預應力孔道壓漿摻亞硝酸鈣改善漿體性能研究

熊慧中，張立光，田清文

（1.東北林業大學工程咨詢設計研究院，哈爾濱150040;2.東北林業大學土木工程學院，哈爾濱 150040）

富綏松花江公路大橋位于黑龍江省東北部三江平原地區，松花江干流下游富錦至綏濱江段。松花江流域地處北溫帶季風氣候區，大陸性氣候特點十分明顯，冬季嚴寒漫長，夏、秋降雨集中，春季干燥多風，秋季降溫急劇，常有凍害發生，橋址處年均2.5℃，年內溫差較大，七月份平均氣溫21.9℃，極端最高氣溫37.1℃，一月份平均氣溫－20.1℃，極端最低溫度－37.8℃。松花江公路大橋主橋采用懸臂澆筑預應力混凝土連續箱梁，設計強度C55;引橋采用預應力混凝土簡支轉連續T型梁，設計強度C50。全橋總長3 470 m，橋面總寬23 m，雙向四車道，一級公路標準，設計使用壽命100 a。亞硝酸鈣的分子式為Ca（NO2）2，分子量132，亞硝酸鈣是一種用于混凝土工程施工的新型外加劑，它具有早強、防凍、阻銹作用［1］。

1 背景和機理

1.1 預應力孔道壓漿質量不佳造成橋梁毀損的事例

眾所周知，英國的Ynys－Gwas橋梁建于1953年，在使用了32 a后于1985年12月4日突然倒塌，經過英國運輸與道路研究試驗室（TRRL）對倒塌的橋梁進行分析，發現橋梁倒塌是由于預應力灌漿不密實，使預應力筋銹蝕所致。建于1957年的美國康涅狄格州的Bissell大橋，因為預應力筋銹蝕導致橋梁的安全度下降，在使用了35 a之后，在1992年不得不炸毀重建。另外美國從地震垮塌的后張法預應力橋梁構件上截取若干斷面解剖測試，發現后張法預應力結構因孔道壓漿不密實而造成的預應力筋銹蝕、斷面銳減、斷絲及應力損失嚴重等致命的質量問題，為此曾一度禁止后張法預應力結構的應用［2］。通過近幾年的調查和調查資料證明，我國于80年代中期至本世紀初期興建的一批預應力混凝土梁橋，壓漿不實是一個普遍存在的現象，個別橋梁該問題還十分突出，這里有壓漿工藝方面的原因和配合比方面的原因［3］。因此對后張法預應力結構孔道壓漿漿體配合比優化是很有現實意義的。

1.2 預應力管道壓漿游離水造成的危害和機理分析

鋼筋銹蝕是混凝土結構損壞的機理之一，而孔道壓漿的作用是排除孔道內的水和空氣，使預應力筋被堿性水泥石包裹，防止預應力筋被腐蝕，保證預應力構件的耐久性。孔道壓漿的第二個作用是使預應力鋼筋通過水泥石與周圍混凝土結成一個整體，將預應力鋼筋上的力均勻地傳入到結構物中，從而既能減輕錨具的受力，又能提高構件的承載能力、抗裂性能和耐久性。

如果預應力孔道中有游離水的存在，在低溫凍脹后，沿預應力孔道方向出現裂縫，這種裂縫是不可恢復的。如果此游離水不被清除則裂縫會越來越大，裂縫的存在增加了混凝土的滲透性，使鋼筋產生銹蝕。另一方面預應力鋼筋腐蝕后，體積膨脹，又會進一步加劇順筋裂縫的擴展。如此惡性循環，有極大的危險性，影響結構耐久性。當有二氧化碳和水氣侵入混凝土內部，與混凝土中的堿性物質中和，導致混凝土的pH值降低，造成全部或部分鋼絞線表面鈍化膜破壞。由于鋼材材質和表面的非均勻性，在鋼絞線表面的不同部位總會出現較大的電位差，形成陽極和陰極。因此在潮濕環境下，由于氧氣和水的參與，預應力筋就有可能發生電化學反應:

在陽極的反應為:Fe=Fe2++2e－。在陰極的反應為:2H2O+O2=4（OH）－－4e－。陰極、陽極生成的鐵離子和氫氧根離子結合生成氫氧化鐵。

上述電化學反應使鋼絞線表面的鐵不斷失去電子而溶于水，鋼絞線逐漸被腐蝕，反應生成的氫氧化鐵進一步氧化形成鐵銹Fe（HO）3·3H2O，鐵銹膨脹，將引起混凝土開裂對于預應力鋼絞線而言，因應力較大對腐蝕的敏感性大可能構件表面還未出現裂縫，構件就會因應力腐蝕造成鋼絞線突然斷裂［4］。

綜上所述，現代預應力混凝土橋梁孔道內壓漿不實、泌水是影響結構的極限承載能力和結構的耐久性的重要因素之一。

1.3 新舊橋規對于流動度和泌水要求

在橋規（JTJ041－2000）中規定3 h的泌水率為2%，24 h完全被漿體吸收。由于試驗室在配制漿體確定配合比時，容器可吸收漿體面的直徑與長度（高度）的比在1∶2左右，而在實際施工管道為U型時，其可以吸收面的直徑與孔道總長之比在百分一，游離水不能全部被漿體吸收，只能存在于管道高點處，造成凍脹。因而工程需要無泌水、稠度在10～17 s凝結時間縮短的優質水泥漿。在新版橋規（JTJ041－2011）中，水泥漿稠度、泌水率都做了調整［5］，詳見表1。

表1 新舊規范預應力孔道壓漿漿液流動度、泌水率對比Tab.1 Comparison of pre-stressed duct grouting slurry fluidity and bleeding rate under different specifications

2 試驗準備與試驗方法

（1）試驗材料。水泥PO52.5哈爾濱亞泰水泥廠“天鵝牌”，UEA－膨脹劑、聚羧酸KMSP型高效減水劑、亞硝酸鈣均為黑龍江科曼公司提供。

（2）試驗設備。EW300壓力試驗機、水泥漿稠度儀、－40℃醫用冰箱、維卡儀和秒表等。

以已固定成型的配合比為對照，用不同的亞硝酸鈣摻量，了解其對水泥漿泌水、凝結時間、強度的影響。模擬初冬環境，第一組將新鮮水泥漿澆入玻璃容器和試模中，分別在1 h、5 h、10 h放入－20℃冰箱冷凍，白天放室內溫度12℃左右，晚間放－20℃冰柜內，觀察玻璃容器內漿體的膨脹并測7 d強度。第二組將新鮮水泥漿澆入玻璃容器和試模中分別在1 h、5 h、10 h放入－20℃冰箱冷凍2個月，再在室溫（12℃ －16℃）放3個月后壓件，測冷凍對強度的影響。

3 試驗過程和結果

對試驗得到的數據結果匯總，用來比較亞硝酸鈣的摻量對泌水、凝結時間、強度的影響、交替冷凍對強度的影響和長期冷凍對強度的影響，結果見表2、表3和表4。

表2 亞硝酸鈣的摻量對泌水、凝結時間、強度影響Tab.2 Effects of calcium nitrite addition on bleeding，setting time，and strength

表3 交替冷凍對強度的影響Tab.3 Alternate freezing effect on strength

表4 長期冷凍對強度的影響Tab.4 Long term frozen effect on strength

4 試驗結果分析

從實驗結果可知，當亞硝酸鈣摻量在0.7%～4%之間時，均比對照組縮短了凝結時間，而繼續加大亞硝酸鈣摻量凝結時間反而越來越長，如圖1所示;當亞硝酸鈣摻量在0.7% ～2.8%之間時，沒有泌水發生，而當摻量超過4.2%時泌水量越來越多，如圖2所示;當亞硝酸鈣摻量在0.7%～2.0%之間時，對強度沒有大的影響，但是當亞硝酸鈣摻量大于2.8%之間時，強度下降明顯，如圖3所示。新鮮水泥漿澆入試模立即放入－20℃環境冷凍時，漿體中央凹陷，四周隆起，體積不穩定。新鮮水泥漿澆入試模1 h后放入－20℃環境冷凍時，試件表面平整，漿體均勻，沒有分層等現象。而接近初凝才放入－20℃環境冷凍的試件對抗壓強度影響不大。通過觀察摻亞硝酸鈣對漿體膨脹量基本無影響，對于容器內的漿體，只要沒有游離水就不發生凍脹。

5 結論

（1）孔道壓漿水泥漿中摻加適量亞硝酸鈣可以消除漿體泌水，稠度能達到10～17 s。但是在大摻量情況下，泌水增加。

圖1 亞硝酸鈣摻量與凝結時間關系曲線Fig.1 Relationship between calcium nitrite addition and condensation time

圖3 亞硝酸鈣摻量與強度關系曲線Fig.3 Relationship between calcium nitrite content and strength

（2）孔道壓漿水泥漿中摻加適量亞硝酸鈣可以縮短凝結時間，有早強作用。但是在大量摻加情況下，凝結時間反而延長。

（3）預應力孔道中無游離水，且漿體達到終凝，再處于負溫環境，可以保證漿體體積穩定性和強度滿足要求。

（4）預應力孔道中無游離水，且漿體初凝前越早接觸負溫對其強度影響越大。

（5）孔道壓漿水泥漿中摻加適量亞硝酸鈣對強度無明顯影響。但是在大摻量情況下，強度下降。

（6）綜合水泥漿中摻加不同量亞硝酸鈣對稠度、泌水率、強度的影響結果，得到摻1.5左右的亞硝酸鈣可以明顯改善水泥漿性能。

（7）消除壓漿后孔道游離水，并使漿體促凝、早強，凝結前不接觸負溫是提高抗凍性的又一途徑。

】

［1］安春英.預應力混凝土廠梁的預制過程控制［J］.森林工程，2011，27（2）:56 －60.

［2］彭成炎，李德順，預應力張拉壓漿施工中質量通病分析［J］.公路交通科技，2008（9）:130－132.

［3］楊思忠.后張預應力工程孔道壓漿質量通病與對策［J］.市政技術，2005，23（Z1）:15 －117.

［4］李傳平，劉耀武，張保和.公路橋梁140米長預應力孔道壓漿質量控制［J］.施工技術，2005，34（7）:59 －60.

［5］朱方榮.后張法中的灌漿技術—真空吸漿法［J］.湖南交通科技，2002（2）:54－55.