后張預(yù)應(yīng)力壓漿材料流變性的影響因素研究

趙 波

(佛山市路橋建設(shè)有限公司， 廣東 佛山 528313)

0 引言

孔道壓漿材料是以水泥作為基料，摻入膨脹劑、礦物摻和料、高效減水劑等多種外加劑并通過干拌混合而成。孔道壓漿質(zhì)量主要受壓漿材料和壓漿工藝的影響，壓漿材料與壓漿工藝具有適配性，當(dāng)二者不滿足規(guī)定要求時就很容易出現(xiàn)壓漿質(zhì)量問題。如壓漿材料泌水性大容易造成壓漿不密實(shí)；壓漿材料中減水劑含量過大會導(dǎo)致壓漿材料的流動度等指標(biāo)不滿足要求[1]。良好的壓漿料流變性能是確保孔道壓漿充盈整個孔道的主要因素，可提高孔道壓漿材料的耐久性和密實(shí)性[2]。壓漿材料流變性能主要受攪拌工藝的影響，規(guī)范雖然對攪拌速度有下限要求，但并未明確具體范圍，相關(guān)的理論研究依據(jù)較少[3]。國內(nèi)一些學(xué)者對孔道壓漿材料的流變性進(jìn)行了研究分析，如周明華等[4]基于某瑞士公司的孔道壓漿料，通過試驗(yàn)指出了該種壓漿料中的硅灰能有效地潤滑壓漿材料，達(dá)到提高壓漿料流變性能目的。壓漿料中的粉煤灰則有效地分散了壓漿料中的水泥顆粒，從而極大地促進(jìn)了水泥的水化效果，也在一定程度上降低了壓漿漿體的泌水及離析概率。同時，硅灰、粉煤灰也降低了壓漿料中氯離子的擴(kuò)散速度，提高了壓漿料的防腐性能。類似研究成果很多，但考慮到不同材料的適配性問題，提高壓漿材料的流變性還需進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究。影響壓漿材料流變性能的因素較多，本文主要研究減水劑、攪拌工藝、礦物摻和料對其影響程度，并分析孔道壓漿材料的流動性。

1 壓漿材料流變性的影響因素試驗(yàn)研究

擬建河惠莞高速公路龍川至紫金段公路工程是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃中兩條南北向縱線[第二縱(池用至江西瑞金高速)和第三縱(深圳至江西贛州高速)]之間加密線的重要組成部分，其中包括了1座特大橋826 m，30座中橋7 760 m，全部采用預(yù)應(yīng)力后張法施工，本文研究壓漿材料全部來自該項(xiàng)目。

試驗(yàn)用水為自來水，水泥為P·042.5普通硅酸鹽水泥，采用預(yù)應(yīng)力高性能灌漿材料、PC-1016聚梭酸減水劑(粉劑)、I級粉煤灰、硅灰、純葡萄糖酸鈉、有機(jī)硅消泡劑粉劑UEA膨脹劑，本文所選的各項(xiàng)材料均滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)定要求。

1.1 礦物摻和料的影響

壓漿材料在泵送和施工操作中需具有足夠的流動度，通常可采用提高減水劑含量來增加混合料的流動度，但減水劑過大也會導(dǎo)致流動度超過規(guī)范規(guī)定?！豆窐蚝┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》(JTG TF50—2011)中規(guī)定了減水劑的正常取值范圍為0.15～0.25，說明并不能單純地依靠增加減水劑含量來提高壓漿材料的流變性能?；旌狭现袚郊訙p水劑過量會引起漿體材料出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，泌水蒸發(fā)后將在漿體中留下空隙，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋暴露在空氣中而出現(xiàn)腐蝕，因此，為保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量，壓漿材料應(yīng)該為零泌水。為改善漿體的流動性、減少漿體泌水情況，可在漿體材料中摻加各種礦物摻和料，同時可以提高壓漿材料的強(qiáng)度、密實(shí)度以及結(jié)構(gòu)的耐久性能[5]。

本次試驗(yàn)僅以硅灰、粉煤灰摻量為研究變量，研究單一變量變化對漿體流動性能的影響程度。其中，減水劑含量為0.2%，緩凝劑含量為0.04%，消泡劑含量為0.04%，膨脹劑含量為7%，試驗(yàn)共設(shè)置了13組配比組合，具體見表1所示。

表1 礦物摻和料試驗(yàn)配比表編號粉煤灰摻量/%硅灰摻量/%100280310041205036047058103910410105111231212413125

1.1.1硅灰摻量變化對漿體流變性能影響及分析

漿體材料中硅灰摻量不同時，對漿體流變性能的影響如圖1所示。

圖1 硅灰摻量變化對漿體流動度的影響

由圖1可知，在漿體中摻入硅灰可以改變壓漿材料流變性能，與沒有摻加硅灰的試驗(yàn)組相比，硅灰摻加量為3%時，其流動度較初始流動度下降30%，而0.5 h和1 h流動度的下降幅度更大。硅灰比表面積較大，摻加到漿體中可以較大地提高壓漿材料的抗泌水性[7]，在漿體靜置很長一段時間后也不會發(fā)生泌水現(xiàn)象，對漿體流動度損失的影響較小。因此，適當(dāng)增加硅灰摻量，可提高漿體流動度和粘度。當(dāng)硅灰摻量超過3%時，漿體的流動度隨著硅灰摻量增加而增大，主要原因是硅灰的摻入增加了需水量，導(dǎo)致漿液的粘度增大。

1.1.2粉煤灰摻量變化對漿體流變性能影響程度及分析

相比水泥顆粒，粉煤灰顆粒的粒徑較小，剛好將水泥顆粒間的空隙填充密實(shí)，可實(shí)現(xiàn)漿體顆粒級配的優(yōu)化，能夠在很大程度上降低漿體材料的泌水率以及提高漿體材料的流變性能。僅摻加粉煤灰的漿體材料流動度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 粉煤灰摻量變化對漿體流動度的影響

由圖2可知，增加粉煤灰在漿體材料中的摻量，會降低壓漿材料的流動度，當(dāng)粉煤灰摻量分別達(dá)到10%和12%時，相比于初始流動度，漿體材料的流動度降低幅度達(dá)到了30%和33%。同樣，0.5 h與1 h流動度也出現(xiàn)下降現(xiàn)象。粉煤灰顆粒的表面比較光滑，大大降低了集料間的摩擦力，在一定程度上改善了壓漿材料的流變性能。另外粉煤灰顆粒粒徑較小，可以置換填充在水泥顆粒間的水，則增加了體系中自由水的數(shù)量，也能夠大大提高壓漿材料的流變性能。再者，粉煤灰摻量越大，漿液流動度值越小，0.5 h和1 h后的流動值差值也減少，主要原因是粉煤灰含量較大時,粉煤灰填充了漿液水泥顆粒中的空隙，一定程度上提高了漿液的均勻性，同時又阻礙了水泥的水化連接，從而抑制了漿液的泌水分層。

1.1.3硅灰和粉煤灰共同對漿體流變性能影響及分析

由于粉煤灰的火山灰活性較低，水泥水化后生成的Ca(OH)2與火山灰反應(yīng)速度緩慢。相比粉煤灰，硅灰活性較高，與水泥水化后生成的Ca(OH)2反應(yīng)較快。因此，硅灰與粉煤灰同時摻入到漿體中，可以綜合兩種礦物摻合料的特點(diǎn)，提高漿體的流動性、降低泌水率，改善混凝土的結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)技術(shù)性能，在提高結(jié)構(gòu)早期強(qiáng)度的同時保證結(jié)構(gòu)后期強(qiáng)度高速增長。同時摻加硅灰和粉煤灰的漿體材料流動性試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同硅灰和粉煤灰摻量對漿體流變性能的影響粉煤灰摻量/%硅灰摻量/%流動度/s初始0.5 h1 h10316.919.322.510417.720.724.010519.121.223.512317.619.721.612418.421.523.612520.321.623.4

根據(jù)表2及圖1、圖2可知，同時摻加硅灰和粉煤灰的漿體初始流動度比只摻加硅灰或粉煤灰的初始流動度下降2～3 s，但仍滿足規(guī)定要求。0.5 h與1 h流動度與初始流動度的差值均在1～3 s之間，說明水泥在0.5 h～1 h內(nèi)漿體所含水分從漿體中析出較小，漿體材料析水較難(0.5～1 h間漿體的流動度差值較小，則對應(yīng)的漿體在該時間內(nèi)的泌水量小，故同等條件下，流動性變化小則泌水小)，可認(rèn)為漿體材料的抗泌水性能較好。

另外，在壓漿材料中摻加硅灰和粉煤灰，與水泥水化釋放的Ca(0H)2反應(yīng)，生成更多的凝膠結(jié)構(gòu)，能夠增強(qiáng)壓漿材料的致密性結(jié)構(gòu)，達(dá)到增強(qiáng)壓漿材料的抗?jié)B性能等功效，從而有效改善壓漿材料的耐久性和抗腐蝕性[8-9]。過度地?fù)郊拥V物摻合料會增加單位用水量，降低漿體的流變性能。綜合以上各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)論，考慮到《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T F50—2011)中，漿液初始流動度0.5、1 h流動度范圍分別為：10～17 s、10～20 s、10～25 s，結(jié)合耐久性、腐蝕性等要求，壓漿材料獲得最佳流變性能對應(yīng)的硅灰和粉煤灰摻量分別取3%、10%。

1.2 減水劑的影響

本次試驗(yàn)將減水劑設(shè)為變量，研究不同減水劑摻量變化對漿體流動性能影響程度，減水劑摻量有：0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.32%。其余添加劑摻量分別為：微膨脹劑摻量7%、緩凝劑摻量0.04%、硅灰摻量4%、消泡劑摻量0.04%、粉煤灰摻量10%，分別對不同減水劑的壓漿材料進(jìn)行流動度性能試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 減水劑摻量變化對漿體流動度的影響

圖4 減水劑摻量變化對漿體粘度的影響

由圖3、圖4可知：提高壓漿材料的減水劑含量，壓漿材料的3種流動度都出現(xiàn)降低的變化趨勢。當(dāng)減水劑摻量取值為0.15%和0.20%時，壓漿材料的流動度為21.5～25.5 s；當(dāng)減水劑增大至0.25%時，壓漿材料的流動度降低至15.5～18.5 s；繼續(xù)提高減水劑，壓漿材料的流動度進(jìn)一步降低，減水劑提高至0.32%時，壓漿材料出現(xiàn)明顯的泌水現(xiàn)象。

同樣，壓漿材料粘度隨減水劑增加的變化趨勢與流動度基本保持一致，壓漿材料的減水劑含量越大，其粘度越小，壓漿材料的自由水含量較高，相應(yīng)的流動度也就較大;反應(yīng)一段時間后，漿體中的自由水含量減少，由于漿體的減水劑大，漿體的含水量自然很高，因此壓漿材料的流變性能也較好。通過綜合分析各相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可知：基于壓漿流變性要求，壓漿材料的最佳減水劑摻量為0.20%。

1.3 攪拌工藝的影響

壓漿材料漿體中存在的顆粒以一種絮凝狀結(jié)構(gòu)懸浮，漿體顆粒的密度和濃度越大，絮凝狀的結(jié)構(gòu)越多，則整個漿體的流動度越小。而在機(jī)械攪拌過程中其剪切作用可以切斷這些絮凝結(jié)構(gòu)的連結(jié)，機(jī)械攪拌作用越強(qiáng)，則漿體結(jié)構(gòu)越容易被分散，漿體材料的流動性和均勻性也越好。根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/TF 50—2011)的相關(guān)規(guī)定可知：壓漿材料在進(jìn)行機(jī)械攪拌時，其攪拌機(jī)械葉片的線速度應(yīng)該達(dá)到10～20 m/s，攪拌機(jī)械的轉(zhuǎn)速應(yīng)高于1000 r/min。本次攪拌試驗(yàn)使用壓漿材料的配合比為：微膨脹劑摻量7%、緩凝劑摻量0.04%、消泡劑摻量0.04%、硅灰摻量4%、粉煤灰摻量9.5%、減水劑摻量0.20%。以不同的攪拌時間和速度對壓漿材料進(jìn)行攪拌試驗(yàn)，其試驗(yàn)的具體實(shí)施方案如表3所示。

表3 攪拌試驗(yàn)實(shí)施方案減水劑攪拌速度/(r·min-1)攪拌時間/min3 0000.204 00045 0006 00030.205 00056

1.3.1攪拌時間的影響

攪拌的轉(zhuǎn)速大小影響壓漿材料的各項(xiàng)性能，高速攪拌主要體現(xiàn)在攪拌時間和速度兩方面。對比普通攪拌，高速攪拌的速度為5 000 r/min，以4種不同攪拌時間(3、4、5、6 min)分別進(jìn)行漿體材料粘度和流動度試驗(yàn)，得到相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 攪拌時間對流動度的影響

圖6 攪拌時間對粘度的影響

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可知：延長攪拌時間，可以降低漿體流動度、提高漿體流變性能。當(dāng)攪拌時間由3 min提高至4 min后，壓漿材料的初始流動度降低了3 s，壓漿材料0.5 h和1 h的流動度降低了9 s；繼續(xù)提高攪拌時間至5 min，初始流動度、0.5 h及1 h流動度基本沒有變化；當(dāng)攪拌時間超過5 min后，各漿體流動度開始出現(xiàn)增加的變化趨勢。這是由于攪拌使壓漿材料中的組成顆粒更加分散，釋放出大量的自由水，在一定程度上改善了漿體的流變性能。但攪拌時間過長也會導(dǎo)致漿體產(chǎn)生大量氣泡，氣泡存在于漿體中則會降低壓漿材料的強(qiáng)度和密實(shí)度，從而影響壓漿材料的質(zhì)量。通過綜合分析各相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果可知：壓漿材料的最佳攪拌時間不應(yīng)超過4 min。

1.3.2不同轉(zhuǎn)速的影響

不同轉(zhuǎn)速壓漿材料流動度和粘度的試驗(yàn)結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 攪拌轉(zhuǎn)速對漿體流動度的影響

圖8 攪拌轉(zhuǎn)速對漿體粘度的影響

由圖7、圖8可知，提高漿體材料的攪拌速度，可以提高壓漿材料的流變性能。當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速從3 000 r/min提升至5 000 r/min后，壓漿材料的初始流動度、0.5 h和1 h流動度均出現(xiàn)降低的變化趨勢，且分別降低了3.5、4.5、6.5 s。提升攪拌轉(zhuǎn)速，壓漿材料的流動度先降低后增大，當(dāng)攪拌速度為5 000 r/min時，壓漿材料的流動度處于最小值，此時3種流動度的差距在2 s以內(nèi)。繼續(xù)增大攪拌轉(zhuǎn)速，壓漿材料的初始流動度繼續(xù)保持降低的變化趨勢，而0.5、1 h流動度呈現(xiàn)輕微的上升趨勢。

壓漿材料粘度隨攪拌速度增加的變化趨勢與流動度基本保持一致。攪拌機(jī)械的轉(zhuǎn)速越高，壓漿混合料拌和得越均勻和充分，其礦物摻合料硅灰和粉煤灰能夠更加均勻地填充到水泥顆粒的空隙中，促進(jìn)了漿體顆粒級配的優(yōu)化。

2 壓漿材料流變性的試驗(yàn)結(jié)果分析

假定壓漿材料符合牛頓流體模型，則可采用馬氏漏斗進(jìn)行漿體的流動度計算，采用流變性分析公式計算1.3節(jié)中不同攪拌速度下的壓漿材料初始粘度試驗(yàn)結(jié)果[6]，所得結(jié)果如表4所示，表4中包括初始流動度、0.5 h和1 h流動度、粘度。對比分析計算與試驗(yàn)測試結(jié)果如圖9所示。

表4 各種流動度的計算結(jié)果項(xiàng)目粘度/(MPa·s)計算流動度/s實(shí)際流動度/s42119.419.7初始流動度與粘度38117.717.334115.816.132615.215.945620.919.90.5 h流動度與粘度44120.319.938617.817.439318.118.049122.525.61 h流動度與粘度48122.023.842119.419.143119.819.5

圖9 壓漿材料流動度的實(shí)測與計算結(jié)果對比分析圖

由圖9可知：壓漿材料粘度小于460 MPa·s、流動度為14～20 s時，兩種結(jié)果相差不大，其吻合度較高。漿體在靜置一段時間后，水化反應(yīng)已經(jīng)引起漿體的均勻性發(fā)生改變。該對比結(jié)果能夠很好地說明高流動度的壓漿材料流變性能符合牛頓流體，利用馬氏漏斗測量出的漿體流出時間可用于計算壓漿材料粘度。

3 結(jié)論

1) 礦物摻合料中硅灰需水量較大，摻入硅灰可以減小壓漿材料的泌水率，與粉煤灰復(fù)合使用可以提高壓漿材料的流變性能；粉煤灰需水量較小，與減水劑復(fù)合使用可以加強(qiáng)增塑和減水作用，并且可以提高壓漿材料的流變性能。

2)攪拌工藝對壓漿材料流變性能的影響較為顯著。轉(zhuǎn)速在5 000 r/min以下時，壓漿材料的流動度隨轉(zhuǎn)速增加而降低；轉(zhuǎn)速在5 000 r/min以上時，壓漿材料的流動度損失增加且產(chǎn)生泌水。試驗(yàn)表明符合漿體流變性要求的最佳攪拌時間為4 min，同時提高攪拌葉片的速度將降低壓漿材料的粘度和流動度。

3)將高流動度的壓漿材料流變性能假定為牛頓流體，采用馬氏漏斗則可測量出漿體流出時間，進(jìn)而獲得與實(shí)際壓漿材料粘度很接近的粘度值。