预应力混凝土孔道灌浆材料的配制及硬化后灌浆质量检测研究.doc

预应力混凝土孔道灌浆材料的配制及硬化后灌浆质量检测研究中交三航局三公司 李宝枝1 陈剑2摘要 预应力混凝土孔道灌浆技术一直受到国内外学者的关注，但在实际工程中，灌浆材料的配制往往得不到足够的重视，灌浆材料的性能一方面直接影响灌浆的效果，另一方面也降低硬化后浆体的作用效果。本文从灌浆材料各组分的性质出发，阐述了选取各组分的方法，并对如何优化灌浆材料的配比作出了论述。同时，在各组分本身性能的基础上，研究了其对灌浆材料的影响，从材料方面对提高灌浆效果提出了建议。关键字 孔道灌浆 胶凝材料 外加剂 灌浆材料配制 孔道缺陷检测前言 预应力混凝土在土木工程中的得到了广泛的应用，特别是在桥梁工程中，后张法预应力混凝土梁是使用最广泛的一种结构形式。而预应力混凝土孔道灌浆技术一直是国内外研究者对于后张法有粘结力预应力混凝土研究中的一个重要课题。灌浆质量的好坏是影响预应力混凝土结构耐久性的至关重要的因素，此问题最早是在1953年由瑞士大学的R.H.EVANS1提出，而且首次提出水泥浆质量提高的解决方法。在1975年加拿大多伦多CN塔的建设中，首次提出使用铝粉作为膨胀剂来消除水泥浆体塑性收缩和干燥收缩造成对灌浆质量的影响，但由于结果不理想，最终没有使用。随着减水剂在工程中的大量使用和膨胀剂的逐渐成熟，在当前的材料和技术条件下，已经能够配制出方便施工抗压强度为50MPa的水泥净浆。 用于灌浆的水泥净浆存在泌水、收缩、流动性差、强度较低等问题，在施工过程中又存在灌浆不密实的可能，因此，国内外学者对施工技术以及缺陷检测方法做了一定的研究，但很少对水泥砂浆配制各个方面做出全面的研究并提出解决方案，尤其在施工过程中，该方面往往不能够引起足够的重视。本文旨在指导水泥浆体的配制，以水泥水化的机理及各组分作用原理出发，研究各外加剂的掺入对水泥浆体的影响，结合工程实际，提出了有效的提高灌浆质量的方法，并对缺陷检测做了介绍，对预应力混凝土孔道灌浆施工有一定的意义。1. 灌浆材料性能研究及其选用 灌浆材料的主要组成是胶凝材料，水以及外加剂。胶凝材料是灌浆材料的最重要组成部分，而水是胶凝材料水化必不可少的中要组分，外加剂的掺入也不容忽视。外加剂不但能有效减小水胶比，提高硬化浆体的强度，而且能减少收缩。1.1 胶凝材料 通常情况下，灌浆用材料中使用的胶凝材料是水泥，水泥的主要组成成分为C3S、C2S、C3A、C3AF，此外，水泥中还有少量的自由氧化钙、氧化镁、含碱矿物和玻璃体等。相关研究表明2，C3S占水泥组成的50%左右，是水泥中含量最大的矿物成分，该成分水化速度较快，在水化前48小时内，C3S的水化已经达到相当高的程度，是提高早期强度的关键因素，但也存在早期放热较多的问题。就用于灌浆的浆体来讲，C3S是保证其强度的关键组成。C2S的水化较慢，其早期强度较低但后期强度较高，在水化1年以后，其强度可以赶上C3S。如果在孔道灌浆过程中，由于灌浆量较大或其他因素造成灌浆时间较长的情况下，C2S的含量较大时是有益的。此外C3A的水化是迅速的，但强度不高，最关键的问题是，C3A水化产物的干缩变形较大，当C3A含量较大时，水泥硬化浆体的干缩很明显。而如果用于灌浆的水泥中C3A的含量较大时，会造成灌浆不密实的后果，对预应力混凝土耐久性产生较大的不良影响，所以在灌浆用水泥选择时，要严格控制水泥中C3A的含量，控制水泥硬化浆体的收缩量。同时，水泥的凝结时间、细度和安定性也会对灌浆质量造成影响，在施工过程中，灌浆必须在水泥浆体初凝之前完成，而水泥细度是影响水泥凝结时间的重要因素，如果水泥安定性出现问题的话，裂缝的出现会使钢绞线暴露出来，失去水泥浆体的保护作用，引发钢绞线的生锈。由此，水泥的选择是水泥浆体配制的第一个问题，首先要严格控制水泥C3A的含量，对于C3A含量较高的水泥一定不能使用，通常情况下，夏季施工宜选用普通硅酸盐水泥，或者在硅酸盐水泥中适量掺入粉煤灰、矿粉等矿物掺合料，而冬季施工的话，尽量选择C3S含量相对高的硅酸盐水泥或早强水泥，不易掺入太多的矿物掺合料。1.2 外加剂 混凝土外加剂的正确使用可有效提高混凝土的性能，在当前的工程实际中，外加剂已经是混凝土工程中必不可少的一个组分，但市场上外加剂的种类繁多，在外加剂选择之前，了解其作用机理是相当关键的。工程中用于灌浆的水泥净浆的要求是非常高的，没有外加剂的掺入是很难达到工程中对水泥浆体各项性能的要求的。1.2.1 减水剂 当前工程中最广泛使用的高效减水剂主要有两类，一是萘系高效减水剂，另一种是聚羧酸高效减水剂。萘系减水剂在使用过程中存在两个问题，一是塌落度损失过快，萘系减水剂加到水泥拌合物中，可较快的被吸附与水泥颗粒表面，由于静电斥力的作用，使水泥颗粒得以分散，由此水泥净浆的初始流动度大。随着水化的进行，吸附在水泥颗粒表面的减水剂的量大大减少，使得混凝土塌落度损失。另一方面，萘系减水剂对水泥的差异比较敏感，与水泥的适应性不良。聚羧酸减水剂具有较高的减水效果，使用后混凝土具有较好的保塑性，塌落度损失较小。这类减水剂与水泥粒子的吸附呈立体形态，水泥颗粒表面电极电位增加由于相同电荷的排斥作用，使得水泥粒子不断分散，而且能较长时间维持其分散状态。在聚羧酸减水剂使用量很小的时候，就能有效的降低混凝土的粘度，大大提高混凝土的塌落度和水泥净浆的流动性，因而该类减水剂逐渐成为工程界减水剂使用的趋势。 同时，减水剂对水泥浆体的水缩率也有一定的影响。据相关研究显示，聚羧酸减水剂可有效的减少水泥硬化浆体的干缩率，如图1所示，聚羧酸减水剂较空白组相比可降低水泥硬化浆体收视率20%左右，而萘系减水剂则会提高水泥硬化浆体的干缩率。同时，所使用减水剂中应该掺入有助于缓凝、保水等成分。图1 掺入不同减水剂下水泥硬化浆体收缩率比较 综上，对于灌浆用水泥净浆，一方面要满足对于净浆流动性在一定的时间范围内得以保持的要求；另一方面能有效的降低水泥硬化浆体的干燥收缩，这一点也是相当重要的。1.2.2 膨胀剂 目前，工程中常用的膨胀剂按其化学组成可分为：硫铝酸盐系列、氧化钙系列和氧化镁系列膨胀剂等3.。硫铝酸钙类膨胀剂的膨胀源是生成钙矾石，使水泥石体积膨胀，填充孔隙，提高混凝土的致密性，从而提高混凝土的抗裂性能、抗渗性能和其它相关性能。氧化钙系列膨胀剂是水化反应生成氢氧化钙过程中，固相体积与孔隙体积的增加，超过了体系的化学减缩部分，从而体现为宏观体积的膨胀。氧化镁系列膨胀剂的膨胀则来源于氧化镁水化时，Mg(OH)2 晶体的生成和长大发育。从各种膨胀剂的膨胀机理及其作用来讲，氧化钙类膨胀剂是最适宜用作预应力混凝土孔道灌浆的水泥浆体配制的，首先，氧化钙类膨胀剂的需水量较另外两种要小，这有助于使用较低的水灰比来提高水泥硬化浆体的强度，另外对于水泥净浆来讲，其主要的收缩来源是早期的塑性收缩和干燥收缩，而氧化钙类膨胀剂能增大固相体积和孔隙体积，最终能够提高硬化浆体的宏观体积，硫铝酸钙类膨胀剂则在于提高水泥硬化浆体的密实性，比较而言，在灌浆用水泥浆体中，氧化钙类膨胀机理更占优势。所以，工程中用于灌浆的的水泥浆体配制时，应选择氧化钙类膨胀剂。2. 灌浆材料的配制 用于工程实际的水泥净浆，需要通过一系列实验来最终确定其配合比，配制出的水泥净浆一方面要满足相关规范及工程中的各项要求，另一方面要有良好的工作性能。通常情况下，浆体的配制应注意如下的几个方面。2.1 水灰比的确定 为了满足施工的要求，灌浆材料的流动性要满足一定的条件。流动性的增大不能单纯的通过增大水灰比来获得，当水灰比过大时，后期强度，保水性能都会下降。在具体的工程中，一方面应根据工程的实际要求，在满足强度的情况下，选择水灰比，另一方面，应控制水灰比不能太高，要求其在某个特定的值以下，避免出现分离、泌水等现象。通常情况下，水灰比应控制在0.30-0.40之间。此外，需选用合适的减水剂，使净浆的流动度达到使用要求。2.2 矿物掺合料的使用 矿物掺和料对灌浆材料性能的影响主要是与其物理形态有关，因为矿物掺合料的颗粒形状、表面特征、亲水性能等都是影响灌浆材料的关键因素。同时，矿物掺合料还可以改善拌合后浆体的稳定性，在一定程度上提高浆体的粘聚性，降低泌水的风险。因此，用一部分矿粉取代水泥，不仅能保证硬化浆体的后期强度，还可以优化其工作性能。灌浆材料硬化后，对钢绞线有保护的作用，防止其锈蚀造成应力松弛和强度下降，所以提高灌浆材料的耐久性是相当关键的。矿物掺和料的掺入，可有效的提高硬化浆体的密实性，防止有害离子的渗入，对钢筋的保护作用有很大的增强作用。通常情况下，矿粉的使用量为总胶凝材料的10%-30%。3. 灌浆质量检测方法介绍3.1 钻芯检测法钻芯检测法通常是在发现存在灌浆质量时使用。该方法是最早被用来检测灌浆缺陷的方法，属于一种局部破损的检测手段。其优点在于直观有效，缺点则是工作量大、效率低、费用高，而且容易造成预应力钢绞线的损伤。图2 钻芯取样（凿开预应力束附近混凝土，剥开波纹管）3.2电磁波雷达法 电磁雷达法是一种重要的无损检测方法，其工作原理如图2所示。该方法是利用高频电磁波以宽频带短脉冲形式，由结构物表面通过发射天线定向传入地下，经过存在电性差异的混凝土反射后返回表面，被接收天线接收。当发射与接收天线以固定的间距沿测线同步移动时，就可以得到反映混凝土缺陷分布情况的雷达图像。该方法可以根据测得的波形记录来分析混凝土内部的缺陷位置和形态，可直接定位到灌浆位置，有效、明确的得到硬化后灌浆材料的形态，对其缺陷可作出明确的描述。图3 雷达探测原理示意图3.3X光、r射线法 这两种方法具有一定的可视性，测试精度也相对较高。但问题在于这两种方法的测试设备较为庞大，测试费用高，且有一定的危险性(放射性)。此外，这一类的透过法由于需要在梁的两端作业，不适合箱梁结构。3.4冲击回波法冲击回波法用于预应力孔道内缺陷已经有近20年的历史了，该方法得到国内外学者的一致认同，其工作原理如图3所示。在测试过程中，孔道灌浆后的缺陷主要通过两种形式表现出来，一是出现较为明显的反射信号；二是反射的弹性波波速有所降低。该方法在测试过程中仅需要一个测试面，是一种较为简便、有效的测试方法。图4 冲击回波法工作原理4. 结论（1） 灌浆材料中应选择合适的水泥，并适当掺入矿粉等矿物掺合料。用于灌浆的水泥需要保证其细度、安定性、凝结时间满足施工使用的要求，除此之外，对其矿物组分也要严格控制，避免C3A含量太高造成速