預應力壓漿料流動度保持及耐久性能研究

方喜生 ，陳 鵬，陳 茜，吳慶霞，宋普濤，夏京亮，王 晶

(1.中國路橋工程有限責任公司，北京 100011；2.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

近年來我國基礎建設發展迅速，特別是公路和鐵路中經常要使用到預應力混凝土結構。后張法的橋梁在橋梁建設中受到了大量的使用和推廣。后張法預應力孔道壓漿技術在預應力橋梁建設中起到了關鍵作用，預應力壓漿作為防止預應力鋼筋銹蝕的最后一步，用來保證結構的安全性、耐久性。同時使用預應力混凝土結構必須要考慮的問題就是如何使混凝土與鋼筋能夠很好地共同工作，這就要求預應力筋與混凝土擁有良好的粘結。好的預應力壓漿可以提高后張法預應力結構的安全性、耐久性。因此預應力壓漿料質量的好壞必須受到重視。

隨著施工環境的多樣化和復雜化，施工中對預應力壓漿料的流動性、流動性的保持度以及耐久性能有了新的需求。該文就預應力壓漿料的研究進展、高流動度保持性能、耐久性能以及高溫環境下高流動度性能進行調研和總結，以期為預應力壓漿料的研究和應用提供參考。

1 后張預應力壓漿技術研究進展

我國關于后張預應力壓漿技術的研究已經有數十年。最初采用的是純水泥作為后張預應力壓漿材料，但是由于純水泥的流動度不好且存在收縮變形大的缺點導致施工中遇到泵送問題以及與預應力筋之間產生空隙會降低結構的安全性和耐久性，這樣壓漿對于預應力筋的保護作用并沒有充分發揮。為了解決流動性差的問題在壓漿材料中摻入高效減水劑，明顯改善了其流動性。并且還可以摻入一些可以改善壓漿材料工作性能的外加劑和礦物摻合料。但是對于多種外加劑的摻入，要考慮不同外加劑之間的相互作用，避免不同種外加劑相互影響降低各自發揮的作用。

Pennsylvania state university、Texas A&M university兩所學校對改進壓漿材料性能做了大量研究工作,采用普通水泥配置30多種壓漿材料，試驗證明高效減水劑對流動性的提升有很大作用，但是摻量過多會有泌水。Noske P試驗發現，采用超細水泥制備的壓漿料的加固、抗滲效果較好。Alen K和Mirzx T研究了采用超細水泥制備壓漿料在不同的水灰比、減水劑摻量、不同溫度下的工作性能和力學性能的變化。Mdbye T A研究證明超細水泥相較于普通水泥在同等灌裝技術情況下擁有更好地可灌性能。管學茂[1]對超細高性能灌漿水泥進行系統研究，發現在超細水泥中摻入粉煤灰可以改變漿體的流動性并且可以提高漿體硬化后的強度，體積穩定性得到改善，抗滲透能力也有所增強。薛慶[2]、姚武[3]、謝琦[4]等通過復摻礦物摻合料例如：礦渣、粉煤灰、硅灰、石灰石粉等并適當降低水膠比來減小漿體泌水問題。何濤[5]研究硫鋁酸鹽水泥作壓漿料與不同種減水劑之間的相互影響。試驗結果表明聚羧酸減水劑、三聚氰胺減水劑對壓漿料的流動性提高效果顯著，并且對力學性能的影響較小。徐向鋒[6]對不同配比的壓漿材料進行各項性能試驗。結果表明，不同配比的壓漿料的性能差距較大，粉煤灰能夠明顯降低漿體的泌水率，低水膠比的漿體流動度較大但是材料的耐久性較差，礦物摻合料的加入對于提高材料的耐久性有較好的作用。

針對壓漿料在實際工程中遇到的問題，許多學者進行了壓漿料的改性和性能提升研究。田倩[7]研制出一種高性能壓漿劑JM-HF，摻入這種壓漿劑后壓漿料的體積穩定性得到改善。中國建筑科學研究院薛慶研制出CABR-GM壓漿劑,在低水膠比情況下摻量為3%時流動度可以達到16.5 s,并可以解決后張預應力孔道壓漿料產生的泌水、不密實等問題。張勇[8]等研制出TK-G孔道壓漿劑,并通過對不同的水泥品種進行試驗證明了TK-G孔道壓漿劑的適用性較好。中國建筑科學研究院有限公司宋普濤等進行了高揚程低泌水壓漿料的制備及應用技術研究，開發的壓漿料可垂直泵送到120～150 m的豎向預應力孔道，泵送完成后漿體不分層。

2 預應力壓漿料流動性保持

調研發現，水泥的化學組成及細度、摻合料的種類、外加劑的種類及應用環境等均會對壓漿料的流動性能產生影響。

朱清華[9]通過試驗來檢測水泥品種對壓漿料流動度的影響，試驗表明壓漿料的流動度與水泥品種密切相關，與水泥標準稠度用水量成正比。張彥奇通過試驗發現壓漿料粘度與水膠比成反比，但是水膠比大于1.5后隨著水膠比的增大漿料粘度的降低不在明顯。孫長征等通過摻入超細粉煤灰和硅灰來改善壓漿料的工作性能和力學性能，試驗表明超細粉煤灰會使壓漿料的流動度增加，一定摻量的硅灰也可以改善壓漿料的流動度。相對而言，摻入5%硅灰及15%超細粉煤灰后壓漿料的力學性能和工作性能均較好。

Yamada等發現摻入聚羧酸減水劑水泥漿料的流動度并未隨時間變化而改變，緩凝劑延長水泥基材料凝結時間，并且不會對后期力學性能產生不利影響。楊輝等研究了兩種不同膨脹劑對壓漿料早期抗壓、抗折強度的影響。試驗結果表明雙膨脹源體系(C4A3S-CaO)相較于但膨脹源體系(MgO)對壓漿料的早期膨脹率提升較快，并且摻量為8%時能夠一定程度上提升抗壓強度，但是后期的穩定性較差。尹科等[10]研究超強吸水樹脂內養護劑對壓漿料的影響，試驗表明，摻入適量的超強吸水樹脂內養護劑可以改善壓漿料的工作性、提高抗壓、抗折強度，提高早期的膨脹率和減少后期干燥收縮。溫小棟等通過試驗發現摻入蔗糖可以使水泥緩凝，并且發現了蔗糖摻入的臨界摻量，超過臨界摻量的蔗糖會影響水泥的強度，因此蔗糖的摻入量不宜超出臨界摻量。

由此可見，國內外在水泥基材料流動度保持及水泥基材料用減水劑、緩凝劑等影響流動性及流動性保持性能的化學外加劑方面均有較多的研究基礎。我們可以借鑒既有的研究基礎，進行高溫環境下預應力壓漿料流動度保持技術研究。

3 高溫對預應力壓漿料流動性保持的影響

馮小偉[11]分別研究了溫度和攪拌速度對壓漿材料工作性能的影響。試驗表明，隨著溫度的升高壓漿料的工作性能變差，流動度在0～200 ℃之間的變化比在 20～400 ℃ 之間變化更大。當轉速從0 r/min增大至2 000 r/min時，相應的流動度隨之增大。Martini S AI等研究高溫下化學外加劑對水泥漿料流變性的影響，發現高溫會加快水泥的水化反應，水泥漿料的流動度喪失很快，若只單摻減水劑并不能延緩水泥漿料的水化速度。Petit等在不同溫度(10～30 ℃)和時間情況下，研究高流動砂漿流變性能受不同水膠比的影響。發現室溫中高流動度砂漿的屈服應力與時長成正比。左彥峰等[12]研究聚羧酸系超塑化劑對水泥漿體流動性的影響，但是并未考慮高溫對水泥漿體流動性的影響。高兵研究在高溫條件下(150 ℃、350 ℃、550 ℃)摻入不同類型不同摻量的聚乙烯醇對灌漿料強度的影響，試驗表明隨著溫度的增大灌漿料的抗壓強度隨溫度的增大逐漸減小，在溫度較低時摻入適量的聚乙烯醇纖維的灌漿料的抗壓強度損失會減少，但溫度較高時反而會導致抗壓強度大幅度下降。郭亞紅的研究表明水泥基灌漿料的質量損失與溫度成正比，當溫度到達200～400 ℃之間質量損失較緩，當溫度超過400 ℃后抗壓強度降低迅速，達到600 ℃質量損失明顯增大，1 000 ℃時水泥基灌漿料基本失去全部強度。

綜上可知，國內外對后張法孔道壓漿料的性能改進主要體現在優選水泥、摻入減水劑、摻入膨脹劑等外加劑，同時考慮摻入一些礦物摻合料或其他組分來改善漿體的穩定性和工作性能。針對高溫環境，以高溫工程所在地區可用的水泥、粉煤灰、地域性巖石粉、地域性摻合料等材料為基礎，結合炎熱、高溫的氣候特征與施工壓漿工藝要求，開發出具有良好氣候適應性和工藝適用性的高性能預應力孔道壓漿料，并應用于實際工程。通過對特殊環境下預應力壓漿料的性能研究可以促進預應力壓漿料的發展，提高預應力結構的工程適應性。

4 預應力壓漿料的耐久性能

材料的耐久性是指材料抵抗自身和自然環境兩種因素長期破壞作用的能力，耐久性越好材料的壽命越長。結構的耐久性是指在預定的作用和預期的維護和使用條件下，結構及部件能夠維持所需的最低性能要求的能力。對于預應力混凝土構件，由于其長期處于高應力狀態，那么預應力壓漿料的耐久性更是直接影響結構的承載力和耐久性。大量研究證實，預應力混凝土結構破壞，往往是因為腐蝕介質進入混凝土內部，接觸鋼筋表面使得鋼筋銹蝕，導致預應力損失。而引起腐蝕性介質接觸鋼筋的很大原因來源于壓漿料不密實耐久性不好，造成預應力損失降低結構質量。

蔣蕾等[13]通過降低水膠比、控制壓漿劑的摻量控制膨脹率，制備出的壓漿料電通量低于JTG/T F50—2011中的1 500 C要求，硬化后的結構更加密實且抗氯離子滲透性能大幅提升。黃曉靜[14]通過摻入粉煤灰來改變預應力壓漿料的密實性和保護鋼筋的能力。通過試驗發現摻入適量粉煤灰后，由于物理化學作用，使得壓漿料的保水率增加、收縮減小、密實度增加。并且發現粉煤灰摻量為30%時抗氯離子侵蝕能力最強，可以提高壓漿料的耐久性能。佛山市交通科技有限公司開發了一種高耐久微膨脹綠色預應力孔道壓漿料，并通過試驗表明摻入適量的陶瓷廢渣、鋼渣、微珠、消泡劑、減水劑、膨脹劑、保水劑等可以有效地提升預應力孔道壓漿料的抗氯離子侵蝕能力從而提升其耐久性。宋小婧等采用自制的壓漿料摻入磨細的石灰石粉后可以在0.26～0.29水膠比下，制備出高保持流動性和塑性穩定性較好，并且強度高抗凍性能和抗氯離子滲透性能也較高的預應力壓漿料。

綜上可知關于預應力壓漿料的研究多為基于擬用水泥并結合既有標準要求的預應力壓漿材料的開發及其性能研究，但國內現行標準中未有高溫環境下壓漿料經時保持性能的要求，國內現有關于高溫環境下高流動性保持壓漿料的研究較少，更無此類產品。而水泥基灌漿材料類產品應用環境相對復雜，高溫及鹽漬土侵蝕環境對水泥基灌漿材料提出更為多樣的性能要求。此后的研究可以更多的向不同溫度環境下服役的預應力壓漿料的耐久性能上發展，進而不斷地規范、提高結構在不同環境下的耐久性，從而提高工程質量。