全固廢膠凝材料在預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料中的應(yīng)用

李建永,白亞通,刁書(shū)磊,劉金山,王海微

(石家莊市易達(dá)恒聯(lián)路橋材料有限公司，河北 石家莊 050000)

預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料具有高流動(dòng)性、高流動(dòng)保持性、微膨脹、早強(qiáng)、高強(qiáng)、無(wú)毒、防腐阻銹等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、市政道路的橋梁建設(shè)。隨著現(xiàn)代橋梁工程施工技術(shù)的迅速發(fā)展，在預(yù)應(yīng)力混凝土的后張法張拉施工中，孔道壓漿作為一項(xiàng)新的技術(shù)已得到了迅速的發(fā)展并且展示出了極其關(guān)鍵的作用[]。尤其在高鐵、大橋等重大關(guān)鍵工程中體現(xiàn)出大量需求?？椎缐簼{材料是由水泥、高效減水劑、微膨脹劑、礦物摻合料等多種材料干拌而成的混合料。這種混合料在實(shí)際使用過(guò)程中以適當(dāng)?shù)谋壤c水混合后，便可用于后張法預(yù)應(yīng)力管道的填充。其作用是保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼筋不銹蝕并使其與混凝土良好結(jié)合，保證預(yù)應(yīng)力的有效傳遞，使預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土共同工作，提高結(jié)構(gòu)的可靠度和耐久性[2]。

在整個(gè)交通領(lǐng)域，每公里橋梁所需要的孔道壓漿材料為300～500t，按2019年新建高速3424公里，橋梁占比50%進(jìn)行估算，整個(gè)2019年所需孔道壓漿材料為50 ～85萬(wàn)t，壓漿材料中水泥占比90%左右，因此水泥需求量大約為45 ～75萬(wàn)t，如此巨大的消耗給環(huán)境和資源帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。為降低資源消耗和保護(hù)環(huán)境，在保證現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)施工順利的同時(shí)，如何降低水泥用量成為迫切關(guān)注的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)鋼渣、礦渣、脫硫石膏三元膠凝體系進(jìn)行合理搭配使用，添加適量的摻合料、功能助劑，制備的孔道壓漿材料完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，擺脫了壓漿材料對(duì)水泥的依賴，同時(shí)解決了固體廢棄物堆放造成環(huán)境污染[3]，具有深遠(yuǎn)的環(huán)境意義。

1 試驗(yàn)原料、儀器與方法

1.1 原材料

鋼渣：辛集市澳森鋼鐵有限公司生產(chǎn)的鋼渣；礦渣：辛集市澳森鋼鐵有限公司生產(chǎn)的礦渣；脫硫石膏：石家莊西柏坡電廠副產(chǎn)的脫硫石膏；硅灰SiO2含量≥90%，細(xì)度為18000～20000m2/kg，微珠細(xì)度為700～1000m2/kg、石粉細(xì)度為300～350m2/kg，粉體聚羧酸減水劑、緩凝劑、P803消泡劑、膨脹劑。

1.2 主要試驗(yàn)儀器

孔道壓漿材料專用高速攪拌機(jī)(轉(zhuǎn)速1000r/min)，流動(dòng)度測(cè)定錐形桶，秒表，三聯(lián)試模、膨脹泌水儀、水泥抗折抗壓一體機(jī)，壓力泌水率測(cè)定儀，充盈度測(cè)定儀。

1.3 試驗(yàn)方法

流動(dòng)度、泌水率、壓力泌水率、充盈度、強(qiáng)度等指標(biāo)按照J(rèn)TG/TF50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行測(cè)試[4]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同摻量全固廢膠凝材料對(duì)孔道壓漿材料工作性能的影響

本試驗(yàn)采用孔道壓漿材壓漿料專用高速攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，預(yù)先用潮濕的布擦拭攪拌鍋和攪拌葉，首先按順序?qū)⑺谷霐嚢桢?，開(kāi)啟攪拌緩慢加入稱量好的壓漿材料(配比見(jiàn)表1)，全部加料完成，在轉(zhuǎn)速為1000r/min情況下攪拌180s。預(yù)先將流動(dòng)度錐形桶潤(rùn)濕，待壓漿材料攪拌完成后倒入錐形桶固定刻度，漿液穩(wěn)定無(wú)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行流動(dòng)度測(cè)試，流速精確到0.1s。流動(dòng)度初始值測(cè)定完畢后，迅速將壓漿材料用濕毛巾布封，在30,60min依據(jù)上述攪拌速度繼續(xù)攪拌，進(jìn)而繼續(xù)測(cè)30,60min的漿體流動(dòng)度。

表1 對(duì)工作性能影響試驗(yàn)的壓漿材料配合比 (kg/t)

圖1 不同摻量全固廢膠凝材料對(duì)壓漿材料工作性能(流動(dòng)度)的影響

從圖1 可以看出膠凝材料摻入量從65%～80%變化過(guò)程中，由全固廢膠凝材料配制的孔道壓漿料的初始流動(dòng)度先提高后降低，而30min和60min的漿體流動(dòng)度隨著摻量的提高是逐漸降低的。主要原因是全固廢膠凝材料主要構(gòu)成為磨細(xì)的鋼渣、礦粉、石膏的混合物，在前期加入過(guò)程中，由于鋼渣比重較高，漿體的比重隨之增高，帶動(dòng)漿體的流動(dòng)性得到提高，摻量達(dá)到一定數(shù)值后，由于膠凝的材料細(xì)度較高，需水量隨之增大，而由于細(xì)度提高的影響大于比重的影響，因此在摻量大于75%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，流動(dòng)度反而降低。30min和60min的流動(dòng)度隨摻量提高保持呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)，主要原因是由于反應(yīng)過(guò)程中鋼渣粉開(kāi)始發(fā)生水化反應(yīng)，石膏作為激發(fā)劑也開(kāi)始促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)生成的鈣礬石量隨之增加，鈣礬石中含有32個(gè)結(jié)晶水，在加水量一定的情況下膠凝材料摻量越高，壓漿材料的后期流動(dòng)度損失越大。

2.2 不同摻量全固廢膠凝材料對(duì)孔道壓漿材料力學(xué)性能的影響

按表1配合比配制的壓漿材料攪拌成型，3,7,28d的抗折和抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 不同摻量全固廢膠凝材料的壓漿材料不同齡期的抗壓強(qiáng)度(MPa)

圖3 不同摻量全固廢膠凝材料的壓漿材料在不同齡期的抗折強(qiáng)度(MPa)

由圖2和圖3可知，使用全固廢膠凝材料配制的孔道壓漿材料在不同齡期均具有一定的抗壓抗折強(qiáng)度，并且隨著摻入比例的提高強(qiáng)度均呈現(xiàn)正增長(zhǎng)，主要原因是由于在鋼渣-礦渣-石膏三元體系組成的膠凝材料中，礦渣提供了具有潛在活性的硅氧四面體和鋁氧四面體，鋼渣提供鈣、鎂等堿性物質(zhì)，石膏提高足夠的硫酸根離子，三者協(xié)同作用形成極低溶解度的鈣礬石類復(fù)鹽和非晶態(tài)的C-S-H凝膠，二者形成的針棒狀復(fù)鹽晶體纖維增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)，成為具有一定強(qiáng)度的膠凝材料的主要來(lái)源[5]。在孔道壓漿材料的規(guī)范中規(guī)定，水膠比限值在0.26～0.28，極低的水膠比讓全固廢膠凝材料的強(qiáng)度發(fā)展有了進(jìn)一步保障?？椎缐簼{材料要求抗折強(qiáng)度3d≥5MPa，7d≥6MPa，28d≥10MPa，抗壓強(qiáng)度要求3d≥20MPa，7d≥40MPa，28d≥50MPa。圖2和圖3中對(duì)比發(fā)現(xiàn)，全固廢膠凝材料的摻量在65%及其以上抗折強(qiáng)度各個(gè)齡期均能滿足要求，但抗壓強(qiáng)度需要在摻量75%及以上才能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從性價(jià)比對(duì)比選擇75%摻量為此種原材料的最佳加入量，75%摻量情況下抗折強(qiáng)度3d、7d、28d分別為6.5MPa、7.5MPa、13.8MPa；抗壓強(qiáng)度3d、7d、28d分別為32.5MPa、45.6MPa、56.7MPa，符合規(guī)范要求，為最優(yōu)配合比加入量。

2.3 不同摻量全固廢膠凝材料對(duì)孔道壓漿材料泌水率的影響

泌水率試驗(yàn)包括24h自由泌水率和3h鋼絲間泌水率，檢測(cè)指標(biāo)中自由泌水率、鋼絲間泌水率按照J(rèn)TG/T F50—2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中附錄C4試驗(yàn)，鋼絲間泌水率按照附錄C5進(jìn)行。自由泌水率試驗(yàn)容器如圖4所示，用有機(jī)玻璃制成，帶有密封蓋，高120mm，置放于水平面上。試驗(yàn)時(shí)，往容器內(nèi)填灌漿液約100mm深，測(cè)填灌面高度并記錄，然后蓋嚴(yán)。放置3h和24h后量測(cè)其離析水水面和漿體膨脹面，然后按公式1進(jìn)行計(jì)算泌水率。

1-最初填灌的漿液面；2-水面；3-膨脹后的漿液面圖4 漿液泌水率和膨脹率試驗(yàn)示意圖

(1)

式中：a1—離析水水面高度；a2—膨脹后漿體面高度；a3—最初填灌的漿體面高度

表2 不同摻量全固廢膠凝材料對(duì)孔道壓漿材料的泌水率的影響

從表2可以看出，加入全固廢膠凝材料可以有效的降低孔道壓漿材料的泌水率，改善泌水性能，提高漿體的飽滿度。主要原因是全固廢膠凝材料超高的比表面積，顆粒能夠填充到縫隙當(dāng)中起到物理填充作用。全固廢膠凝材料的比表面積一般控制在550 ～650 m2/kg，大大高于水泥的比表面積350 m2/kg，降低了孔道壓漿材料的泌水率，可以更有效保護(hù)鋼絞線，提高了整個(gè)梁體的耐久性。

2.4 經(jīng)濟(jì)效益分析

按目前市場(chǎng)價(jià)格水泥450元/噸，全固廢膠凝材料中鋼渣100元/t、礦粉330元/t、石膏60元/t，三者按比例35∶50∶15進(jìn)行折算后約合230元/t，按每噸孔道壓漿材料加水泥750公斤進(jìn)行折算，若用750公斤全固廢膠凝材料進(jìn)行完全替代，每噸孔道壓漿材料可節(jié)約成本750×(450-230)/1000=165元/t。目前我公司年產(chǎn)3萬(wàn)噸預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料，直接經(jīng)濟(jì)效益495萬(wàn)元，在滿足性能要求情況下，很大程度上降低了孔道壓漿材料的成本，給企業(yè)帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也解決了固體廢棄物的堆放造成的環(huán)境污染問(wèn)題。

3 結(jié)論

(1)在一定摻量范圍內(nèi)，全廢膠凝材料替代水泥生產(chǎn)的壓漿材料工作性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，本文使用的石家莊地區(qū)周邊的原材料對(duì)工作性能最優(yōu)的的摻量為75%。

(2)使用全固廢膠凝材料生產(chǎn)的孔道壓漿材料，力學(xué)性能能夠滿足規(guī)范要求，抗壓強(qiáng)度大于50MPa，抗折強(qiáng)度大于10MPa。

(3)全固廢膠凝材料摻量越高泌水率越低，有利于保護(hù)鋼絞線和梁體。

(4)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著，為企業(yè)和社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，并具有顯著環(huán)保價(jià)值。

綜合考慮，本試驗(yàn)中所用的石家莊地區(qū)周邊的原材料生產(chǎn)的膠凝材料完全能夠在孔道壓漿材料中使用，最佳摻量為75%，最佳配合比為全固廢膠凝材料：膨脹劑∶硅灰∶微珠∶石粉∶功能助劑=750∶60∶100∶20∶50∶20，此配比生產(chǎn)出的孔道壓漿材料初始流動(dòng)度15.56s，30min流動(dòng)度17.55s，60min流動(dòng)度21.34s，泌水率為0，抗折強(qiáng)度3d、7d、28d分別為6.5MPa、7.5MPa、13.8MPa；抗壓強(qiáng)度3d、7d、28d分別為32.5MPa、45.6MPa、56.7MPa，滿足JTG/TF50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)孔道壓漿材料的要求，適宜建筑施工。