PCCP保護(hù)層砂漿性能影響因素的試驗(yàn)研究

王浩， 楊亞彬， 王坤， 呂藝生， 尚鵬然,4， 李風(fēng)蘭,4

(1.河南省富臣管業(yè)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400； 2.華北水利水電大學(xué) 黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046； 3.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045； 4.華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450045)

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressted Concrete Cylinder Pipe,PCCP)的保護(hù)層砂漿，通過高速旋轉(zhuǎn)的輥射輪輥射至管芯預(yù)應(yīng)力鋼絲之間及外側(cè)成型，砂漿中水泥提供的高堿環(huán)境會(huì)在預(yù)應(yīng)力鋼絲外表面形成一層鈍化膜。這層鈍化膜能夠有效保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼絲，延緩或阻止鋼絲在外界侵蝕環(huán)境下發(fā)生腐蝕，并通過其與鋼絲間的黏結(jié)力防止鋼絲斷裂后PCCP立即失效而發(fā)生爆管的事故[1-4]。因此，保護(hù)層砂漿的質(zhì)量對(duì)PCCP的使用和安全尤為重要。

研究表明[5]，輥射機(jī)參數(shù)(如輪旋轉(zhuǎn)速度、管芯旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)速度、輸料速度等)不同，保護(hù)層砂漿性能會(huì)出現(xiàn)較大差異。同時(shí)，由于輥射的砂漿呈干硬性狀態(tài)，其配合比設(shè)計(jì)不能直接采用建筑砂漿的設(shè)計(jì)方法。規(guī)范GB/T 19685—2017[6]對(duì)于輥射砂漿配合比設(shè)計(jì)的規(guī)定中僅限制了最大的砂灰比。實(shí)際工程采用的砂漿配合比以試配和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為主，缺少系統(tǒng)的研究成果。在砂漿生產(chǎn)過程中，砂漿的含水率會(huì)因氣候環(huán)境的影響而出現(xiàn)變化，最終影響輥射砂漿的成型質(zhì)量[7]。

為此，本文基于系列試驗(yàn)，分析了輥射系統(tǒng)參數(shù)、砂灰比、新拌砂漿含水率等因素對(duì)砂漿保護(hù)層的厚度、抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響規(guī)律。該分析研究成果可為PCCP生產(chǎn)過程中保護(hù)層砂漿的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 原材料與配合比

本試驗(yàn)采用的水泥為P·O 52.5，其具體物理指標(biāo)見表1。

表1 水泥物理指標(biāo)

水泥膠砂試件的3、7 d抗壓強(qiáng)度分別為31.7、56.3 MPa，抗折強(qiáng)度分別為5.5、8.3 MPa。

根據(jù)規(guī)范GB/T 19685—2017[6]的要求，保護(hù)層砂漿中的砂宜選用細(xì)度模數(shù)為1.6～2.2、含泥量不大于1%的天然細(xì)砂。本試驗(yàn)用砂的細(xì)度模數(shù)為2.1，含泥量為0.9%，表觀密度為2 540 kg/m3，堆積密度為1 410 kg/m3。

砂漿配合比依據(jù)規(guī)范GB/T 19685—2017并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)及試配[6-8]。配合比設(shè)計(jì)見表2，其中，砂灰比為砂與水泥的質(zhì)量之比，水灰比為水與水泥的質(zhì)量之比。

表2 輥射砂漿配合比

2 試驗(yàn)方法

2.1 砂漿輥射

PCCP保護(hù)層砂漿使用立式砂漿輥射機(jī)輥射成型的過程為：混凝土管體固定于回轉(zhuǎn)平臺(tái)后轉(zhuǎn)動(dòng)，砂漿拌合料被輥射輪離心甩出至管體表面，隨著輥射小車的提升，砂漿由下而上鋪滿管體表面。本試驗(yàn)中考慮到皮帶輸料、輥射小車提升和回轉(zhuǎn)平臺(tái)參數(shù)設(shè)計(jì)了6種工況。皮帶輸料和回轉(zhuǎn)平臺(tái)的參數(shù)值為操作面板上顯示的數(shù)值，輥射小車升降單動(dòng)速度參數(shù)的基準(zhǔn)值為50 Hz，升降參數(shù)見表3。

皮帶輸料參數(shù)、回轉(zhuǎn)平臺(tái)參數(shù)和輥射小車升降速度系數(shù)這3個(gè)參數(shù)的共同作用將影響輥射系統(tǒng)整體運(yùn)行的功率大小，進(jìn)而影響整體輥射系統(tǒng)的運(yùn)行速度。輥射輪嚙合狀態(tài)為兩輪外表面相切狀態(tài)，輥射距離設(shè)定為30 cm。砂漿各材料質(zhì)量之比為水泥∶砂∶水=1.0∶2.6∶0.3。

表3 輥射系統(tǒng)參數(shù)

除輥射系統(tǒng)參數(shù)外，由于輥射輪采用富有彈性的聚氨酯橡膠材料，砂漿被吸入輥射輪的瞬間受到一定的擠壓力，兩輥射輪嚙合的緊密程度會(huì)對(duì)砂漿輥射至管壁表面的擠壓力產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響輥射砂漿的性能。為了探究輥射輪狀態(tài)以及輥射距離對(duì)保護(hù)層砂漿性能的影響，兩輥射輪狀態(tài)設(shè)定為內(nèi)嵌、相切和相離3種工況(輥射輪內(nèi)嵌重合部分長(zhǎng)度為8 mm，相離狀態(tài)齒輪外表面距離為10 mm)，輥射距離分別設(shè)定為30、40、50 cm，共有9種工況，具體見表4。

表4 輥射輪狀態(tài)及輥射距離

由于輥射工藝采用的是干硬性砂漿，砂漿輥射至管體表面會(huì)有部分砂漿受到反作用力而產(chǎn)生回彈，回彈掉落的砂漿與輥射整根管所需砂漿的質(zhì)量比稱為回彈率。整根管輥射完成后進(jìn)行砂漿回彈率的測(cè)定，回彈料質(zhì)量不應(yīng)超過總用料的25%。

PCCP保護(hù)層砂漿的厚度(砂漿外表面到鋼絲外表面的距離)不得小于25 mm[6]，在剛輥射完畢的砂漿板中間位置自下而上等間距取3個(gè)點(diǎn)，采用鋼針插入砂漿層的方法測(cè)量保護(hù)層厚度(鋼針插入深度與鋼絲直徑7 mm的差值即為保護(hù)層厚度值)。

2.2 砂漿取樣

根據(jù)規(guī)范GB/T 15345—2017[9]規(guī)定，結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)制作了適合現(xiàn)場(chǎng)取樣檢測(cè)用的模板，取樣時(shí)需要用液壓設(shè)備將模板固定在管體表面，隨著管體的轉(zhuǎn)動(dòng)和輥射的持續(xù)進(jìn)行，砂漿就會(huì)鋪滿整個(gè)模板。模板及取樣砂漿分別如圖1(a)和圖1(b)所示。

圖1 模板及取樣砂漿

砂漿取樣結(jié)束后在自然條件下保持表面濕潤(rùn)養(yǎng)護(hù)4 d，然后轉(zhuǎn)至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d。到期后，將砂漿試塊切割為邊長(zhǎng)25 mm的立方體試塊，再進(jìn)行砂漿的抗壓強(qiáng)度與吸水率試驗(yàn)。

2.3 抗壓強(qiáng)度和吸水率試驗(yàn)

砂漿試塊切割完成后，從中挑選出10個(gè)立方體試塊，用游標(biāo)卡尺測(cè)量其尺寸，計(jì)算出試塊實(shí)際的受壓面積，并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。取10個(gè)強(qiáng)度值中較大的6個(gè)的平均值作為抗壓強(qiáng)度值。吸水率試驗(yàn)所用試塊規(guī)格與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的相同，采用沸煮法進(jìn)行吸水率試驗(yàn)[9]。每組測(cè)定3個(gè)試塊的吸水率值。根據(jù)規(guī)范GB/T 19685—2017[6]要求，砂漿試塊的28 d抗壓強(qiáng)度須不小于45 MPa，吸水率最大值不超過10%、平均值不超過9%。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 輥射參數(shù)的影響

不同輥射系統(tǒng)參數(shù)時(shí)的各工況試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：CS4和CS6工況的砂漿試塊的強(qiáng)度和吸水率的最大值和平均值均滿足要求，抗壓強(qiáng)度分別高于規(guī)范GB/T 19685—2017要求值的2.2%和11.1%，其他工況的輥射砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度均不達(dá)標(biāo)；CS5工況試塊的吸水率最大值滿足限值要求，但平均值大于規(guī)范中平均值的限值；抗壓強(qiáng)度和吸水率之間有一定的關(guān)系，抗壓強(qiáng)度高的試塊吸水率偏低；在CS1、CS2、CS3工況下，砂漿保護(hù)層的厚度分別比限值高了80%、44%、20%；在CS4、CS5工況下，砂漿保護(hù)層的厚度均低于限值要求；在CS6工況下，砂漿保護(hù)層的厚度符合限值要求。

圖2 不同輥射參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果

輥射系統(tǒng)參數(shù)不同會(huì)影響系統(tǒng)整體的運(yùn)行速度，回轉(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)速參數(shù)與輥射小車升降速度系數(shù)較小時(shí)將導(dǎo)致砂漿流在同一位置的堆疊，使成型的砂漿層過厚，并且后續(xù)砂漿流對(duì)前面已經(jīng)敷設(shè)到管體表面的砂漿層進(jìn)行二次沖擊，導(dǎo)致管體表面的砂漿層變得疏松，造成砂漿保護(hù)層的抗壓強(qiáng)度和吸水率不達(dá)標(biāo)?；剞D(zhuǎn)平臺(tái)轉(zhuǎn)速參數(shù)與輥射小車升降速度系數(shù)較大時(shí)，砂漿流對(duì)管體表面輥射不充分導(dǎo)致砂漿保護(hù)層厚度過薄，保護(hù)層厚度達(dá)不到要求。因此，需要合理設(shè)置輥射參數(shù)，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，CS6為最佳工況。

選取CS6工況的輥射系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行輥射輪狀態(tài)和輥射距離試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。兩輥射輪為內(nèi)嵌或相切狀態(tài)，且輥射距離不超過40 cm時(shí)，砂漿28 d抗壓強(qiáng)度均超過45 MPa，對(duì)應(yīng)的吸水率最大值與平均值均符合要求；砂漿的回彈率雖偏高，但未超過25%?？傮w而言，輥射距離越大、輥射輪外緣相距越遠(yuǎn)，砂漿保護(hù)層的抗壓強(qiáng)度越低，吸水率越高。

圖3 不同輥射輪狀態(tài)和距離的試驗(yàn)結(jié)果

分析其原因，兩輥射輪咬合緊密程度決定了砂漿離心甩出瞬間獲取動(dòng)能的大小。相同條件下，兩輪嚙合越緊密，兩輪之間儲(chǔ)存的勢(shì)能越大，勢(shì)能轉(zhuǎn)化成的動(dòng)能越大[10]，砂漿離心的瞬時(shí)速度越大，輥射到管體表面形成的砂漿層越密實(shí)，砂漿保護(hù)層的抗壓強(qiáng)度越高，吸水率越低，產(chǎn)生的回彈料越多。此外，輥射距離也會(huì)影響砂漿的致密性。距離越遠(yuǎn)，砂漿流在空氣中的累計(jì)動(dòng)能損失越大，使砂漿入射速度減小，致密程度降低。

綜合考慮抗壓強(qiáng)度和吸水率以及回彈率指標(biāo)，選擇XQ40工況(兩輪外緣相切、輥射距離為40 cm)進(jìn)行砂漿配合比試驗(yàn)。這樣既能保證管體表面砂漿保護(hù)層質(zhì)量，又能減少材料的回彈量，減少浪費(fèi)。

3.2 砂灰比的影響

將輥射系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為CS6工況，輥射輪調(diào)整至相切的狀態(tài)，輥射距離固定為40 cm，進(jìn)行砂灰比變化對(duì)PCCP保護(hù)層砂漿性能影響的相關(guān)試驗(yàn)。

3.2.1 外觀質(zhì)量

PCCP保護(hù)層砂漿除了要滿足強(qiáng)度和吸水率的要求，還應(yīng)滿足外觀質(zhì)量要求。目前大多以觀察法判斷砂漿層是否平整，本文從砂漿配合比的角度分析其對(duì)管體外觀質(zhì)量的影響。不同配合比、實(shí)測(cè)含水率及管體外觀質(zhì)量的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：砂灰比大于2.4，且新拌砂漿含水率(水質(zhì)量與干料質(zhì)量的比值)低于8.2%時(shí)，管體外觀平整規(guī)則；砂灰比過低，新拌砂漿含水率偏高，管體外觀會(huì)出現(xiàn)圈狀凹凸不平整現(xiàn)象。

圖4 新拌砂漿含水率、砂灰比與外觀質(zhì)量的關(guān)系

砂灰比、新拌砂漿含水率對(duì)保護(hù)層砂漿外觀質(zhì)量的影響機(jī)理需結(jié)合輥射工藝進(jìn)行分析。砂漿的黏聚狀態(tài)影響輥射輪輸出砂漿流的連續(xù)穩(wěn)定性，砂漿的砂灰比高、攪拌形成的砂漿相對(duì)干硬，進(jìn)入輥射輪嚙合區(qū)不會(huì)堵塞和黏附在出料口的位置，有利于砂漿均勻穩(wěn)定輸出；反之，會(huì)造成輥射輪在單位時(shí)間內(nèi)出料量不同，導(dǎo)致砂漿在管體表面形成凹凸形狀。拌合料的黏聚狀態(tài)也會(huì)影響砂漿瞬時(shí)敷設(shè)至管體表面的形態(tài)，砂子在拌合料中起到骨架支撐的作用，砂灰比低的砂漿較為黏滯，在輥射力強(qiáng)大的沖擊作用下，砂漿在管體表面會(huì)出現(xiàn)較大的蠕動(dòng)變形，形成的表面存在不同程度的凹凸形狀。

3.2.2 砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度和吸水率

砂漿的抗壓強(qiáng)度和吸水率隨齡期變化的情況如圖5所示。

圖5 不同砂灰比砂漿的抗壓強(qiáng)度和吸水率隨齡期的變化情況

分析圖5可得到如下結(jié)論：1)砂漿強(qiáng)度隨齡期呈增加的趨勢(shì)，其中砂灰比相對(duì)低的砂漿(PHB1、PHB2、PHB3工況)在各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度值偏高，齡期14 d時(shí)砂漿的抗壓強(qiáng)度達(dá)到要求值，除了PHB6工況，其余工況砂漿在齡期28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度均滿足要求。

2)吸水率變化曲線隨齡期的增加有逐漸下降的趨勢(shì)，28 d齡期時(shí)PHB1與PHB2工況的砂漿吸水率的最大值和平均值均超過了規(guī)范要求的限值，PHB3—PHB6工況砂漿的吸水率符合規(guī)范要求[6]。砂灰比過低會(huì)導(dǎo)致砂漿抗壓強(qiáng)度達(dá)標(biāo)而吸水率不達(dá)標(biāo)。這是由于較大的水泥用量容易引起砂漿產(chǎn)生較大的收縮，導(dǎo)致砂漿基體內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)微裂縫[8,10-11]，進(jìn)而導(dǎo)致砂漿的吸水率偏高；砂灰比增大至2.4(PHB3工況)時(shí)，砂漿的吸水率顯著降低，砂灰比進(jìn)一步增大至2.5，砂漿的吸水率均降低至規(guī)范要求。因此，砂灰比在一定范圍增大有利于降低砂漿的吸水率，砂灰比超出該范圍后繼續(xù)增加則會(huì)提高砂漿的吸水率。

3.3 新拌砂漿含水率的影響

PCCP保護(hù)層砂漿屬于干硬性砂漿，含水量偏低。在氣溫較高的環(huán)境中，水分蒸發(fā)較快，砂漿的含水率會(huì)產(chǎn)生較大的變化。為此，選擇PHB3工況下砂漿的配合比，在攪拌倉(cāng)實(shí)測(cè)出4種新拌砂漿的含水率，分別為5.8%、6.6%、7.8%和8.3%，在齡期為7、14、28 d測(cè)試各砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度和吸水率。圖6為不同含水率砂漿試塊的切面情況。由圖6知：含水率分別為5.8%和6.6%時(shí)，砂漿試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔；含水率為7.8%時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為密實(shí)，但是存在一些可見的細(xì)小孔洞；含水率為8.3%時(shí)，砂漿試塊切面幾乎看不到孔洞，砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實(shí)。

圖6 不同含水率新拌砂漿試塊切面

新拌砂漿含水率對(duì)砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度和吸水率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 新拌砂漿含水率對(duì)砂漿強(qiáng)度和吸水率的影響

由圖7可知：砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度隨含水率的增大而提高；含水率分別為5.8%和6.6%的砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度隨齡期的增大均有一定幅度的提高，但28 d齡期時(shí)試塊的抗壓強(qiáng)度未達(dá)到45 MPa；新拌砂漿含水率為7.8%時(shí)，28 d齡期時(shí)試塊的抗壓強(qiáng)度高于規(guī)范中限值的4.4%；含水率為8.3%時(shí)砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步提高，28 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度高于規(guī)范中限值的13.3%。砂漿試塊的吸水率最大值與平均值變化曲線隨齡期的增加呈下降的趨勢(shì)，且隨含水率的增加而降低；含水率分別為5.8%和6.6%的砂漿試塊的吸水率最大值與平均值在不同齡期均不滿足規(guī)范要求；含水率為7.8%的砂漿試塊28 d齡期時(shí)的吸水率最大值低于規(guī)范中限值的10.0%，吸水率平均值低于規(guī)范中限值的9.0%，符合規(guī)范要求；含水率為8.3%的砂漿試塊28 d齡期時(shí)的吸水率最大值和平均值低于規(guī)范中限值的7.8%，滿足要求。

分析原因，新拌砂漿含水率過低會(huì)導(dǎo)致砂漿中水泥漿體少，不能完全包裹住砂子，砂漿整體的黏聚性差，輥射到管體表面時(shí)造成試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔，且由于含水率低，水泥水化作用不充分，產(chǎn)生的各種水化產(chǎn)物不能完全填充砂粒之間的空隙，導(dǎo)致試塊的抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，吸水率一直偏高。隨著新拌砂漿含水率的提高，其黏聚性變好，成型后的砂漿試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)更加致密，水泥的水化作用更加充分，砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度更高、吸水率更低。因此，雖然砂漿配合比相同，但環(huán)境條件不同，也會(huì)引起砂漿含水率變化，在施工過程中應(yīng)引起重視。

4 結(jié)論

1) 輥射系統(tǒng)參數(shù)對(duì)砂漿質(zhì)量影響較大，輥射系統(tǒng)整體運(yùn)行速度以中高速為宜，在此運(yùn)行速度下砂漿的抗壓強(qiáng)度、吸水率和保護(hù)層厚度均符合規(guī)范要求；同時(shí)也得到了合適的輥射輪狀態(tài)和輥射距離，這些可為實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

2) 砂灰比低的砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度高，吸水率也偏高，且輥射成型后試塊的外觀不平整，因此不能片面追求高的水泥摻量，本研究中砂灰比控制為2.4～2.6比較合適。

3) 新拌砂漿含水率會(huì)影響砂漿試塊的密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度和吸水率，隨著含水率的增加，試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，吸水率逐漸降低，含水率分別為7.8%和8.3%的砂漿試塊28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度和吸水率均滿足規(guī)范要求。