的強(qiáng)度滿足要求，但是多組試件強(qiáng)度的變異性過大，筆者認(rèn)為可能是壓漿劑的配合比對強(qiáng)度變異性有較大影響，在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行響應(yīng)面分析得到最優(yōu)配合比，在最優(yōu)配合比下進(jìn)行強(qiáng)度測試觀察變異性．

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)以 A-減水劑、B-硅灰、C-粉煤灰材料用量為自變量，以壓漿劑漿液的流動度Y為響應(yīng)值，進(jìn)行響應(yīng)面的試驗(yàn)分析，以壓漿劑漿液的流動度為分析指標(biāo)的回歸分析結(jié)果響應(yīng)值與各因素進(jìn)行回歸擬合后，得到的回歸方程為如下，分析結(jié)果如表4．

表4 回歸模型系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)及方差分析Tab.4 Significance testofmodelcoefficent and analysisof variance

由表4和擬合方程可以看出，回歸方程中常數(shù)項(xiàng)為15.99表示壓漿劑漿液的流動度的平均值處于中等水平，流動度與外加劑的摻加量有較為明顯的關(guān)系．按照關(guān)系可知，3種原材料對流動度影響最大的是減水劑，其次是硅灰，而粉煤灰對流動度有抑制作用．分析其原因在于減水劑作為水泥的分散劑，可以在不影響混凝土流動度的前提下，減少拌合用水量．該試驗(yàn)所用的減水劑為聚羧酸減水劑，它是多種乙烯類單體聚合形成的水溶性高分子，增大了水泥與水的接觸面積，增強(qiáng)了水化反應(yīng)，又能防止凝聚的產(chǎn)生．硅灰的加入會增強(qiáng)混凝土的基體和界面過渡區(qū)，但是硅灰的加入會使早期水化反應(yīng)溫度升高，而低水活性的粉煤灰恰好能解決這個(gè)問題．這種水泥-硅灰-粉煤灰三元膠凝材料使?jié){液的穩(wěn)定性更強(qiáng)，可有效防止泌水、分層現(xiàn)象．所以總體上減水劑相對于硅灰、粉煤灰對壓漿漿液的流動度影響更為顯著．

各因素對壓漿漿液流動度的影響見圖2．

從圖2中可以看出，粉煤灰、和硅灰及其交互作用對流動度的影響較小，表現(xiàn)在響應(yīng)面上曲面比較平滑呈球面狀，這與回歸方程的分析（硅灰、粉煤灰對流動度的影響不如減水劑更為顯著）相吻合．減水劑和硅灰、粉煤灰的交互作用對漿液的流動度影響更為顯著．由交互作用影響響應(yīng)曲面圖可以看出，隨著減水劑的增加流動度增大，這是因?yàn)闇p水劑增大了水泥與水的接觸面積，增強(qiáng)了水化反應(yīng)，又能防止凝聚的產(chǎn)生．說明減水劑是提高流動度的主要因素．表現(xiàn)為響應(yīng)曲面較陡．從響應(yīng)曲面可以看出在減水劑12 g時(shí)，減水效果最佳．而且無泌水現(xiàn)象．符合新橋規(guī)的要求．最后確定最優(yōu)配合比為減水劑12 g、硅灰130 g、粉煤灰255 g和其余外加劑均為1 g．

3 配合比驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)響應(yīng)面法優(yōu)化后的配合比是否能夠有效降低抗壓強(qiáng)度變異性[8]，根據(jù)優(yōu)化后的配合比拌合制作了一系列試塊，經(jīng)養(yǎng)護(hù)3 d、7 d后用抗壓抗折試驗(yàn)儀進(jìn)行進(jìn)行強(qiáng)度測定，試塊制作及試驗(yàn)儀器如圖3所示，測得的抗折抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)見表5．

從表5可以看出，幾乎所有的試塊的抗壓強(qiáng)度均滿足了《規(guī)范》的要求，且強(qiáng)度較高．對于于變異性，只有第8組7 d抗壓強(qiáng)度超過了10%，其余試塊均滿足要求，說明經(jīng)過優(yōu)化后的壓漿劑配合比，其抗壓強(qiáng)度完全滿足《水泥膠砂強(qiáng)度檢測方法（ISO法）》的合格檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[7]，證明通過響應(yīng)面法對壓漿劑配合比的優(yōu)化是有效的．

4 結(jié)論

1）根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）的要求，配制了一種壓漿劑，并應(yīng)用該壓漿劑與水泥進(jìn)行了配合比試驗(yàn)，其流動度、膨脹率，力學(xué)性能等均能滿足《規(guī)范》要求．

2）該壓漿材料的3 d抗壓強(qiáng)度就可以達(dá)到7 d標(biāo)準(zhǔn)，7 d可以達(dá)到28 d標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度上升很快，在沒有泌水的前提下，抗壓強(qiáng)度隨著減水劑劑量的增加而增大．

3）應(yīng)用響應(yīng)面法對壓漿劑配合比進(jìn)行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)減水劑、硅灰的系數(shù)為負(fù)，會使壓漿劑流動度增大，粉煤灰會降低流動度．最終確定的優(yōu)化結(jié)果是硅灰130g，減水劑12g，膨脹劑1g，纖維素1g，消泡劑1 g，粉煤灰255g．經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，其抗壓強(qiáng)度滿足要求，且變異性顯著降低，同時(shí)其他性能指標(biāo)也能滿足要求，說明應(yīng)用響應(yīng)面對配合比優(yōu)化是有效的．

圖2 減水劑、硅灰、粉煤灰及其交互作用對流動度的影響Fig.2 Effectof plasticizer,fly ash,silica,expansiveagent,on fluidity

圖3 試塊制作及抗壓抗折試驗(yàn)儀Fig.3 Testblock fabrication and compressivebending testapparatus

表5 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test resultof strength

[1]JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范 [S]．北京：人民交通出版社，2011．

[2]張金亮，魏連雨．新型預(yù)應(yīng)力孔道壓漿劑的試驗(yàn)研究 [J]．混凝土，2013（6）：139-144．

[3]田耀剛，延麗麗，葉青，等．預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料的研究進(jìn)展 [J]．材料導(dǎo)報(bào)，2011，25（23）：65-68．

[4]魏偉，姚紅濤，張世金．后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)孔道壓漿用外加劑的選擇 [J]．膨脹劑與膨脹混凝土，2010，（4）：13-16．

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[責(zé)任編輯 楊 屹]

A research onm ixture ratio optimization of new material forbrigde prestressed ductgrouting

MA Shibin，YANG Xinwei，SUN Jingfu，CHEN Yi

(Schoolof CivilEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

According to the latest"Technical Specifications for Construction of Highway Bridges and Culverts",a new kind of prestressed ductgroutingmaterialwasmade up w ith fly ash,silica,plasticizer,expansive agent,cellulose and defoamer.In theexperiment,a systematic study of the influence of various raw materialsand grouting agent fluidity and compressive strengthwasdone,andm ix proportionwasoptim ized by using the response surfacemethod.The testresults show that:reducing agentdosage canmake the pressure slurry flow increasea nd silica fume,fly ash in a certain extent, improve the fluidity of slurry.The optim ized pressure slurry fluidity w ithin 15 s,compressive strength of 7 d can reach more than 60MPa,28 d ismore than 74MPa,and the same setof dataerrorsarew ithin 10%——the variability hasdecreased significantly.

groutingmaterial;compressive strength;response surface;m ixture ratio optim ization

TU535

A

1007-2373(2016)02-0111-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.02.019

2015-07-11

河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（ZD2014099）

馬士賓（1973-），男（漢族），副教授，博士，marotolo@126.com．

數(shù)字出版日期：2016-04-18 數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160418.0930.004.htm l