预应力孔道压浆料性能优化试验研究_叶科.pdf

试验研究Experimental Research31总165期 2023.03 混凝土世界引言预应力孔道压浆料是一种由水泥、矿物掺合料、外加剂组成的混合料，要求具有大流动性、不泌水、微膨胀性等特点，并且在高速压浆的过程中保持浆体的稳定性，使压浆料浆体包裹预应力筋，保护其不被锈蚀并起到和混凝土粘结的作用，更好地传递预应力1-3。因此需要配置出专门的压浆料，对预应力孔道压浆料用水泥、膨胀剂、矿物掺合料以及水胶比等进行试验，配置出符合规范要求的高性能压浆料4。现市面上压浆料组分和性能都不稳定，容易出现压浆剂和水泥适应性不好，配置出的浆体力学性能和工作性能都较差等问题。针对这一问题，马正先等5研究了石膏对压浆料性能的影响，研究结果表明，石膏可以促进水泥的水化，提高压浆料的后期强度。杨林等6研究压浆料原材料中残留絮凝剂对配置的水泥基材料的影响，结果表明，絮凝剂对浆体的流动性有负面影响，降低了对减水剂的减水效果。袁预应力孔道压浆料性能优化试验研究叶科1许勇1雍占1罗鑫2朱云升21.四川省交通建设集团股份有限公司 四川 成都 6100472.武汉理工大学 交通与物流工程学院 湖北 武汉 430063摘 要：针对原材料与配合比不同导致预应力孔道压浆料性能不稳定的问题，采用对照试验，研究了水泥种类、水胶比、膨胀剂、矿物掺合料等对压浆料工作性能、力学性能的影响，确定最佳原材料掺量。研究结果表明：水泥种类主要影响压浆料的工作性能，不同水泥和压浆剂适应性不同，亚东水泥有较好的适应性，在0.260.28水胶比范围内都具有良好的工作性能；塑性膨胀剂对压浆料早期收缩具有补偿作用，但掺量过高时会对压浆料力学性能产生不利的影响，应控制在0.02%掺量范围内；石灰石粉能够提高浆体流动性，掺量应控制在20%以内，矿粉和硅灰能够提高浆体力学性能，掺量应分别控制在15%和4%以内。关键词：预应力孔道压浆料；工作性能；力学性能；塑性膨胀剂；矿物掺合料 Experimental Study on Performance Optimization of Grouting Material for Prestressed DuctAbstract:In view of the instability of the performance of the prestressed duct grouting material caused by different raw materials and proportions,the effects of cement types,water binder ratio,expansion agent,mineral admixtures on the working performance and mechanical properties of the grouting material were studied by contrast tests,and the optimal raw material dosage was determined.The cement type mainly affects the working performance of grouting materials.Different cements and grouting agents have different adaptability,Yadong cement has good adaptability,and has good working performance in the range of 0.260.28 water binder ratio;The plastic expansion agent can compensate the early shrinkage of the grouting material,but too high dosage will have adverse effects on the mechanical properties of the grouting material,which should be controlled within 0.02%dosage;Limestone powder can improve the fluidity of the slurry,and the dosage should be controlled within 20%.Mineral powder and silica fume can improve the mechanical properties of the slurry,and the dosage should be controlled within 15%and 4%respectively.Key words:Prestressed duct grouting material;working performance;mechanical properties;plastic expansion agent;mineral admixture收稿日期：2022-10-13第一作者：叶科，1995年生，研究方向为桥梁结构与新材料，E-mail：试验研究Experimental Research32CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165伟等7研究了超细矿物掺合料对灌浆料的性能影响，结果表明，超细矿物掺合料能够有效改善灌浆料的工作性能和力学性能。Hung等8基于流变学原理研究了原材料组成对压浆料性能的影响，研究结果表明，Herschel-Bulkley流变模型可以有效预测高效减水剂和黏度改性剂对水泥浆体马氏锥的流动时间。Silva等9提出了一种新的方法来确定高效减水剂的饱和点，对减水剂掺量的确定具有指导意义。为综合考虑原材料的组成，改善原材料性质不同导致压浆料性能不稳定的问题，本文研究了水泥品种、水胶比、膨胀剂、矿物掺合料对压浆料工作性能、力学性能和变形性能的影响，以确定最佳的水泥品种以及各组分的最佳掺量范围。1 材料与方法1.1 试验材料水泥：亚东PO 42.5级水泥，比表面积335m2/kg；拉法基PO 42.5级水泥，比表面积310m2/kg；海螺PO 42.5级水泥，比表面积366m2/kg。石灰石粉：400目，45m筛筛余16%，比表面积492m2/kg。矿粉：S95级矿粉，比表面积423m2/kg。硅灰：SF90级硅灰，比表面积20000m2/kg。外加剂：聚羧酸减水剂，减水率30%；塑性膨胀剂，主要在水泥水化初期起到物理补偿收缩作用。1.2 试验方案（1）试验基本配合比见表1。C0组为基准组，水胶比0.28，水泥采用亚东水泥，减水剂掺量0.2%，膨胀剂掺量0.01%；C1组采用拉法基水泥，C2组采用海螺水泥，其余试验组采用亚东水泥；WB组为水胶比试验组，水胶比为0.260.28，WB26代表水胶比为0.26，以此类推；LP组则为石灰石粉试验组，石灰石粉掺量15%35%；K组为矿粉试验组，矿粉掺量5%25%；SF组为硅灰试验组，硅灰掺量1%5%；EP组为膨胀剂试验组，膨胀剂掺量0.01%0.04%。（2）工作性能测试：根据 JTG/T 36502020公路桥涵施工技术规范中关于后张预应力孔道压浆料性能指标中规定的方法测试，压浆料浆液的流动度按加水搅拌时间算起，测试搅拌后出机的初始流动度、加水后30min流动度和60min流动度；3h自由泌水率、24h自由泌水率以及钢丝间泌水率在浆液出机后进行测试并记录。（3）力学性能测试：根据 GB/T 176712021 水泥胶砂强度检验方法（ISO法）中规定的方法测试，压浆料试件成型后放入养护室养护，测试相应龄期压浆料的抗压强度和抗折强度。（4）体积稳定性测试：根据 JTG/T 36502020公路桥涵施工技术规范中关于后张预应力孔道压浆料性能指标中规定的方法测试压浆料浆体的3h自由膨胀率和24h自由膨胀率。2 结果与分析2.1 不同水泥品种对压浆料性能的影响不同品种的水泥与压浆剂的适应性不同，水泥与压浆剂适应性的好坏直接影响了压浆料浆体工作性能的好坏，3种不同水泥配制的压浆料浆体的工作性能和力学性能试验结果见表2和图1。由结果可知，3种水泥在同一减水剂掺量和水胶比条表 1 压浆料基本配合比编号水泥/%水胶比石灰石粉/%矿粉/%硅灰/%减水剂/%膨胀剂/%C1000.27-0.20.01LP65850.271030-0.20.01K75950.27-525-0.20.01SF95990.27-150.20.01WB1000.250.29-0.20.01EP1000.27-0.200.04试验研究Experimental Research33总165期 2023.03 混凝土世界件下，初始流动度不尽相同。亚东PO 42.5级水泥配制的压浆料的流动性最好，初始流动度为14.5s，小于拉法基水泥的17.1s和海螺水泥的15.8s；亚东水泥配置的压浆料浆体经时损失也较小，30min流动度和60min流动度都符合规范要求；拉法基PO 42.5级水泥配制的压浆料初始流动度、24h自由泌水率和钢丝间泌水率都超出了JTG/T 36502020中的要求，规范要求压浆料初始流动度应在1017s之内，泌水率应该为0，说明拉法基水泥对此压浆剂的适应性不好；海螺PO 42.5级水泥配制的压浆料比亚东PO 42.5级水泥配制的相比流动性稍差，但满足规范要求。3种水泥的体积稳定性都满足规范的要求，压浆料早期膨胀主要来源于水泥的水化反应补偿收缩，但由于3种水泥和减水剂的适应性不同，早期的水化反应程度也不同，特别是拉法基水泥的与减水剂的适配性较差，导致膨胀性也略低于其他2种水泥。水泥品种主要影响压浆料的工作性能，对于压浆料的力学性能影响较小。配置的3种压浆料其各龄期抗压强度和抗折强度都满足规范的要求。综上分析3种水泥对外加剂的适应性和对力学性能的影响，水泥品种的不同对压浆料力学性能的影响较小，主要影响压浆料的工作性能。对比散装水泥的试验结果，亚东水泥与外加剂的适应性最好，配制的压浆料各项性能都能够满足规范的要求。2.2 水胶比对压浆料性能的影响水胶比是控制压浆料工作性能的关键因素，增加用水量能够提高压浆料的流动度，但对压浆料浆体稳定性有较大负面影响，且提高泌水率容易分层离析，降低压浆料硬化浆体力学性能等。因此应将压浆料水胶比控制在一个合理的范围，能够在低水胶比的条件下获得较好的流动度，保证压浆料浆体的工作性能和力学性能。表3和图2为不同水胶比条件下压浆料浆体的工作性能及力学性能。由表3可知，随着压浆料水胶比的提高，压浆料浆体的流动性逐渐提高，由于用水量的增加，浆体中自由水的量增加，使得浆体的黏度降低，从而降低了压浆料浆体的流出时间。另一方面，浆体中自由水含量增多，不利于浆体的稳定性，在0.29水胶比的条件下，浆体了出现泌水分层现象。压浆料水胶比的增大，增大了压浆料浆体的自由膨胀率，用水量的增加促进了水泥早期的水化反应，产生了更多的水化产物，使得体积增大，而自由水的增多使得早期水分蒸发量增多，体积减小，在两者的共同作用表 2 不同水泥品种压浆料浆体的工作性能组别水泥品种流动度/s泌水率/%膨胀率/%初始30min60min3h24h钢丝3h24hC0亚东水泥14.516.121.00001.32.2C1拉法基水泥17.119.224.000.10.21.12.0C2海螺水泥15.817.823.20001.22.3图 1 不同水泥品种压浆料力学性能（a）抗压强度（b）抗折强度试验研究Experimental Research34CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165下，压浆料的膨胀性变化趋势为增大，说明水泥水化反应的正向作用大于水分蒸发的负向作用。由图2可知，随着压浆料水胶比的增大，压浆料的抗压、抗折强度逐渐降低。在0.29水胶比的条件下，压浆料的抗折强度接近规范要求下限。压浆料浆体中自由水量过多，在水分蒸发时容易在浆体内部形成孔洞，导致压浆料的抗压抗折强度降低。综合分析水胶比试验组压浆料工作性能和力学性能的试验结果，水胶比的改变主要影响了浆体中自由水的含量和浆体的颗粒浓度。水胶比越大的浆体其流动性越好，但过大的水胶比会降低浆体的力学性能，因此，为平衡压浆料浆体的工作性能和力学性能要求，压浆料的水胶比应控制在0.260.27范围内。2.3 塑性膨胀剂对压浆料性能的影响高性能压浆料要求有一定的微膨胀性，压浆料浆体硬化后应能够产生膨胀而使孔道密实，塑性膨胀剂能够提高压浆料的早期膨胀性，通过产生气体来达到体积膨胀的效果，因此膨胀剂的掺量应在合理的范围内，过多的塑性膨胀剂将导致压浆料硬化浆体内部产生大量孔洞，从而影响强度。表4为不同掺量膨胀剂压浆料浆体的表 4 不同膨胀剂掺量压浆料工作性能和力学性能组别流动度/s泌水率/%膨胀率/%抗压强度/MPa抗折强度/MPa初始30min60min3h24h钢丝3h24h3d7d28d3d7d28dEP015.118.022.3000-0.3-0.554.368.979.910.811.111.9EP114.516.121.00001.32.252.268.179.310.110.811.3EP214.215.920.80001.62.450.866.777.69.910.210.6EP313.915.520.10001.72.550.065.275.39.29.610.0EP413.214.919.80001.82.548.360.873.28.79.29.5表 3 不同水胶比压浆料浆体工作性能组别流动度/s泌水率/%膨胀率/%浆体状态描述初始30min60min3h24h钢丝3h24hWB2517.820.626.30001.11.9浆体稠度大WB2616.619.024.30001.11.9-WB2714.516.121.00001.32.2浆体状态较稳定WB2813.815.419.20001.32.2-WB2911.313.616.40.10.150.11.42.4有分层离析现象图 2 不同水胶比压浆料力学性能（a）抗压强度（b）抗折强度试验研究Experimental Research35总165期 2023.03 混凝土世界工作性能和力学性能。由表4可知，随着塑性膨胀剂掺量的提高，压浆料的流动度也逐渐提高，不掺塑性膨胀剂的压浆料浆体初始流动度为15.1s，在掺入0.04%塑性膨胀剂后流动度提升到了13.2s，提升了12.5%，可以看出塑性掺膨胀剂对压浆料流动度的影响幅度不大。塑性膨胀剂通过在水泥水化过程中释放一定量的气体，从而达到增大浆体体积的目的，同时也降低了浆体的黏度，所以对浆体流动度有一定的改善作用。塑性膨胀剂对压浆料浆体的泌水率没有明显影响，说明其对压浆料浆体的稳定性没有太大的影响。压浆料浆体硬化后3h膨胀率随着塑性膨胀剂掺量的提高而有明显提高。未掺塑性膨胀剂的压浆料由于浆体自收缩、蒸发失水等因素其3h自由膨胀率为-0.3%，24h自由膨胀率为-0.5%，说明其体积减小，不利于预应力筋的粘结。可以看出塑性膨胀剂对早期膨胀性有较好的提高。随着塑性膨胀剂掺量的提高，压浆料硬化浆体的抗压、抗折强度均有降低，塑性膨胀剂掺量过高，发气量越大，会在硬化浆体中形成过多的孔洞，影响压浆料硬化后的抗压抗折强度。综上所述，根据塑性膨胀剂的膨胀原理，塑性膨胀剂对压浆料浆体的流动性有一定的改善，并且能够很好地补偿水泥水化和水分蒸发引起的化学物理收缩，提高压浆料浆体的早期膨胀性。但塑性膨胀剂掺入过多对压浆料的力学性能有不利的影响，因此塑性膨胀剂掺量控制在0.02%以内较为合适。2.4 矿物掺合料对压浆料性能的影响由纯水泥材料组成的压浆料不仅成本高昂，工作性能和力学性能表现也较差，掺入一定的矿物掺合料能够改善压浆料的工作性能和力学性能，并且降低压浆料的生产成本。表5为掺入不同压浆料后浆体的工作性能和力学性能。由表5可知，低掺量的石灰石粉能够改善压浆料的表 5 不同矿物掺合料对压浆料性能的影响组别流动度/s泌水率/%膨胀率/%抗压强度/MPa抗折强度/MPa初始30min60min3h24h钢丝3h24h3d7d28d3d7d28dC014.516.121.00001.32.252.268.179.310.110.811.3LP1014.215.819.20001.32.453.268.878.510.210.911.5LP1514.816.119.90001.52.450.365.376.29.810.110.5LP2015.616.820.80001.62.348.260.572.49.29.69.7LP2516.817.921.60.150.300.21.42.346.256.269.38.89.29.6LP3017.319.122.30.250.350.31.22.142.352.466.38.28.89.2K514.815.619.80001.32.152.870.280.310.611.311.9K1015.616.720.40001.42.354.270.881.310.811.411.8K1516.418.522.60001.52.355.371.280.810.210.911.2K2517.519.823.80001.42.252.367.375.29.79.89.9K3018.820.724.70.100.200.11.32.250.266.872.39.19.29.3SF114.616.220.80001.32.253.268.880.210.110.611.4SF215.117.322.20001.42.354.469.381.210.311.111.5SF315.618.522.90001.42.354.869.881.310.511.611.9SF416.419.224.80001.52.455.270.381.310.811.712.0SF517.120.325.80001.42.455.870.581.811.011.912.1试验研究Experimental Research36CHINA CONCRETE 2023.03 NO.165流动性能，提高早期膨胀率，但掺入石灰石粉后都会降低压浆料浆体的抗压、抗折强度，掺量越高，降低的幅度越大，并且30%石灰石粉掺量的压浆料浆体出现了泌水沉底现象。石灰石粉的减水能力能够改善压浆料的流动性，但过多的石灰石粉增大了粉体的总比表面积，使得需水量增多，在水胶比不变的情况下降低了浆体的流动性。石灰石粉的填充效应能够增大颗粒的堆积密度10-12，从而提高压浆料的早期膨胀性。随着矿粉掺量的提高，压浆料浆体的流动性逐渐降低，25%掺量矿粉压浆料浆体的流动度已不符合规范要求，30%掺量矿粉压浆料浆体出现泌水现象。矿粉对压浆料浆体的膨胀性没有明显改善，15%以内的矿粉掺量能够改善压浆料浆体的抗压强度和抗折强度，这是因为矿粉具有一定的水化活性，能够增加水化产物，从而提高硬化浆体的力学性能。由于硅灰的比表面积大，吸水能力强，掺入硅灰后，压浆料的流动性能明显下降，但硅灰具有很强的水化活性，掺入硅灰后，压浆料硬化浆体的力学性能有很大的提升，掺入硅灰后提高了浆体的保水性能，没有出现泌水现象。综合分析各矿物掺合料对压浆料性能的影响，石灰石粉的掺量应控制在20%以内，矿粉的掺量应控制在15%以内，硅灰的掺量应控制在4%以内。结论压浆料的组分对压浆料的性能起决定性作用，不同原材料和配合比对压浆料的性能有不同的影响。本文研究了水泥品种、水胶比、矿物掺合料以及外加剂对压浆料性能的影响，总结了各因素对压浆料性能的影响规律，提出了各因素的合理范围。具体结论如下：（1）不同地区使用的水泥和外加剂厂家都不同，水泥品种的不同主要影响其与外加剂的适应性，水泥良好的外加剂适应性能够给压浆料浆体带来更好的流动性和浆体稳定性，对四川地区普遍使用的3种水泥试验后发现，亚东水泥与外加剂的适应性更好。（2）随着水胶比的提高，压浆料浆体的流动性提高，但抗压、抗折强度都逐渐降低。在0.29水胶比条件下，压浆料力学性能满足规范要求，但泌水率不合格，对于本试验所用的减水剂，水胶比应控制在0.260.27较为合适。（3）掺塑性膨胀剂能够提高压浆料浆体的流动度，提高早期膨胀率，但会降低压浆料硬化浆体各龄期的抗压、抗折强度，塑性膨胀剂掺量应控制在0.03%以内。（4）石灰石粉能够有效改善压浆料的流动度，补偿压浆料早期塑性收缩，最佳掺量应控制在20%以内；矿粉能够提高压浆料的力学性能，但过高掺量的矿粉会降低压浆料的流动性，最佳掺量应控制在15%以内；硅灰能够明显提高压浆料的力学性能，但对压浆料流动性有较大的影响，最佳掺量应控制在4%以内。参考文献1 田耀刚,延丽丽,叶青,等.预应力孔道压浆材料的研究进展J.材料导报,2011,25(23):65-68+79.2 朱清华,刘兴亚,高京林.孔道压浆料流动度影响因素的试验研究J.混凝土与水泥制品,2012(12):6-10.3 张勇,杨富民.后张法预应力梁管道压浆材料的研究及应用J.混凝土,2011(3):108-110+138.4 杨静静.预应力管道压浆剂的试验研究J.福建建材,2020(9):4-6.5 马正先,许东,逄鲁峰,等.石膏对预应力孔道压浆料性能的影响J.混凝土,2021,382(8):155-159.6 杨林,李从号.絮凝剂(PAM)对水泥(胶材)净浆及混凝土性能的影响J.混凝土世界,2021(4):80-83.7 袁伟,田晓航,杨辉,等.超细矿物掺合料对超细灌浆料性能的影响J.混凝土世界,2022(1):65-68.8 VIET HUNG,NGUYEN,et al.Influence of cement grouts composition on the rheological behaviourJ.Cement and Concrete Research,2011.9 SILVA O,GOMES P,MORAIS K.Analytical method for determining the saturation point of superplasticizers in cement pastes using the marsh coneJ.Cermica,2019,65(374):252-260.10 何彦琪,蒋震,陈凯,等.石灰石粉对水泥水化及C-S-H成核的动力学影响J.硅酸盐通报,2018,37(8):2531-2535+2542.11 SCHMIDT T,LOTHENBACH B,ROMER M,et al.Physical and microstructural aspects of sulfate attack on ordinary and limestone blended Portland cementsJ.Cement and Concrete Research,2009,39(12):1111-1121.12 WANG D,SHI C,FARZADNIA N,et al.A review on effects of limestone powder on the properties of concreteJ.Construction and Building Materials,2018,192(12):153-166.