高速铁路预应力箱梁孔道压浆料的研究与应用

摘 要

孔道压浆作为后张法预应力混凝土梁结构施工工艺中不可或缺的环节之一，它对于预应力筋正常发挥和预应力筋的保护起着至关重要的作用。其质量的好坏也直接影响着后张法预应力混凝土结构的安全性和耐久性，现如今，孔道压浆的发展得到了众多学者和工程界人士的广泛关注与重视，所以探讨与研究性能优异的压浆料是具有现实应用价值的。

参照《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》中对压浆料的要求，并针对目前现有压浆料存在的流动性差及早期强度低等问题，研究了高效聚羧酸减水剂及早强剂对压浆料性能的影响，结果表明，选择与水泥适应性良好的高效聚羧酸减水剂能改善压浆料的流动性，使其初始流动度和30min流动度分别控制在20s和30s内；掺入甲酸钙作为早强剂，可以提高压浆料的强度。在此基础上，采用消泡剂和改性剂对压浆料的性能进行改善，优化了配合比，确定了各个组分的较适宜掺量范围。

在分别确定各组分的最佳掺量后，通过试验优化得到压浆料的最佳配合比例为：水泥79.5%，粉煤灰15%，减水剂1.0%，早强剂2.5%，消泡剂0.2%，改性剂1.8%，根据优化后的配合比制得的压浆料流动性良好，无泌水离析现象，7d和28d抗压强度分别达到45MPa和60MPa以上，表面光滑无气孔，压浆料的综合性能优异。

1 绪论

1.1 课题背景

目前国内铁路的高速发展，预应力混凝土发挥了其他混凝土不可比拟的作用，根据设计、制作及施工工艺的不同，预应力筋分为先张法和后张法两种。目前我国高速铁路大跨度桥梁中悬臂施工，现场浇筑等大型工程构件多采用后张法预应力混凝土，后张法预应力混凝土梁结构施工工艺里面最为重要、最为关键的工艺环节就是孔道压浆，首先它能够保护预应力筋，使其不被锈蚀，还能够使其与混凝土良好地结合在一起，使预应力的有效传递得到保证。再者，孔道压浆可以让预应力钢筋和混凝土完美结合、共同工作，这极大地提高了结构的可靠度和耐久性。所以压浆料质量的优劣对后张法预应力的安全性和耐久性有非常重大的意义。孔道填充所需要的灌浆材料需要具备早强、高强、高流态、不泌水和无收缩这几个基本特征。但是传统管道压浆施工方法中用的普通的灌浆材料存在这强度、流动性差，泌水，干燥收缩出现裂缝等缺陷；而且还会出现早强与和易性差、流动度与密实度之间的矛盾，因此，如何得到具有良好和易性、早强、高强、无收缩等多种优点的压浆料，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

1.2 课题目的与意义

国内高速铁路的建设正处于飞速发展的时期，能够让混凝土和预应力筋结合起来、共同工作，并能使预应力得到有效传递和不被腐蚀，孔道压浆的作用就显得如此的不可或缺。但是预应力结构质量问题仍然在实际生产中屡见不鲜，或是因为专业人员的技术不足，或是施工管理相对滞后，又或是监督措施不完善等。因此，为了解决预应力结构构件在施工中存在的问题，需要首先对压浆料进行改善。后张法预应力是一种张拉预应力筋以形成预应力混凝土构件的施工方法，其需要先浇筑水泥混凝土，等到混凝土达到设计强度的75%以上时再进行张拉预应力筋。它与先张法预应力混凝土的主要区别是：先张法是将张拉后的预应力筋直接浇筑在混凝土内，依靠预应力筋与周围混凝土之间的粘结力来传递预应力；后张法预应力混凝土的预应力筋则需要彻底借助端头锚具来实现传递压力。与普通混凝凝土对比，后张法预应力混凝土具有无可比拟的优势；在相同的条件下，后张法预应力混凝土不仅具有构件截面小、质量好以及自重轻等优点，而且大幅度提高了建筑结构的抗裂性能和耐久性能。总之，用后张法预应力混凝土结构来代替普通钢筋混凝土结构在结构跨度较大的情况下是十分具有可行性的。

通过查阅相关文献资料及工程实践发现，大多数的灌浆材料存在这强度、流动性差，泌水，干燥收缩出现裂缝等缺陷；而且还会出现早强与和易性差、流动度与密实度之间的矛盾。本课题旨在研究一种孔道压浆料，使其与水泥按一定比例配合后，满足铁路预应力混凝土梁孔道压浆的技术要求。通过试验方法测试掺入掺合料的的孔道压浆料的工作性能、物理性能和耐久性，发现优化配合比后的孔道压浆料按一定比例与水泥混合后，不仅能增加混凝土早期强度和后期强度，而且改善了混凝土的流动性与密实性等问题。从而减轻了预应力混凝土的破坏，延长使用寿命，具有重大意义。

1.3 国内外研究现状

在2008年之前国内关于孔道压浆的规范TB/T3192-2008《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》尚未颁布，我国工程建设对于预应力结构的安全性、耐久性的要求以及对于孔道压浆的重视程度就已经随着我国经济的快速发展和铁路的基础建设日益地提高，之前的规范在压浆材料的控制方面所涉及到的指标少之又少，以至于压浆材料的性能不能够精准地被控制。作为我国国内要求较为全面的也是最早的孔道压浆规范TB/T3192-2008《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》的颁布与实施，在对泌水率提出更高要求的基础上还补充了对于流动度的要求（主要指标如表1.1所示）。该规范不仅涉及到对耐久性等性能的要求，同时还使孔道压浆材料的试验标准方法得要了进一步的完善。TB/T3192-2008《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》在技术方面的严格要求了水胶比和工作性能以及明确规定了搅拌的速度，这也是国内迄今为止对铁路系统孔道压浆材料指标最为严格的要求、技术要求最为全面的规范文件。

表1.1 TB/T3192-2008对预应力孔道压浆料的技术要求

表1.2 PTI规范和FDOT规范的性能指标对比

国外对预应力技术使用较早也更为成熟，对孔道压浆的研究更为深入，现今国外关于孔道压浆材料比较先进的技术规范主要有两个，其一是美国后张预应力协会发布的《Specification for grouting post- tensioned structures》,其二是佛罗里达发布的《Standard Specification for Road and Bridge Construction 2007 》，两个规范均以ASTM为标准来测试各项性能指标【10.11】，这两个规范具体要求了孔道压浆材料的耐久性、稳定性、流动性、泌水率、强度等指标（完整技术指标规定对比如表所示），同时，这两个规范也是迄今为止国外在压浆材料方面有较为全面和系统的技术性能指标规定的规范。由表1.2中可以看到，这两个规范的指标全面中带有侧重，例如膨胀率与总氯离子含量在两个规范中都没有做出相关规定，但是弗罗里达对于体积稳定性的要求更为严苛，所以，就全过程规定而言，前者的范围较为狭窄，后者的规定就更为全面。

1.4 本课题的研究内容

高速铁路大跨度桥梁等大型工程构件多采用后张法预应力混凝土，其孔道的填充需要高流态、早强、高强、不泌水、无收缩的灌浆材料。而普通的灌浆材料存在着强度、流动性差，泌水，干燥收缩出现裂缝等缺陷；而且还会出现早强与和易性差、流动度与密实度之间的矛盾，因此，如何得到具有良好和易性、早强、高强、无收缩等多种优点的压浆料，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。本课题旨在研究一种孔道压浆料，使其与水泥按一定比例配合后，满足铁路预应力混凝土梁孔道压浆的技术要求。具体研究内容如下：

1、孔道压浆料各组分的适应性研究：减水剂、早强剂、掺合料等；

2、孔道压浆料配合比的优化设计；主要优化其他功能组分；

3、孔道压浆料与水泥配合后，压浆料的各项性能指标测试，并进行优化调整。

2试验原材料及试验方法

2.1 原材料

2.1.1 水泥

水泥作为压浆材料里最为普通也最为重要的组分之一，其品种的不同、强度等级的高低和用量的多少等无一不影响着压浆材料的质量。水泥在后张预应力孔道压浆的应用应符合《通用硅酸盐水泥》GB175所规定的技术要求、适用范围以及对低碱硅酸盐或低碱普通硅酸盐的限制。基于此，本实验水泥采用湖北某水泥企业生产的P.O42.5级水泥。其主要化学成分和性能指标分别见表2.1、表2.2。

表2.1 原材料的化学成分（质量份数%）

表2.2水泥的物理力学性能

2.1.2 粉煤灰

粉煤灰采用武汉阳逻电厂的II级粉煤灰，其化学成分见表2.1。

2.1.3 减水剂

减水剂采用华轩高新的粉状PC-303型聚羧酸减水剂。

2.1.4 其他功能材料

消泡剂采用有机硅类消泡剂。

早强剂选用市售工业级甲酸钙，有效含量大于92%。

2.1.5 拌和水

实验用拌和水选用饮用自来水。

2.2 试验方法

参照《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆技术条件》规定的实验方法。

3 孔道压浆料的性能研究

3.1 孔道压浆料基本组分研究

后张预应力梁压浆材料一般需要混合一定比例的高性能压浆料和水泥并掺入一定量的水搅拌来制成。在配制压浆材料时一般还需要加入一定量的外加剂和掺和料来满足其流动性、抗泌水性和膨胀性等性能的要求。有时因为水泥本身流动性的不足而人为过分地提高水胶比会影响和破坏孔道压浆材料的物理和耐久性能。在这种情况下，加入减水剂的方法就应运而生，它不但可以保持较低的水胶比，而且还能保证较好的水泥流动性。第一步应当是粗选减水剂、粉煤灰和硅灰的掺量，第二步则是对减水剂、粉煤灰和硅灰掺量以及水胶比展开试验来探究各组分对压浆材料影响，接着便是探究微膨胀剂、消泡剂和缓凝剂对压浆材料物理力学和工作性能的影响，最后通过上述试验来得到压浆料的最优配比。

3.1.1 减水剂适应性实

表3.1 PC-303减水剂对压浆料流动度的影响（粉煤灰掺量15%）

图 3.1 PC-303减水剂对压浆料初始流动度的影响

图 3.2 PC-303减水剂对压浆料30min流动度的影响

减水剂通过吸附在水泥颗粒的表面来分散之前水泥颗粒形成的絮凝结构，以达到有效增大压浆材料流动性能的目的。许多研究均指出，对水泥水化起缓凝作用的是减水剂，水泥的硬化过程可以靠减水剂的作用来一定程度地放缓，与此同时，水化产物的体积、空间分布以及阻止水泥颗粒的絮凝均可以依赖减水剂的作用，由此可见，减水剂对于保持压浆材料的流动性有着非凡的意义。减水剂除了能够保持流动度还能降低水胶比，减水剂这一功能为提高压浆材料的抗腐烛和结实度性能创造了条件。向水泥浆体加入高效减水剂是有一个临界点的，一旦超过这一临界掺量，水泥装体的流动性就不会再随减水剂加入量的增加而增加，我们把这个临界点称之为饱和点，饱和点下的减水剂加入量被称之为饱和掺量。试验将采用水胶比、通过水泥净架的试验来对减水剂与水泥的适应性进行测试，以此而确定减水剂的一个合适的掺量范围。本试验不同减水剂掺量对压浆料流动性的影响结果如表3.1和图3.1、图3.2所示。

由图中可知，减水剂对压浆材料的流动性影响显著，随着减水剂掺量的增大，流动时间缩短，流动度增加，当掺量达到0.75%时，初始流动时间为23s，接近标准要求的22s以下，其30min的流动时间为30s，已经达到标准要求。当减水剂掺量继续增大到1.0%时，初始流动度和30min流动均在标准要求的范围内。再增加减水剂的掺量时，流动时间继续缩短，但减水剂掺量过大容易造成浆体泌水，在试验过程中发现，当掺量达到1.5%时，有轻微泌水的现象，当掺量为2.0%时，泌水情况严重，所以确定减水剂的最佳掺量为1.0%。

3.1.2 掺入粉煤灰分析

孔道压浆材料对其工作性能具有较高的要求，研究表明：粉煤灰替代部分压浆材料中的水泥，不仅能够提高压浆材料的流动性能，而且由于粉煤灰的比表面积比水泥大，还能够降低浆体的泌水率和沉降作用，粉煤灰颗粒填充水泥颗粒的空隙可以提高压浆材料的后期强度和抗化学侵烛能力并能使压浆材料保持良好的体积稳定性。

粉煤灰的形态特点包括颗粒表面光滑、粒度较细，大量含有玻璃微珠，颗粒密度也均小于水泥颗粒，这些特点不仅能使浆体的体积增加，而且能够在保证水胶比不变的前提下明显改善浆体的流动性。此外，粉煤灰颗粒填充到水泥颗粒的空硕士学位论文孔道压装材料优化配伍隙中，改善了浆体的颗粒级配，对于减小装体的分层离析的现象具有很好的效果，所以本文研究过程中掺入15%的粉煤灰等量替代水泥。

3.1.3 早强剂对压浆料性能影响

压浆料的流动性大，导致水泥水化时水分过多，这可能会影响压浆料的强度发展，所以为了能提高压浆料的早期强度，并且对后期强度无显著影响，在压浆料的配合比中加入早强剂。本文在研究过程中选用早强效果较好的甲酸钙作为早强剂，早强剂对压浆料的凝结时间和力学性能影响见表3.2、图3.3-图3.5。其中减水剂的掺量为1.0%，粉煤灰的掺量为15%。

表3.2早强剂对压浆料性能的影响

由图3.3不同甲酸钙掺量时压浆料的凝结时间数据可以看出，掺入甲酸钙后，有利于压浆料凝结时间的缩短，而且随着甲酸钙掺量的增加，压浆料终凝时间的缩短幅度要大于初凝时间的缩短幅度，即早强剂甲酸钙可以缩短压浆料初凝时间和终凝时间的时间间隔。当甲酸钙的掺量达到3.0%时，压浆料的凝结时间降低到3小时40分钟，不满足标准中对压浆料的凝结时间要求了，所以早强剂甲酸钙的掺量不能大于2.5%。掺入不同比例甲酸钙的压浆料的终凝时间均在24小时以内，各掺量的终凝时间均满足标准要求。

图 3.3 甲酸钙对压浆料凝结时间的影响

图3.4为不同甲酸钙掺量情况下压浆料的7d和28d抗折强度。由图中可以看出，随着甲酸钙掺量的增加，压浆料的7d抗折强度呈先增大后减小的趋势，在掺量小于3.0%时，甲酸钙有助于压浆料7d强度的发挥，但是当掺量大于3.0%时，7d抗折强度略有降低。这是因为，加入甲酸钙后，促进了水泥的早期水化反应，使抗折强度增加，但是当掺量过大时，由于早期水化速度过快，迅速产生的水化产物部分覆盖了未水化的水泥颗粒，导致水泥的水化度降低，从而使抗折强度降低。压浆料28d的抗折强度规律同7d的变化规律相似，说明，加入适量的甲酸钙也有助于压浆料后期强度的发挥。

图 3.4 甲酸钙对压浆料抗折强度的影响

图 3.5 甲酸钙对压浆料抗压强度的影响

图3.5为不同甲酸钙掺量情况下压浆料的7d和28d抗压强度。由图中可以看出，甲酸钙对压浆料抗压强度的影响规律同抗折强度相似，表明在一定掺量范围内，甲酸钙有助于压浆料抗压强度的发挥。

综合考虑甲酸钙对凝结时间和力学强度的影响，并参照标准的要求，确定压浆料中甲酸钙的掺量为2.5%。

3.2 孔道压浆料配合比优化

在进行压浆料基本组分研究过程中，发现搅拌出的压浆料浆体存在气泡，且凝结硬化后的压浆料试块的表面和内部存在很多大的气孔，这会严重影响压浆料的力学性能和耐久性能。而且水泥基材料体系在凝结硬化过程中会产生收缩现象，所以采用一些其他功能组分对孔道压浆料的配合比进行优化，从而改善压浆料的性能。

3.2.1 其他功能组分

通过加入消泡剂的方式降低压浆料浆体中的气泡，降低凝结硬化后的试块的气孔率。消泡效果较好的有机硅类消泡剂的选用，能使其在压浆料浆体表面的铺展简单迅速，然后快速并自动地分散于气泡表面，吸走邻近的一层表面溶液是的液膜厚度变薄，液膜厚度达到破裂的临界的液膜厚度时气泡就会破裂，这就起到了减少空隙的作用。本实验根据文献和前人的研究确定有机硅类消泡剂的掺量为0.2%。

由于压浆料的流动性很好，所以在使用过程中，可能出现泌水扒底的现象，本文通过加入改性剂消除压浆料可能出现的泌水缺陷，并且在改性剂含有使压浆料硬化浆体产生微膨胀的组分，维持硬化浆体的体积稳定性，防止出现收缩现象。确定的改性剂的掺量为1.8%。

3.2.2 优化后的压浆料性能

在压浆料基本组分研究的基础上，经优化后的压浆料的最终配合比见表3.3。

表3.3优化后的压浆料的配合比（wt.%）

表3.4压浆料的性能

由压浆料的性能测试结果可以看出，经优化后的压浆料的各项指标均符合《铁路后张法预应力混凝土梁管道压浆》的要求，并且无泌水、扒底现象，硬化浆体表面光滑、美观。

结论

针对目前现有压浆料存在的流动性差及早期强度低等问题，研究了高效聚羧酸减水剂及早强剂对压浆料性能的影响，并利用消泡剂、改性剂和塑性膨胀剂对压浆料的性能进行改善，得到压浆料的最优配合比，并测试了相关性能。结论如下：

1、适宜的减水剂掺量有利于压浆料流动度的改善。在压浆料中加入早强剂甲酸钙有助于压浆料早期力学性能的发挥，并且改善凝结时间。引入掺合料粉煤灰，不仅可以达到利用工业固体废弃物的目的还能适当改善压浆料的性能

2、经优化后的压浆料的配合比为：水泥79.5%，粉煤灰15%，减水剂1.0%，早强剂2.5%，消泡剂0.2%，改性剂1.8%，具有高流态、早强、高强、不泌水、无收缩的压浆材料。改善了压浆材料存在着强度、流动性差，泌水，干燥收缩出现裂缝等缺陷。凸显出其强度高、流动性强、早期塑性膨胀明显、损失较小等优势，与此同时，真正达到了工作性能、强度与早期膨胀性协调发展的理想化效果。该压浆料有望于在铁路后张预应力混凝土桥梁管道的压浆处理中得到实际应用，这对提高混凝土桥梁的结构耐久性和使用年限将会起到极大的积极作用。

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