在目前的装配式钢混组合结构桥梁中, 钢与预制桥面板之间的现场连接通常采用后浇剪力钉预留孔或分块桥面板间湿接缝的方式。针对这种连接方式普遍存在的现场施工时间长、后浇质量不易保证、新老混凝土接缝处易开裂等不足, 借鉴房建领域预制装配式混凝土结构中常用的钢筋灌浆套筒连接以及美国公路合作研究组织 (NCHRP) 倡导的快速拼装全高预制桥面板理念, 提出一种钢混灌浆连接新概念, 具体为在桥面板底部预留槽道, 钢梁顶部设置钢肋板, 安装时将钢肋板插入桥面板槽道, 在钢混间隙内压注高强灌浆料进行组合, 全过程无须浇筑混凝土, 依靠灌浆料、桥面板及钢板三者界面间的黏结、摩擦及自锁满足受力要求 (见图1) 。

灌浆料作为重要的连接材料, 已在预制装配混凝土结构钢筋灌浆套筒接头中广泛应用, 如著名的润泰体系、NPC体系等, 其高强性和无收缩性充分保证了预制构件间的连接性能。将灌浆料用于上述组合结构桥梁钢混连接中, 一方面, 除了要求灌浆料具备早强快硬、大流态且易于密实、收缩小或微膨胀等特性外, 还要求通过掺加钢纤维等方法增强其韧性以抵抗车辆等疲劳荷载作用;另一方面, 灌浆连接件对灌浆料与钢混两种界面密实程度、黏结强度要求高, 掺加纤维势必增加灌浆料的黏稠度, 这给传统压力或真空灌浆施工带来困难, 槽道内灌浆密实度如何保证也成为亟待解决的问题。因而, 必须研制一种纤维增韧高性能灌浆料, 同时提出适宜的灌注工艺。

水泥 (C) :华新P·O42.5级普通硅酸盐水泥;硅灰 (S) :成都东蓝星硅灰;黏度改性剂 (F) :黏度改性剂能大大降低水泥基材料拌合物的黏度, 增加流动性;河砂:Ⅱ区级配干河砂, 细度模数2.7;钢纤维:直径在0.18～0.22mm、长度6～10mm、抗拉强度为2 850MPa的镀铜钢纤维;减水剂:聚羧酸高性能减水剂, 减水率要求在30%以上, 与水泥相容性好;塑性膨胀剂 (SP) ;消泡剂:有机硅类消泡剂;膨胀剂 (PZ) :武汉三源复合型膨胀剂。

初步确定纤维灌浆料的试验配合比:砂胶比为0.8～1.0, 水胶比为0.13～0.17, 硅灰掺量为水泥掺量的8%～12%, 降黏剂掺量为水泥掺量的15%～25%, 外加剂掺量为胶凝材料质量的1.2%, 钢纤维体积掺量为1%, 消泡剂掺量为减水剂的0.2%。以流动度和力学性能为目标, 研究胶砂比、硅灰掺量、降黏剂掺量、水胶比4因素对灌浆料性能的影响。试验设计四因素三水平正交试验初步探讨各影响因素对灌浆料性能影响的显著性, 以及随着水平变化的变化规律, 如表1, 2所示。

纤维灌浆料试验结果如表3所示, 可以看出, 流动度主要受水胶比、胶砂比、降黏剂影响, 抗压强度主要受胶砂比、水胶比、硅灰掺量、降黏剂掺量影响。硅灰可提高灌浆料强度, 但其掺量过大或水胶比过低都会造成流动度损失较大, 内部缺陷增加, 强度下降;降黏剂的掺入虽可增加流动性, 但其早期活性低, 水化反应慢, 会影响灌浆料强度。通过正交试验水平分析得出的最优组合为:胶砂比为1.0、硅灰掺量为10%、降黏剂掺量为20%、水胶比为0.17。

由于灌浆料胶凝材料用量大、水胶比低, 灌浆料存在早期收缩大等不足。试验通过添加钙矾石型复合膨胀剂 (PZ) 和塑性膨胀剂 (SP) 改善灌浆料的体积稳定性, 选用正交试验最优配合比。试验结果如表4所示。可以看出, PZ对灌浆料抗折强度和塑性膨胀率影响不大, 随着PZ掺量的增加, 流动性降低明显, 各龄期抗压强度略有降低, 干缩明显得到改善, 但掺量>10%后期膨胀率增加不明显;SP对灌浆料的流动度、抗折强度和干缩影响较小, 随着SP掺量的增加, 塑性膨胀率显著增大, 各龄期抗压强度略有降低, 这是因为SP发气产生膨胀, 内部气孔含量多, 对抗压强度有一定影响。

在对预应力管道压浆、钢管混凝土真空灌注等技术调研基础上, 针对新型组合梁钢混间槽道, 提出梁端压力灌浆、顶面自密实注浆2种浆料灌注方案, 初步比选如表5所示。

以下针对上述2种方案开展灌注工艺试验, 验证灌浆料的工作性能, 对比2种方案的可施工性, 同时根据密实度检测结果提出优化建议。

在进行正式灌浆试验前, 先期开展圆管灌注试验 (透明圆管长2m, 管径8cm) , 以初始流动度、纤维含量及长度为参数进行多组试验, 试验过程中记录灌浆时间、充盈度等数据。实测结果如表6所示, 可以看出, 初始流动度宜控制在300～350mm, 过大易泌水, 流速不易控制;过小则易假凝, 充盈度太低;纤维含量应≤1.5%, 过大则影响其流动性;纤维长度10mm为佳。其中, GJ-1-3试件纤维长度取为20mm, 出现堵管现象, 造成灌浆无法持续。

1) 梁端压力灌浆参照足尺钢混组合梁尺寸, 确定槽道模型长5m、高16cm、宽30cm。为便于观察灌浆料在槽道内流动情况, 连接件中的混凝土界面采用透明亚克力板, 内部采用薄钢板模拟肋板界面。

2) 顶面自密实注浆根据常规预制桥面板尺寸, 截取灌浆连接区域为试件断面, 长度取为3m, 灌浆孔尺寸为10cm×10cm, 排气孔直径为1cm。为方便密实度检测, 除翼缘板及肋板采用钢材外, 用以模拟混凝土槽道界面的部分均采用可拆卸的木模板。选取灌浆孔间距、排气孔布置、灌浆顺序、灌浆方法等作为参数, 设计2组试件 (见表7) 。

试验所用灌浆料配合比为:胶砂比0.8, 水泥70%, 复合膨胀剂12%, 硅灰15%, 减水剂0.5%, 胶粉2.5%, 纤维含量1.5%, 纤维长度分10, 20mm 2种, 设计初始流动度为350mm, 7d抗压强度为80MPa。压力灌浆设备采用螺杆式灌浆机, 最大灌浆压力为2MPa。

压力灌浆模型制作全过程包括:模型制作及安装、进浆管及出浆 (排气) 管安装、水密性测试、灌浆料拌合及下料、缺陷检测等 (见图3) 。测试内容包括灌浆过程中灌浆料实际性能指标、液面上升情况、灌浆速度、填充情况及灌浆完成后的缺陷分布与密实度。

1) 钢肋板将槽道分为灌浆侧与非灌浆侧2个通道 (见图3a) ;灌浆开始后, 灌浆料先填充灌浆侧, 灌浆1'07″后, 灌浆孔处的液面升至钢肋板的高度, 灌浆料开始填充非灌浆侧通道 (见图4) 。

2) 在流动过程中, 灌浆料表面产生粉煤灰浮浆, 与通道顶面接触后便形成气泡 (见图5a) ;侧面填充效果较好, 基本无气泡产生, 填充密实 (见图5b) 。

3) 灌浆侧液面前端到达槽道末端后, 灌浆侧液面开始快速上升, 并越过钢肋板, 非灌浆侧液面前进速度加快, 并逐渐填满整个槽道, 最终少量灌浆料从出浆孔流出 (见图5c) , 关闭灌浆机, 灌浆完成。

灌浆过程共耗时8'15″, 灌浆平均速度为1.1L/min。

1) B-1试件先从边上灌浆孔进行灌浆, 待灌浆料液面齐平模板后, 再从另一侧边孔灌浆至液面齐平模板, 中间灌浆孔液面仍距离模板顶面2cm;最后从中间灌浆孔将通道灌满;由于B-1试件不设置灌浆漏斗, 整个液面没有压力差, 因此, 在排气孔处无灌浆料冒出 (见图6) 。

2) B-2试件从2个灌浆孔同时进行注浆。由于B-2试件采用灌浆漏斗, 漏斗内灌浆料对通道内液面产生压力, 灌注完成后, 在排气孔处有灌浆料溢出 (见图7) 。

1) 梁端压力灌浆灌浆完成1周后, 拆除亚克力板及钢肋板, 检测灌浆料与亚克力板界面、印花钢肋板界面的填充情况 (见图8) , 主要结果如下: (1) 在槽道灌浆孔及排气孔附近顶面均出现局部塌陷, 缘于灌浆料水胶比较大, 表面浮浆较多; (2) 灌浆料-亚克力板顶面有较多的蜂窝状缺陷, 缺陷处基本无强度; (3) 灌浆料-亚克力板侧面光滑密实, 界面填充密实, 基本无缺陷, 灌浆料-钢肋板界面印花清晰, 表面也无明显缺陷产生。

2) 顶面自密实注浆灌浆1周后拆模, 对灌浆密实情况进行检测。对于B-1试件, 灌浆料顶部缺陷主要分布在灌浆孔附近, 原因是2次灌浆过程中有间隔时间, 灌浆料表面存在假凝而产生缺陷;B-2试件外光内实, 密实情况良好。

1) 以流动度和力学性能为目标, 分析胶砂比、硅灰掺量、降黏剂掺量、水胶比4因素对连接灌浆料性能的影响, 结果表明, 流动度主要受水胶比、胶砂比、降黏剂影响, 强度主要受胶砂比、水胶比、硅灰掺量、纤维含量影响。

2) 灌浆料与钢肋板、混凝土2个界面无明显缺陷, 灌浆料对槽道填充基本密实, 验证了灌浆料工作性能指标的合理性及2种灌注工艺的可施工性;相比于梁端压力灌浆工艺, 顶面自密实注浆效果更好, 建议对常规跨度钢混组合梁灌浆连接采用后一种工艺。

3) 根据圆管灌注试验, 纤维灌浆料流动度宜控制在300～350mm, 纤维含量≤1.5%, 纤维长度宜<10mm。

4) 对于梁端压力灌浆, 考虑实际灌浆槽道较长, 宜在槽道顶部设置排气孔, 有助于排出灌浆料顶部浮浆与气泡;对于顶面自密实灌浆, 宜在灌浆孔顶面设置灌浆漏斗, 保证液面压力差, 有助于减少灌浆孔附近顶部蜂窝、麻面等缺陷;此外, 建议常规混凝土桥面板灌浆孔及排气孔间距均设置为1.5m。