预应力孔道压浆是预应力桥梁施工的一道关键工序, 作为保护预应力筋的最后一道防线, 其质量的好坏关系到整个桥梁结构的安全性和耐久性^[1]。

2011年, 交通运输部发布了新的JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》^[2] (以下简称“新桥规”) 。相对于原交通部2000年发布的JTJ041—2000《公路桥涵施工技术规范》^[3]和原铁道部2008年发布的TBT/T3192—2008《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》^[4], 新桥规对压浆材料性能指标的要求明显提高, 特别是对水胶比和流动性能的要求更为严格。新桥规是国内对孔道压浆材料指标要求最为全面的技术规范。

美国Pennsylvania大学和Texas大学对压浆材料做了大量研究工作^{[5,6,7,8,9,10]}。Chiara F.Ferraris等^[11]在保持水胶比和减水剂掺量不变的情况下, 对比了粗粉煤灰、粉煤灰、高岭土和硅灰对压浆材料工作性能的影响, 研究结果表明, 超细粉煤灰比其他5种矿物掺和料在提高压浆材料的流动性能方面更有优势。

有研究表明^[12], 超细水泥是一种非常好的压浆材料。德国的P.Noske等指出^[13], 超细水泥配制的压浆材料的加固、抗渗效果较好。加拿大K.Salen等^[14]和T.A.Melbye等^[15]研究了以水泥和超细水泥为主的压浆料在不同水灰比、不同减水剂掺量和变化的温度下对工作性能和力学性能的影响。

高汉青等^[16]对后张预应力孔道压浆材料的研究较早。国内大量学者也都对孔道压浆料做了大量试验^{[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30]}, 提出了一些观点和结论。

新规范对压浆材料提出了零泌水、高流动性、微膨胀等新的要求。原有的压浆材料已不能充分满足新规范的技术要求, 现今市场上仅有的几种压浆材料价格普遍较高, 因而研制低成本高性能预应力孔道压浆材料有着良好的市场前景和工程需要。

高性能预应力孔道压浆材料是一种由水泥、化学外加剂、矿物掺和料组成的复杂混合材料。选取试验原材料时均选用成熟、稳定、广泛使用的原材料。

本试验的水泥选用中国建筑材料科学总院开发的P·I42.2基准水泥。化学外加剂中的减水剂采用市场上比较优质的4种高效聚羧酸减水剂 (粉剂, 减水率>25%) 。消泡剂选用P803。膨胀剂选用昆山龙寿佳和有限公司开发的塑性膨胀剂、CSA膨胀剂。矿物掺和料选用粉煤灰、硅灰、石灰石粉, 三者的指标如表1所示。水采用实验室的自来水, 水质满足JGJ63—2006《混凝土用水标准》的技术要求。

本次试验的测试指标有净浆流动度、压浆浆液自由泌水率、压浆浆液自由膨胀率、钢丝间泌水率、压力泌水率、充盈度以及抗压、抗折强度试验。试验方法依据新桥规附录C3~C7以及GB/T17671—1999《水泥胶砂强度检测方法 (ISO法) 》。

压浆材料的搅拌方式采用BF400变频高速搅拌机, 转速在0~6 000r/min。

本次试验分3步: (1) 第1步通过化学外加剂、矿物外加剂与硅酸盐基准水泥进行单掺试验, 确定外加剂的合理掺量范围。 (2) 第2步用矿物外加剂与硅酸盐基准水泥做正交试验, 对工作性能和力学性能进行测试分析, 确定合理的矿物外加剂掺量。 (3) 第3步在第2步的基础上, 将胶凝材料与化学外加剂进行正交试验, 对工作性能和力学性能进行测试分析, 得出具体的化学外加剂掺量, 最终得到压浆材料的最佳配合比。

分别对减水剂、膨胀剂和消泡剂与基准水泥进行单掺试验。

试验采用水胶比W/C=0.28, 基准水泥C=3 600g (不加矿物外加剂) , 试验仅测初始流动度和泌水性。所选4种高效聚羧酸减水剂的测试结果如表2所示。

表2所示试验结果表明, 随着减水剂掺量增加, 压浆料的流动性能也随着提高, 但掺量达到一定水平后, 压浆料会出现泌水和分层现象。经比选, 选取聚羧酸减水剂B作为压浆料的减水剂, 其最佳单掺掺量为0.4%。

试验采用聚羧酸减水剂B掺量为0.4%, 水胶比W/C=0.28, 基准水泥C=3 600g (不加矿物外加剂) , 不同膨胀剂掺量的试验结果如表3所示。

表3所示试验结果表明, 压浆料的流动度随着膨胀剂的掺量增加而变大, 所以不能盲目掺加膨胀剂, 既要增加压浆料的补偿收缩能力, 又要使其对流动性能的影响降低。膨胀率随塑性膨胀剂的增加而增加, 3h压浆料基本达到最大膨胀量, 到24h略有增加。新桥规中要求3h膨胀率0~2%, 24h膨胀率0~3%, 所以膨胀剂掺量在0.1%~0.3%符合规范要求。结合以上分析, 膨胀剂的最佳掺量在后续正交试验后确定。

试验中聚羧酸减水剂掺量B为0.4%, 水胶比W/C=0.28, 基准水泥C=3 600g (不加矿物外加剂) 。采用不同掺量的消泡剂P803对压浆料流动度的影响如图1所示。

图1显示掺入消泡剂可以明显提高压浆料的流动度 (初始及30, 60min) , 消泡剂掺量达到0.2%后基本达到饱和, 消泡剂最佳掺量在0.1%~0.2%。

试验采用聚羧酸减水剂B掺量为0.4%, 水胶比W/C=0.28, 胶凝材料 (基准水泥和粉煤灰) 总量为3 600g, 由于聚羧酸减水剂的泡沫量较大, 所以掺入0.1%的消泡剂。0~40%粉煤灰掺量对压浆料流动度的影响如图2所示。

图2显示粉煤灰掺量在0%~30%范围随粉煤灰掺量的增加, 压浆料流动度呈下降趋势, 当粉煤灰掺量>30%后对浆体流动性的促进作用较弱, 甚至有轻微增长。粉煤灰掺量定在25%~35%范围。

试验采用0.4%的聚羧酸减水剂B, 水胶比W/C=0.28, 胶凝材料 (基准水泥和硅灰) 总量为3 600g, 0.1%的消泡剂。对硅灰掺量为4%, 6%, 9%的压浆料进行流动性试验。试验结果如图3所示。

图3显示硅灰掺量在4%时, 压浆料流动度都明显下降, 但掺量>4%时流动度反而增大。选定硅灰的掺量范围为2.5%~3.5%。

在单独研究了化学外加剂和矿物掺和料对压浆材料的影响后, 现将用正交试验研究粉煤灰、硅灰、石灰石这3个因素在不同掺量下对压浆材料性能的影响 (见表4) 。

试验采用0.4%的聚羧酸减水剂B, 水胶比W/C=0.28, 胶凝材料总量为3 600g。表4中粉煤灰掺量和硅灰掺量水平是根据上一节的单掺试验确定, 而水胶比则根据新桥规选定 (见表5) 。

对9组正交试验进行初始流动度、30min流动度、60min流动度、3h钢丝间泌水率、24h自由泌水率、压力泌水率 (0.36MPa) 等工作性能的试验以及3d, 7d, 28d抗折强度和抗压强度等力学性能试验。

通过正交试验得出的矿物外加剂工作性能结果如表6所示;由正交试验的结果可以计算其极差, 如表7所示。

从表7所示结果可以看出, 对整体流动度影响因素的大小排序为硅灰掺量>粉煤灰掺量>石灰石掺量。从试验结果来看, 硅灰掺量是粉煤灰的1/10, 但是对流动度降低的效果更好。石灰石对流动度的促进效果不明显, 所以不予考虑。

由于30min流动度和60min流动度的影响因素与初始流动度相似, 所以仅对初始流动度进行方差分析。初始流动度方差分析结果如表8所示。

根据前面分析可知, 粉煤灰、硅灰、石灰石粉的因素自由度和误差自由度均为2, 依据数理统计中显著性水平的F分布表, F_0.01 (2, 4) =18, F_0.05 (2, 4) =6.94, F_0.1 (2, 4) =4.32, 最终的分析结果如表9所示。

表9结果说明粉煤灰掺量和硅灰掺量对初始流动度作用显著;其中, 硅灰的作用非常显著, 石灰石对初始流动度作用不显著, 此结论与直观分析的结果相同。同理, 对30, 60min流动度进行方差分析, 结论与初始流动度的方差分析相同。

只有压浆材料具有较好的密实度和耐久性能, 才能保护预应力筋不受腐蚀。为了保证预应力筋能够与混凝土结构共同工作, 使结构保持完整的截面, 压浆材料的强度不应低于混凝土结构的强度。对掺加矿物外加剂的压浆料力学性能正交试验进行极差和方差分析, 正交试验设计与工作性能正交设计相同, 采用L₉ (3⁴) 正交表头, 矿物外加剂力学性能试验结果如表10所示。

表10所示结果表明, 5组和7组的3d, 7d抗折强度均达不到规范 (3d抗折≥5MPa, 7d抗折≥6MPa) 要求, 7d抗压强度、28d抗压、抗折强度均远超规范要求, 下面仅对3d抗压、抗折强度进行极差、方差分析。

由表11与表12所示结果分析得到3d抗压强度、抗折强度影响显著因素的大小排序为粉煤灰掺量>石灰石粉掺量>硅灰掺量。

根据前面的分析可知, 粉煤灰、硅灰、石灰石粉这3个因素的自由度和误差自由度均为2, 依据显著性水平的F分布表, F_0.10 (2, 2) =9, F_0.05 (2, 2) =19, F_0.10 (2, 4) =4.32, F_0.05 (2, 4) =6.94, 最终的分析结果如表13和表14所示。

由表13和表14可知, 粉煤灰掺量和石灰石粉掺量对3d抗折强度影响非常显著, 对3d抗压强度有显著影响;硅灰对3d抗折强度和3d抗压强度的影响不大。

根据正交试验结果的分析, 在压浆材料化学外加剂复合效应试验中采用水胶比0.28、粉煤灰掺量35%、硅灰掺量3.5%作为基本配合比。

试验采用0.4%的聚羧酸减水剂B, 水胶比W/C=0.28, 胶凝材料总量为3 600g, 其中基准水泥掺量为2 214g, 粉煤灰掺量为1 260g, 硅灰掺量为126g。

在单掺试验中已确定了3种化学外加剂的最优掺量范围, 故本试验只是小范围内 (减水剂在0.03%范围上下浮动、膨胀剂和消泡剂在0.02%范围浮动) 选取水平做正交试验分析, 这样可以使结果更加精确。试验有3个因素, 每个因素有3个水平, 采用L₉ (3⁴) 正交表如表15所示, 正交试验因素水平如表16所示。

对表15中的9组正交试验进行初始流动度、30min流动度、60min流动度、3h钢丝间泌水率、24h自由泌水率、压力泌水率 (0.36MPa) 、3h自由膨胀率、24h自由膨胀率等工作性能的试验以及3d, 7d, 28d抗折强度和抗压强度等力学性能试验。

9组正交试验结果如表17所示, 可以看出初始流动度都在10.44~11.21s, 基本达到新桥规要求的最佳水平;30min流动度与60min流动度在10.45~11.47s, 也基本达到规范要求;1组、4组、7组没有掺加膨胀剂, 30min流动度与60min流动度和初始流动度基本相同, 但其他组的30min流动度与60min流动度比初始流动度略大, 说明塑性膨胀剂对流动度有不利影响;所有掺加塑性膨胀剂的试验组, 在3h和24h都有微膨胀, 也符合规范要求;所有试验都未出现泌水现象, 符合规范零泌水的要求。对掺加化学外加剂工作性能试验指标进行极差分析, 结果如表18所示。

表18中结果表明, 流动度影响显著因素的大小排序为减水剂掺量>膨胀剂掺量>消泡剂掺量;塑性膨胀剂对膨胀率的影响是决定性的;消泡剂对流动度的影响随时间的推移越来越小;由于未出现泌水现象, 所以不就泌水率问题进行讨论。

经影响趋势分析, 取15.5g为最终聚羧酸减水剂掺量, 塑性膨胀剂掺量选择2.2g, 消泡剂掺量选择0.7g。

受篇幅限制, 以60min流动度为例做出方差分析, 其分析结果如表19所示。

通过方差分析得到, 聚羧酸减水剂掺量对初始流动度、30min流动度、60min流动度影响非常显著;膨胀剂对3h和24h自由膨胀率影响非常显著, 对60min流动度影响非常显著;消泡剂对膨胀率影响不显著。

对掺加化学外加剂的压浆料力学性能正交试验进行极差和方差分析, 正交试验设计与工作性能正交设计相同, 采用L₉ (3⁴) 正交表头, 矿物外加剂力学性能试验结果如表20所示。

对掺加化学外加剂力学性能试验指标进行极差分析, 结果如表21所示。

经影响趋势分析, 聚羧酸减水剂、消泡剂掺量的增大有利于抗折强度、抗压强度的增加, 塑性膨胀剂掺量的增加不利于抗折强度、抗压强度的增加。

对28d抗折强度和28d抗压强度进行方差分析, 其结果如表22和表23所示。

减水剂掺量对28d抗压强度影响显著。膨胀剂和消泡剂对28d抗折强度与抗压强度影响不大。

根据正交试验分析, 化学外加剂采用聚羧酸用减水剂掺量15.5g (0.043%) 、塑性膨胀剂掺量2.2g (0.006%) 、消泡剂掺量0.4g (0.001%) 作为基本配合比。

按本文前面试验确定的最佳配合比为水胶比0.28、粉煤灰掺量35%、硅灰掺量3.5%、水泥掺量61.5%、聚羧酸减水剂掺量0.043%、塑性膨胀剂掺量0.006%、消泡剂掺量0.001%。为接近实际工程应用, 将30kg最佳优化配合比的压浆料用混合粉料机搅拌, 取其中3 600g, 根据新桥规要求的各性能指标 (凝结时间、初始流动度、30min流动度、60min流动度、3h钢丝间泌水率、24h自由泌水率、0.36MPa压力泌水率、3h自由膨胀率、24h自由膨胀率以及3d, 7d, 28d抗压强度和抗折强度、充盈度) 进行测试, 最终测试结果如表24所示。

最佳配合比压浆料的凝结时间、流动度、泌水率、抗折及抗压强度均能满足新桥规要求。压浆料具有高流动性、流损小、微膨胀、零泌水、无分层的特点。

选取合格的矿物掺和料和化学外加剂, 通过单掺试验确定合理的掺量范围, 再经过正交试验确定压浆料的合理配合比。按照试验确定的合理配合比试配的压浆料经试验测试, 各项指标均满足新桥规要求, 其价格要优于市场上的已有产品, 可用于实际工程。