預(yù)應(yīng)力壓漿料流動(dòng)度保持及耐久性能研究

方喜生 ，陳 鵬，陳 茜，吳慶霞，宋普濤，夏京亮，王 晶

(1.中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011；2.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013)

近年來我國基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展迅速，特別是公路和鐵路中經(jīng)常要使用到預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。后張法的橋梁在橋梁建設(shè)中受到了大量的使用和推廣。后張法預(yù)應(yīng)力孔道壓漿技術(shù)在預(yù)應(yīng)力橋梁建設(shè)中起到了關(guān)鍵作用，預(yù)應(yīng)力壓漿作為防止預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕的最后一步，用來保證結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。同時(shí)使用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)必須要考慮的問題就是如何使混凝土與鋼筋能夠很好地共同工作，這就要求預(yù)應(yīng)力筋與混凝土擁有良好的粘結(jié)。好的預(yù)應(yīng)力壓漿可以提高后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性。因此預(yù)應(yīng)力壓漿料質(zhì)量的好壞必須受到重視。

隨著施工環(huán)境的多樣化和復(fù)雜化，施工中對(duì)預(yù)應(yīng)力壓漿料的流動(dòng)性、流動(dòng)性的保持度以及耐久性能有了新的需求。該文就預(yù)應(yīng)力壓漿料的研究進(jìn)展、高流動(dòng)度保持性能、耐久性能以及高溫環(huán)境下高流動(dòng)度性能進(jìn)行調(diào)研和總結(jié)，以期為預(yù)應(yīng)力壓漿料的研究和應(yīng)用提供參考。

1 后張預(yù)應(yīng)力壓漿技術(shù)研究進(jìn)展

我國關(guān)于后張預(yù)應(yīng)力壓漿技術(shù)的研究已經(jīng)有數(shù)十年。最初采用的是純水泥作為后張預(yù)應(yīng)力壓漿材料，但是由于純水泥的流動(dòng)度不好且存在收縮變形大的缺點(diǎn)導(dǎo)致施工中遇到泵送問題以及與預(yù)應(yīng)力筋之間產(chǎn)生空隙會(huì)降低結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，這樣壓漿對(duì)于預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)作用并沒有充分發(fā)揮。為了解決流動(dòng)性差的問題在壓漿材料中摻入高效減水劑，明顯改善了其流動(dòng)性。并且還可以摻入一些可以改善壓漿材料工作性能的外加劑和礦物摻合料。但是對(duì)于多種外加劑的摻入，要考慮不同外加劑之間的相互作用，避免不同種外加劑相互影響降低各自發(fā)揮的作用。

Pennsylvania state university、Texas A&M university兩所學(xué)校對(duì)改進(jìn)壓漿材料性能做了大量研究工作,采用普通水泥配置30多種壓漿材料，試驗(yàn)證明高效減水劑對(duì)流動(dòng)性的提升有很大作用，但是摻量過多會(huì)有泌水。Noske P試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用超細(xì)水泥制備的壓漿料的加固、抗?jié)B效果較好。Alen K和Mirzx T研究了采用超細(xì)水泥制備壓漿料在不同的水灰比、減水劑摻量、不同溫度下的工作性能和力學(xué)性能的變化。Mdbye T A研究證明超細(xì)水泥相較于普通水泥在同等灌裝技術(shù)情況下?lián)碛懈玫乜晒嘈阅?。管學(xué)茂[1]對(duì)超細(xì)高性能灌漿水泥進(jìn)行系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)在超細(xì)水泥中摻入粉煤灰可以改變漿體的流動(dòng)性并且可以提高漿體硬化后的強(qiáng)度，體積穩(wěn)定性得到改善，抗?jié)B透能力也有所增強(qiáng)。薛慶[2]、姚武[3]、謝琦[4]等通過復(fù)摻礦物摻合料例如：礦渣、粉煤灰、硅灰、石灰石粉等并適當(dāng)降低水膠比來減小漿體泌水問題。何濤[5]研究硫鋁酸鹽水泥作壓漿料與不同種減水劑之間的相互影響。試驗(yàn)結(jié)果表明聚羧酸減水劑、三聚氰胺減水劑對(duì)壓漿料的流動(dòng)性提高效果顯著，并且對(duì)力學(xué)性能的影響較小。徐向鋒[6]對(duì)不同配比的壓漿材料進(jìn)行各項(xiàng)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，不同配比的壓漿料的性能差距較大，粉煤灰能夠明顯降低漿體的泌水率，低水膠比的漿體流動(dòng)度較大但是材料的耐久性較差，礦物摻合料的加入對(duì)于提高材料的耐久性有較好的作用。

針對(duì)壓漿料在實(shí)際工程中遇到的問題，許多學(xué)者進(jìn)行了壓漿料的改性和性能提升研究。田倩[7]研制出一種高性能壓漿劑JM-HF，摻入這種壓漿劑后壓漿料的體積穩(wěn)定性得到改善。中國建筑科學(xué)研究院薛慶研制出CABR-GM壓漿劑,在低水膠比情況下?lián)搅繛?%時(shí)流動(dòng)度可以達(dá)到16.5 s,并可以解決后張預(yù)應(yīng)力孔道壓漿料產(chǎn)生的泌水、不密實(shí)等問題。張勇[8]等研制出TK-G孔道壓漿劑,并通過對(duì)不同的水泥品種進(jìn)行試驗(yàn)證明了TK-G孔道壓漿劑的適用性較好。中國建筑科學(xué)研究院有限公司宋普濤等進(jìn)行了高揚(yáng)程低泌水壓漿料的制備及應(yīng)用技術(shù)研究，開發(fā)的壓漿料可垂直泵送到120～150 m的豎向預(yù)應(yīng)力孔道，泵送完成后漿體不分層。

2 預(yù)應(yīng)力壓漿料流動(dòng)性保持

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水泥的化學(xué)組成及細(xì)度、摻合料的種類、外加劑的種類及應(yīng)用環(huán)境等均會(huì)對(duì)壓漿料的流動(dòng)性能產(chǎn)生影響。

朱清華[9]通過試驗(yàn)來檢測水泥品種對(duì)壓漿料流動(dòng)度的影響，試驗(yàn)表明壓漿料的流動(dòng)度與水泥品種密切相關(guān)，與水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量成正比。張彥奇通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)壓漿料粘度與水膠比成反比，但是水膠比大于1.5后隨著水膠比的增大漿料粘度的降低不在明顯。孫長征等通過摻入超細(xì)粉煤灰和硅灰來改善壓漿料的工作性能和力學(xué)性能，試驗(yàn)表明超細(xì)粉煤灰會(huì)使壓漿料的流動(dòng)度增加，一定摻量的硅灰也可以改善壓漿料的流動(dòng)度。相對(duì)而言，摻入5%硅灰及15%超細(xì)粉煤灰后壓漿料的力學(xué)性能和工作性能均較好。

Yamada等發(fā)現(xiàn)摻入聚羧酸減水劑水泥漿料的流動(dòng)度并未隨時(shí)間變化而改變，緩凝劑延長水泥基材料凝結(jié)時(shí)間，并且不會(huì)對(duì)后期力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。楊輝等研究了兩種不同膨脹劑對(duì)壓漿料早期抗壓、抗折強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明雙膨脹源體系(C4A3S-CaO)相較于但膨脹源體系(MgO)對(duì)壓漿料的早期膨脹率提升較快，并且摻量為8%時(shí)能夠一定程度上提升抗壓強(qiáng)度，但是后期的穩(wěn)定性較差。尹科等[10]研究超強(qiáng)吸水樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑對(duì)壓漿料的影響，試驗(yàn)表明，摻入適量的超強(qiáng)吸水樹脂內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑可以改善壓漿料的工作性、提高抗壓、抗折強(qiáng)度，提高早期的膨脹率和減少后期干燥收縮。溫小棟等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入蔗糖可以使水泥緩凝，并且發(fā)現(xiàn)了蔗糖摻入的臨界摻量，超過臨界摻量的蔗糖會(huì)影響水泥的強(qiáng)度，因此蔗糖的摻入量不宜超出臨界摻量。

由此可見，國內(nèi)外在水泥基材料流動(dòng)度保持及水泥基材料用減水劑、緩凝劑等影響流動(dòng)性及流動(dòng)性保持性能的化學(xué)外加劑方面均有較多的研究基礎(chǔ)。我們可以借鑒既有的研究基礎(chǔ)，進(jìn)行高溫環(huán)境下預(yù)應(yīng)力壓漿料流動(dòng)度保持技術(shù)研究。

3 高溫對(duì)預(yù)應(yīng)力壓漿料流動(dòng)性保持的影響

馮小偉[11]分別研究了溫度和攪拌速度對(duì)壓漿材料工作性能的影響。試驗(yàn)表明，隨著溫度的升高壓漿料的工作性能變差，流動(dòng)度在0～200 ℃之間的變化比在 20～400 ℃ 之間變化更大。當(dāng)轉(zhuǎn)速從0 r/min增大至2 000 r/min時(shí)，相應(yīng)的流動(dòng)度隨之增大。Martini S AI等研究高溫下化學(xué)外加劑對(duì)水泥漿料流變性的影響，發(fā)現(xiàn)高溫會(huì)加快水泥的水化反應(yīng)，水泥漿料的流動(dòng)度喪失很快，若只單摻減水劑并不能延緩水泥漿料的水化速度。Petit等在不同溫度(10～30 ℃)和時(shí)間情況下，研究高流動(dòng)砂漿流變性能受不同水膠比的影響。發(fā)現(xiàn)室溫中高流動(dòng)度砂漿的屈服應(yīng)力與時(shí)長成正比。左彥峰等[12]研究聚羧酸系超塑化劑對(duì)水泥漿體流動(dòng)性的影響，但是并未考慮高溫對(duì)水泥漿體流動(dòng)性的影響。高兵研究在高溫條件下(150 ℃、350 ℃、550 ℃)摻入不同類型不同摻量的聚乙烯醇對(duì)灌漿料強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)表明隨著溫度的增大灌漿料的抗壓強(qiáng)度隨溫度的增大逐漸減小，在溫度較低時(shí)摻入適量的聚乙烯醇纖維的灌漿料的抗壓強(qiáng)度損失會(huì)減少，但溫度較高時(shí)反而會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度大幅度下降。郭亞紅的研究表明水泥基灌漿料的質(zhì)量損失與溫度成正比，當(dāng)溫度到達(dá)200～400 ℃之間質(zhì)量損失較緩，當(dāng)溫度超過400 ℃后抗壓強(qiáng)度降低迅速，達(dá)到600 ℃質(zhì)量損失明顯增大，1 000 ℃時(shí)水泥基灌漿料基本失去全部強(qiáng)度。

綜上可知，國內(nèi)外對(duì)后張法孔道壓漿料的性能改進(jìn)主要體現(xiàn)在優(yōu)選水泥、摻入減水劑、摻入膨脹劑等外加劑，同時(shí)考慮摻入一些礦物摻合料或其他組分來改善漿體的穩(wěn)定性和工作性能。針對(duì)高溫環(huán)境，以高溫工程所在地區(qū)可用的水泥、粉煤灰、地域性巖石粉、地域性摻合料等材料為基礎(chǔ)，結(jié)合炎熱、高溫的氣候特征與施工壓漿工藝要求，開發(fā)出具有良好氣候適應(yīng)性和工藝適用性的高性能預(yù)應(yīng)力孔道壓漿料，并應(yīng)用于實(shí)際工程。通過對(duì)特殊環(huán)境下預(yù)應(yīng)力壓漿料的性能研究可以促進(jìn)預(yù)應(yīng)力壓漿料的發(fā)展，提高預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的工程適應(yīng)性。

4 預(yù)應(yīng)力壓漿料的耐久性能

材料的耐久性是指材料抵抗自身和自然環(huán)境兩種因素長期破壞作用的能力，耐久性越好材料的壽命越長。結(jié)構(gòu)的耐久性是指在預(yù)定的作用和預(yù)期的維護(hù)和使用條件下，結(jié)構(gòu)及部件能夠維持所需的最低性能要求的能力。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，由于其長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，那么預(yù)應(yīng)力壓漿料的耐久性更是直接影響結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性。大量研究證實(shí)，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)破壞，往往是因?yàn)楦g介質(zhì)進(jìn)入混凝土內(nèi)部，接觸鋼筋表面使得鋼筋銹蝕，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失。而引起腐蝕性介質(zhì)接觸鋼筋的很大原因來源于壓漿料不密實(shí)耐久性不好，造成預(yù)應(yīng)力損失降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

蔣蕾等[13]通過降低水膠比、控制壓漿劑的摻量控制膨脹率，制備出的壓漿料電通量低于JTG/T F50—2011中的1 500 C要求，硬化后的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)且抗氯離子滲透性能大幅提升。黃曉靜[14]通過摻入粉煤灰來改變預(yù)應(yīng)力壓漿料的密實(shí)性和保護(hù)鋼筋的能力。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入適量粉煤灰后，由于物理化學(xué)作用，使得壓漿料的保水率增加、收縮減小、密實(shí)度增加。并且發(fā)現(xiàn)粉煤灰摻量為30%時(shí)抗氯離子侵蝕能力最強(qiáng)，可以提高壓漿料的耐久性能。佛山市交通科技有限公司開發(fā)了一種高耐久微膨脹綠色預(yù)應(yīng)力孔道壓漿料，并通過試驗(yàn)表明摻入適量的陶瓷廢渣、鋼渣、微珠、消泡劑、減水劑、膨脹劑、保水劑等可以有效地提升預(yù)應(yīng)力孔道壓漿料的抗氯離子侵蝕能力從而提升其耐久性。宋小婧等采用自制的壓漿料摻入磨細(xì)的石灰石粉后可以在0.26～0.29水膠比下，制備出高保持流動(dòng)性和塑性穩(wěn)定性較好，并且強(qiáng)度高抗凍性能和抗氯離子滲透性能也較高的預(yù)應(yīng)力壓漿料。

綜上可知關(guān)于預(yù)應(yīng)力壓漿料的研究多為基于擬用水泥并結(jié)合既有標(biāo)準(zhǔn)要求的預(yù)應(yīng)力壓漿材料的開發(fā)及其性能研究，但國內(nèi)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中未有高溫環(huán)境下壓漿料經(jīng)時(shí)保持性能的要求，國內(nèi)現(xiàn)有關(guān)于高溫環(huán)境下高流動(dòng)性保持壓漿料的研究較少，更無此類產(chǎn)品。而水泥基灌漿材料類產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，高溫及鹽漬土侵蝕環(huán)境對(duì)水泥基灌漿材料提出更為多樣的性能要求。此后的研究可以更多的向不同溫度環(huán)境下服役的預(yù)應(yīng)力壓漿料的耐久性能上發(fā)展，進(jìn)而不斷地規(guī)范、提高結(jié)構(gòu)在不同環(huán)境下的耐久性，從而提高工程質(zhì)量。