粉煤灰對孔道壓漿料穩(wěn)定性的影響分析

高江濤 王軍 王靜波 何玉濤

摘? 要：粉煤灰是孔道壓漿料中應用最廣泛的礦物摻合料。該文通過對孔道壓漿料生產(chǎn)過程中不同批次粉煤灰配比調(diào)整過程進行研究，并通過試驗總結(jié)粉煤灰摻量、密度對孔道壓漿料性能影響。結(jié)果表明，粉煤灰對孔道壓漿料流動性有促進作用，摻量越高流動度促進效果越強；粉煤灰摻量過高會導致孔道壓漿料凝結(jié)時間增長，強度降低，最大摻量不宜大于25%；粉煤灰摻量過高或過低會導致在孔道壓漿料漿液中部分上浮或沉淀，影響孔道壓漿料漿液穩(wěn)定性；粉煤灰的密度影響在孔道壓漿料中的適宜摻量，密度越大，適宜摻量越低。

關鍵詞：孔道壓漿料；粉煤灰；穩(wěn)定性；摻量；密度

中圖分類號：TU528? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）05-0057-04

Abstract： Fly ash is the most widely used mineral admixture in pore grouting. By studying the process of adjusting the proportion of different batches of fly ash in the production process of channel grout， this paper summarizes the influence of fly ash content and density on the performance of channel grout. The results show that fly ash can promote the fluidity of channel grout， and the higher the content of fly ash is， the stronger the fluidity is; too high content of fly ash will increase the setting time， decrease the strength， and the maximum content should not be more than 25%; too high or too low amount of fly ash will lead to partial floating or precipitation in the channel grouting slurry， affecting the stability of the channel grouting slurry. The density of fly ash affects the suitable amount of fly ash in the channel grouting material， and the higher the density is， the lower the suitable content is.

Keywords： pore grout; fly ash; stability; content; density

預應力孔道壓漿是預應力混凝土梁整體質(zhì)量的重要保證措施，是預應力混凝土結(jié)構(gòu)中防止鋼筋銹蝕的最后一道防線。有效的孔道壓漿，可以保護預應力筋不致銹蝕，同時在結(jié)構(gòu)混凝土與預應力筋之間提供黏結(jié)力，使得預應力混凝土結(jié)構(gòu)完整，保證梁體應力傳遞的完整性。而對壓漿質(zhì)量起決定作用的因素就是孔道壓漿料的性能。孔道壓漿一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，將嚴重影響預應力結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性和可靠性。受施工設備與環(huán)境要求，孔道壓漿料必須要有足夠的流動性與流動性保持效果，為保證施工后梁體質(zhì)量，孔道壓漿料充盈度、膨脹性、泌水、強度等也做出相應要求。

目前，孔道壓漿料已統(tǒng)一為工廠化生產(chǎn)，主要由水泥、礦物摻合料、各類外加劑以一定配比均勻混合而成，影響孔道壓漿料質(zhì)量的主要因素為原材料的種類與穩(wěn)定性。國內(nèi)已有眾多學者對孔道壓漿料配比優(yōu)化做出研究。馬正先等[1]通過石膏等量代替礦物摻合料提高孔道壓漿料的物理性能。張鶴譯[2]通過使用沉珠、微硅粉、礦粉作為礦物摻合料研究其對孔道壓漿料流動度與強度影響，并給出復配使用最佳摻量。孫長征等[3]研究了超細硅灰、超細粉煤灰通過單摻以及復摻對孔道壓漿料流動度、抗沉降性、體積穩(wěn)定性、強度的影響。

已有研究結(jié)果表明，原材料的多樣性是影響孔道壓漿料性能的主要因素，通過合理選取原材料種類進行配比調(diào)整，可對孔道壓漿料的性能做出一定優(yōu)化。其中礦物摻合料對孔道壓漿料漿液性能影響最為明顯[4-5]，但目前研究大多研究為選擇適宜的礦物摻合料種類進行配比確定，對孔道壓漿料生產(chǎn)過程中確定的礦物摻合料自身性能與配比相關性研究較少。本文以粉煤灰作為固定礦物摻合料，進行粉煤灰性能與孔道壓漿料生產(chǎn)配比相關性研究，指導企業(yè)在粉煤灰性能存在波動下對孔道壓漿料生產(chǎn)過程中的配比進行準確調(diào)整。

1? 試驗

1.1? 原材料

1.1.1? 水泥

水泥為孔道壓漿料中主要膠凝材料，摻量通常為80%～90%，本文以單一批次祁連山水泥P·O42.5進行試驗。其物理力學性能見表1。

1.1.2? 粉煤灰

粉煤灰在孔道壓漿料中作用主要體現(xiàn)為填充補強、增加流動度、延長凝結(jié)時間等方面，由于孔道壓漿料高流動性要求，粉煤灰摻量不適容易導致漿液不能均勻保持，出現(xiàn)浮漿或沉積現(xiàn)象，試驗用粉煤灰為甘肅某電廠產(chǎn)品JC（孔道壓漿料生產(chǎn)使用粉煤灰），并通過該廠不同批次粉煤灰JC（1—5）進行對比試驗。其物理指標見表2。

1.1.3? 外加劑

試驗用外加劑由聚羧酸減水劑、塑性膨脹劑、消泡劑、抗沉降劑按固定比例組成，為孔道壓漿料生產(chǎn)中使用材料。其配比組成見表3。

1.2? 試驗方法

按照JT/T 946—2022《公路工程預應力孔道壓漿材料》進行壓漿料漿液制備與檢測，水膠比取0.28，攪拌方式為慢速攪拌2 min，高速攪拌5 min，然后進行漿液測試與試件成型。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 粉煤灰摻量對壓漿料性能影響

以單一批次粉煤灰JC1進行孔道壓漿料配比調(diào)整，控制壓漿料總質(zhì)量為3 000g，參考材料生產(chǎn)經(jīng)驗，通過分別改變粉煤灰摻量與外加劑用量，觀測孔道壓漿料漿液變化，確定合適的生產(chǎn)配比。部分試驗配比與漿液性能測試結(jié)果見表4。

對表4中各配比孔道壓漿料進行試件成型與力學性能測試，試驗結(jié)果如圖1—圖3所示。

2.1.1? 粉煤灰摻量對漿液狀態(tài)影響

表4中A1—A4配比為外加劑摻量不變下，逐步增加粉煤灰摻量，從測試結(jié)果可以看出，隨著粉煤灰摻量由5%增加至25%，漿液流動度由18.94 s降至14.56 s，流動性能增加，壓力泌水由0.21%增至1.74%，泌水量增多，泌水性變差。其原因一方面因為粉煤灰自身微粒結(jié)構(gòu)可以增加漿液的流動性；另一方面由于粉煤灰在漿液初期幾乎與水不產(chǎn)生水化反應，隨著粉煤灰摻量提高，水泥用量相應降低，在用水量與減水劑用量不變的情況下，可以增加漿液中自由水含量，進一步增加漿液流動性能。同時自由水含量的增多，導致漿液在壓力作用下，滲出泌水量也增多。

表4中A4—A6配比為保持粉煤灰摻量為25%不變，根據(jù)漿液狀態(tài)逐步降低外加劑摻量，可以看出，外加劑用量減少，漿液流動度數(shù)值增大，流動性降低，同時伴隨著漿液穩(wěn)定性增加，其直接因素為外加劑摻量降低造成的減水劑用量減少。

表4中A6—A8配比為在上述調(diào)整配比基礎上，進一步增加粉煤灰摻量至35%，從漿液測試結(jié)果分析，隨著粉煤灰摻量進一步增大，其漿液穩(wěn)定性降低，壓力泌水持續(xù)增大，在試驗配比A7—A9粉煤灰摻量為30%～35%時，漿液出現(xiàn)自由泌水。

2.1.2? 粉煤灰摻量對凝結(jié)時間影響

圖1為各配比孔道壓漿料凝結(jié)時間測試結(jié)果，從圖1曲線變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)，在配比A1—A4粉煤灰摻量由5%增加至25%過程中，凝結(jié)時間隨粉煤灰摻量增加而增長，且隨著粉煤灰摻量增加，初、終凝時間差也在增大，在配比A4-A6粉煤灰摻量保持25%不變時，單獨調(diào)整外加劑摻量，曲線接近水平，凝結(jié)時間變化較小，當配比調(diào)整至A7粉煤灰摻量達到30%時，終凝時間超過24 h。

在壓漿料凝結(jié)過程中，粉煤灰的水化活性遠低于水泥，主要與水泥水化產(chǎn)物進行二次水化反應，其反應過程緩慢。隨著摻入粉煤灰量增多，水泥的量相應減少，在水化前期生成的水化產(chǎn)物也越少，從而延緩了水泥的凝結(jié)時間；另一方面在粉煤灰摻量增加時，相對水泥的水膠比增大，漿液變稀，增加了凝結(jié)時間。在粉煤灰摻量過高時，由于其緩慢的水化反應，僅靠水泥水化反應凝結(jié)無法使壓漿料試件達到終凝時的硬度，在壓漿料達到初凝后持續(xù)較長時間保持表面無法硬化，在測試過程中表現(xiàn)為終凝時間延長且初終凝時間間隔明顯增長。

綜合圖1凝結(jié)時間曲線變化，為保證孔道壓漿料正常凝結(jié)，滿足施工指標要求，生產(chǎn)過程中粉煤灰摻量不宜大于25%。

2.1.3? 粉煤灰摻量對強度影響

圖2和圖3為孔道壓漿料A1—A9配比強度測試結(jié)果，粉煤灰的使用，在增強水泥和易性的同時會對降低硬化后強度。由圖2和圖3可以看出，孔道壓漿料各齡期抗折、抗壓強度隨粉煤灰摻量增加呈降低趨勢，在粉煤灰摻量一定時（A4—A6），各齡期強度基本接近，可見水膠比不變條件下，粉煤灰摻量是調(diào)節(jié)孔道壓漿料強度的措施。在A8、A9配比中粉煤灰摻量為35% 時，28 d抗折強度（10.6 MPa、10.9 MPa）、28d抗壓強度（53.1 MPa、54.3 MPa）強度接近JT/T 946—2022《公路工程預應力孔道壓漿材料》中對孔道壓漿料最低強度要求（28d抗折強度大于10 MPa、28 d抗壓強度大于50 MPa）。

綜合圖中數(shù)據(jù)，結(jié)合孔道壓漿料實際生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定性要求，孔道壓漿料各齡期強度需有一定富余值，要使強度始終滿足要求，粉煤灰摻量宜小于35% 。

2.2? 粉煤灰密度對壓漿料性能影響分析

從表4中的結(jié)果可以看出，粉煤灰與外加劑是調(diào)節(jié)孔道壓漿料流動性與漿液穩(wěn)定性的措施，現(xiàn)選取粉煤灰摻量為20%的A3配比，對進場不同批次粉煤灰JC（1～5）進行漿液性能測試，分析粉煤灰密度對孔道壓漿料漿液性能影響。測試結(jié)果見表5。

圖4為不同批次粉煤灰JC（1—5）在外加劑/水泥比例不變下，經(jīng)調(diào)整配比后各批次粉煤灰粉煤灰在孔道壓漿料生產(chǎn)中的最佳摻量。

從測試結(jié)果可以看出，粉煤灰最佳摻量與粉煤灰密度有相關性，在壓漿料漿液均勻的前提下，粉煤灰密度越大，適宜摻量越低，由于各批次粉煤灰化學成分基本相同，試驗結(jié)果在物理狀態(tài)下可總結(jié)為粉煤灰密度與粉煤灰在漿液中懸浮狀態(tài)相關。粉煤灰相同摻量下，粉煤灰密度不同，在壓漿料漿液中分別表現(xiàn)為部分上浮或下沉，導致漿液分層。

在壓漿料生產(chǎn)過程中，對新進場粉煤灰，可通過對比新舊粉煤灰密度，確定粉煤灰摻量增加或降低。

3? 結(jié)論

1）粉煤灰對壓漿料流動性有促進作用，粉煤灰摻量越高高流動性促進效果越強，但會導致壓力泌水增大；粉煤灰摻量過高達到30%時，壓漿料漿液出現(xiàn)自由泌水。

2）粉煤灰摻量會影響壓漿料凝結(jié)時間與強度，粉煤灰摻量過高會導致孔道壓漿料凝結(jié)時間增長，各齡期強度降低，最大摻量不宜大于25%。

3）粉煤灰的密度影響在孔道壓漿料中的適宜摻量，密度越大，適宜摻量越低。

4）粉煤灰摻量會過高或過低會影響孔道壓漿料漿液穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)為在孔道壓漿料漿液中部分上浮或沉淀。

參考文獻：

[1] 馬正先，許東，逄魯峰，等.石膏對預應力孔道壓漿料性能的影響[J].混凝土，2021（8）：155-159.

[2] 張鶴譯.礦物摻合料對壓漿料性能研究[J].水利科學與寒區(qū)工程，2020，3（1）：29-32.

[3] 孫長征，李磊，趙同峰，等.超細礦物摻合料對后張法預應力管道壓漿材料的影響[J].新型建筑材料，2015，42（7）：14-17.

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[5] 袁偉，田曉航，楊輝，等.超細礦物摻合料對超細灌漿料性能的影響[J].混凝土世界，2022（1）：65-68.