裝配式橋梁墩底墊層砂漿性能提升技術(shù)

王冬，張金康，祝燁然，石明建

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2.南京瑞迪高新技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211161；3.水利部水工新材料工程技術(shù)中心，江蘇 南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司安徽省院士工作站，安徽 馬鞍山 238281；5.南京市公路事業(yè)發(fā)展中心，江蘇 南京 210008）

0 前言

裝配式橋梁技術(shù)可以大大減輕環(huán)境影響和交通干擾，易于保證工程質(zhì)量，還可以加快施工速度，降低橋梁生命周期成本，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢顯著，因此，裝配式橋梁技術(shù)也是未來建筑業(yè)發(fā)展的必然趨勢。裝配式橋梁關(guān)鍵的技術(shù)問題在于預(yù)制構(gòu)件之間的連接，這一部位是裝配式橋梁結(jié)構(gòu)受力的薄弱部位。連接節(jié)點(diǎn)是否足夠可靠將直接影響裝配式橋梁的安全及使用性能，目前各國學(xué)者對(duì)于裝配式橋梁的研究也主要集中在其連接節(jié)點(diǎn)上[1-3]。

裝配式橋梁預(yù)制墩柱安裝通常在處理好的地基承臺(tái)上鋪筑墩底墊層砂漿對(duì)墩柱連接處進(jìn)行封閉，再對(duì)承臺(tái)肋鋼筋插入墩柱內(nèi)壁帶溝槽的套筒進(jìn)行灌漿，連接成整體，連接示意與現(xiàn)場施工見圖1。荷載試驗(yàn)表明，墩底墊層砂漿部位是加載出現(xiàn)破壞現(xiàn)象的首要部位，另外，墩底墊層砂漿部位易受到酸雨、融雪劑、地下水等環(huán)境侵蝕性物質(zhì)腐蝕，侵蝕造成墩底部位鋼筋混凝土破壞問題，從而影響橋梁整體安全。

圖1 墩底墊層砂漿連接示意與現(xiàn)場施工

312國道南京繞越高速公路至仙隱北路段改擴(kuò)建工程，是江蘇首個(gè)公路工程裝配式橋梁，是國內(nèi)橋?qū)捵顚挕嵨蛔畲蟮念A(yù)制裝配式橋梁，預(yù)制裝配率高達(dá)93%，其中樁基897根、承臺(tái)337個(gè)、預(yù)制墩柱386根，單根墩柱最大質(zhì)量115 t。墩底墊層砂漿預(yù)計(jì)400 t以上，以往對(duì)墩底墊層砂漿部位的重視不足，只使用普通砂漿墊層處理，本文結(jié)合裝配式混凝土橋梁連接部位材料性能提升關(guān)鍵技術(shù)研究對(duì)該部位性能進(jìn)行提升研究，為裝配式橋梁混凝土構(gòu)件的耐久壽命和整體安全性提供技術(shù)保障。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：臺(tái)泥P·Ⅱ52.5水泥。

（2）砂：池州砂，過2.36 mm篩，細(xì)度模數(shù)2.1，含水率控制<0.3%，含泥量和泥塊含量分別為3.0%和2.0%。

（3）高效活性粉HLC-MS101（以下簡稱MS101）：主要由硅粉、磨細(xì)礦渣粉、微珠粉及激發(fā)劑等經(jīng)特殊工藝配制的超細(xì)礦物粉體復(fù)合材料，具有連續(xù)粒徑分布特性、填充性好，有參與并延遲水化速度作用，需水量比87%，比表面積1450m2/kg。

（4）RD-GM341A高強(qiáng)灌漿劑（以下簡稱GM341A）：粉體，主要由聚羧酸減水劑、塑性膨脹劑、氧化鈣-硫鋁酸鈣膨脹劑、消泡劑及保塑劑等組分構(gòu)成，砂漿減水率>25%，外摻膠凝材料質(zhì)量的8%～10%，漿體的3h自由豎向和7d限制膨脹率為0.5%～2.0%和0.05%～0.07%。

（5）對(duì)比墊層砂漿：市售座漿料J60-Ⅲ。

1.2 主要試驗(yàn)方法

（1）力學(xué)性能：抗折和抗壓強(qiáng)度按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測試；粘結(jié)強(qiáng)度按照SL 352—2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》中8.7“水泥砂漿粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)”進(jìn)行測試。

（2）吸水率：按照GB/T 15345—2003《混凝土輸水管試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中附錄E“PCCP保護(hù)層砂漿吸水率試驗(yàn)方法（沸煮法A法）”進(jìn)行。

（3）抗?jié)B性：按照SL 352—2006中8.11“水泥砂漿抗?jié)B性試驗(yàn)”進(jìn)行測試，水壓達(dá)1.5 MPa，1 h后仍未透水的試件參照4.22“混凝土相對(duì)抗?jié)B性試驗(yàn)”將試件劈開后量取滲水高度。

（4）氯離子擴(kuò)散系數(shù)：按照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》7.1“快速氯離子遷移系數(shù)法（或稱RCM法）”進(jìn)行測試。

（5）抗硫酸鹽侵蝕性能：按照GB/T 749—2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)方法》中4“浸泡抗蝕性能試驗(yàn)方法（K法）”進(jìn)行測試。

（6）干縮性能：按照SL 352—2006中8.9“水泥砂漿干縮（濕脹）試驗(yàn)”進(jìn)行測試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 墊層砂漿的配制

選擇不同水膠比、砂膠比、GM341A摻量（外摻，按占膠材質(zhì)量計(jì)）和MS101摻量（等質(zhì)量取代水泥），測試砂漿初始流動(dòng)度大于290 mm時(shí)，砂漿流動(dòng)度及流動(dòng)度損失和抗壓強(qiáng)度，墩底墊層砂漿配合比見表1，測試結(jié)果見表2。

表1 配制墩底墊層砂漿的質(zhì)量配比

表2 現(xiàn)場材料配制墩底砂漿的性能

由表2可見：

（1）對(duì)比Z1-1～Z1～3，固定水膠比為0.32，當(dāng)砂膠比由1.2減小至0.8時(shí)，砂漿的初始和30 min流動(dòng)度增大，其中砂膠比由1.0減小至0.8時(shí)，砂漿流動(dòng)性增長放緩。

（2）對(duì)比Z1-4、Z1～2、Z1～5，固定砂膠比為1.0，當(dāng)水膠比由0.30增大至0.34時(shí)，同時(shí)調(diào)整GM341A摻量控制初始流動(dòng)度相近，砂漿的30 min流動(dòng)度逐漸增大，抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但1、28d抗壓強(qiáng)度均能分別滿足>30MPa和>50MPa的要求。

（3）摻加MS101對(duì)砂漿流動(dòng)性及流動(dòng)度損失有很好的改善作用。對(duì)比Z1-2、Z1～6～Z1～8四組試樣，固定砂膠比為1.0，隨其摻量的增加，達(dá)相同流動(dòng)度時(shí)的水膠比減小，且水膠比減小后對(duì)砂漿的28d抗壓強(qiáng)度有明顯的提高作用。

（4）對(duì)比Z1-5、Z1～2、Z1～4，固定砂膠比為1.0，隨GM341A摻量由6%增至10%，達(dá)到相同初始流動(dòng)度的水膠比逐漸減小，且GM341A在保證砂漿流動(dòng)度的同時(shí)泌水率減小。

綜合以上試驗(yàn)結(jié)果，在砂漿初始流動(dòng)度滿足>290 mm時(shí)，從流動(dòng)度和抗壓強(qiáng)度結(jié)果考慮，不摻高效活性粉MS101墊層砂漿配合比優(yōu)選Z1-2，摻高效活性粉MS101墊層砂漿配合比優(yōu)選Z1-8。

2.2 墊層砂漿性能對(duì)比

2.2.1 墊層砂漿的力學(xué)性能

選取市售座漿料J60-Ⅲ、配制的墩底墊層砂漿Z1-2、Z1-8，測試其在大流動(dòng)度狀態(tài)下（初始流動(dòng)度>290 mm）的施工性能及力學(xué)性能，結(jié)果見表3。

表3 3種墩底砂漿的施工性能及力學(xué)性能

由表3可見：

（1）3種砂漿的初始流動(dòng)度及30 min流動(dòng)度損失性能良好、無泌水、施工操作時(shí)間充分，操作性能優(yōu)。

（2）3種砂漿的1 d和28 d抗壓強(qiáng)度分別>30 MPa和>60 MPa，28d抗折強(qiáng)度>10 MPa，力學(xué)性能良好。

（3）Z1-2與市售J60-Ⅲ砂漿抗壓強(qiáng)度相近、抗折強(qiáng)度略好，Z1-2因摻加GM341A高強(qiáng)灌漿劑，不僅具有塑性膨脹性能，還具有良好的后期膨脹性能，使得水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密，提高了砂漿的抗折強(qiáng)度。

（4）添加高效活性粉MS101的Z1-8砂漿，水料比較其它2種砂漿減小了0.035，對(duì)砂漿早期抗壓強(qiáng)度影響較小，但28 d抗壓、抗折強(qiáng)度有較大提高，較Z1-2分別提高44.4%、28.5%，較市售J60-Ⅲ分別提高32.4%、49.2%。

試驗(yàn)結(jié)果表明，高效活性粉MS101的比表面積大、填充性好，顆粒級(jí)配好，能減少用水量，大大提高了砂漿的整體力學(xué)性能。

2.2.2 墊層砂漿的耐久性能

對(duì)3種墩底砂漿的體積穩(wěn)定性、粘結(jié)性、密實(shí)性（抗?jié)B性、吸水率和氯離子擴(kuò)散系數(shù)）及抗硫酸鹽侵蝕性能分別進(jìn)行測試，結(jié)果見圖2和表4、表5。

表4 墩底砂漿的耐久性

表5 墩底砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能

圖2 墊層砂漿的干縮變形

由圖2可見：砂漿的90%干縮變形發(fā)生在早期（7d內(nèi)），早期養(yǎng)護(hù)對(duì)減少砂漿干縮變形作用很大；3種砂漿干縮大小依次為：J60-Ⅲ>Z1-2>Z1-8。Z1-2、Z1-8的28d干縮率較J60-Ⅲ分別減小了4.9%、19.5%?？梢姡珿M341A高強(qiáng)灌漿劑在干燥環(huán)境中對(duì)體積的穩(wěn)定性得不到發(fā)揮，早期砂漿養(yǎng)護(hù)很重要；通過高效活性粉MS101降低用水量可以有助于減小砂漿干縮收縮。

由表4、表5可見：

（1）3種大流動(dòng)度砂漿在1.5 MPa壓力下均無滲漏現(xiàn)象，滲透深度較小，抗?jié)B性良好。

（2）28 d砂漿吸水率是在蒸氣環(huán)境中測得的吸水率，測試結(jié)果反映了砂漿的密實(shí)度：Z1-8>Z1-2>J60-Ⅲ；同時(shí)3種砂漿的氯離子擴(kuò)散系數(shù)也呈相同規(guī)律。

（3）Z1-2與J60-Ⅲ的氯離子擴(kuò)散系數(shù)均>5.0×10-12m2/s，按JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》劃分抗氯離子侵蝕性能等級(jí)為差，而Z1-8的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為0，抗氯離子侵蝕性能等級(jí)為很好。

（4）3種砂漿的28 d粘結(jié)強(qiáng)度都≥2.5 MPa，靜態(tài)粘結(jié)性能優(yōu)；Z1-8砂漿的28 d粘結(jié)強(qiáng)度達(dá)2.8 MPa，較Z1-2與J60-Ⅲ均提高了12.0%。

（5）3種砂漿的抗蝕系數(shù)都大于1.0，抗硫酸鹽侵蝕性能優(yōu)，J60-Ⅲ的抗折強(qiáng)度相對(duì)較低，而抗蝕系數(shù)最大，因?yàn)樗拿軐?shí)性較差，在浸泡過程中與硫酸鹽溶液水化產(chǎn)物增加了致密性，使得抗折強(qiáng)度明顯提高，導(dǎo)致抗蝕系數(shù)反而最大。

以上試驗(yàn)表明，3種砂漿的早期干縮變形大，抗?jié)B性、粘結(jié)性能和抗硫酸鹽侵蝕性能良好。高效活性粉MS101降低了砂漿的用水量，提高了砂漿致密性，進(jìn)而改善墩底砂漿的體積穩(wěn)定性、粘結(jié)性能和抗氯離子侵蝕等耐久性能。

3 結(jié)論

（1）選用GM341A配制的裝配式橋梁墩底墊層砂漿與市售J60-Ⅲ座漿料進(jìn)行了性能測試對(duì)比，結(jié)果表明，配制的裝配式橋梁墩底墊層砂漿施工性能、力學(xué)性能、粘結(jié)性能和抗?jié)B性能優(yōu)良。

（2）市售J60-Ⅲ座漿料和摻加高強(qiáng)灌漿劑GM341A配制的灌漿料氯離子擴(kuò)散系數(shù)>5.0×10-12m2/s，抗氯離子侵蝕性能較差。

（3）高效活性粉MS101的比表面積大、顆粒級(jí)配好，對(duì)砂漿流動(dòng)性有助流作用，可大大提高砂漿的致密性，摻加MS101的砂漿較市售J60-Ⅲ砂漿的抗壓、抗折、粘結(jié)強(qiáng)度和干縮體積穩(wěn)定性分別提高了32.4%、49.2%、12.0%和19.5%，抗氯離子侵蝕性能等級(jí)由差提升到很好，大大提高了墩底墊層砂漿的承載力破壞和受環(huán)境侵蝕的抵抗能力，為裝配式橋梁混凝土構(gòu)件的耐久性能和整體安全性提供技術(shù)保障。