CG-100高性能管道灌漿

材料應(yīng)用報告

一、前言

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施的蓬勃發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)因其顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢而在大型工程如橋梁、港口、隧道、電站、高層房建等大跨、高聳、巨型結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的所有優(yōu)勢，都必須建立在預(yù)應(yīng)力筋與結(jié)構(gòu)混凝土粘結(jié)完好的基礎(chǔ)上。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)體系中，孔道灌漿的作用主要有三點(diǎn)：一是保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼筋不外露而遭銹蝕，保證預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全；二是使預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土有良好的粘結(jié)，保證它們之間預(yù)應(yīng)力的有效傳遞，使預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土共同作用；三是消除預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下應(yīng)力變化對錨具造成的疲勞破壞，延長錨具的使用壽命，提高結(jié)構(gòu)的可靠性^{[1]。因此，孔道灌漿質(zhì)量的好壞，將直接影響整個預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，孔道灌漿已是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中的一道關(guān)鍵工序。}

實際工程中，因預(yù)應(yīng)力孔道灌漿質(zhì)量造成橋梁坍塌事故的報道屢見不鮮。1985年l2月位于英國南威爾士的Ynys-y-Gwas橋在清晨突然倒塌^{[2]。橋梁倒塌時，中間的9根I梁全部損壞，縱向接縫和橫向縫處的預(yù)應(yīng)力鋼索嚴(yán)重銹蝕。事后英國運(yùn)輸與道路研究實驗室(TRRI)對倒塌原因做了深入調(diào)查。檢查的I梁中24根縱向管道，其中的18根管道灌漿密實或只有小孔隙，4根管道存在使鋼絲束}

暴露在空氣中的大孔隙，還有兩根管道在一定長度內(nèi)中空，**大的孔隙通常出現(xiàn)在曲線管道的錨固端；檢查的14根橫向預(yù)應(yīng)力管道中，8根管道灌漿密實或只有小孔隙，3根管道存在使鋼絲束暴露在空氣中的大孔隙，另外三根管道幾乎全部是空的。調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，雖然在每根梁段內(nèi)僅含有微量的氯化物，但在縱向接縫和橫向接縫處氯化物的含量要高得多，使得縱向和橫向接縫處的預(yù)應(yīng)力鋼絲束銹蝕嚴(yán)重。由于孔道壓漿質(zhì)量差，特別是對于橫向管道存在著大量的孔隙，導(dǎo)致接縫處的銹蝕在灌漿不飽滿的管道內(nèi)沿梁寬方向延伸開，鋼絲束大面積銹蝕，承載截面損失，當(dāng)鋼絲束截面面積減小到無法承受外荷載時橋梁突然倒塌。類似倒塌的橋梁還有英國漢普郡的Bickton Meadows人行橋和比利時Schelde河上的一座橋梁^[3]。

國內(nèi)，在對錢江三橋隨機(jī)抽檢的35根管道檢查中發(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)無漿高達(dá)72%，不飽滿占11.42%，開孔流水達(dá)40%。這基本代表了我國孔道灌漿的質(zhì)量現(xiàn)狀——孔道灌漿質(zhì)量普遍很差，孔道灌漿不實。這給我國預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性埋下了巨大隱患。導(dǎo)致我國預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)孔道灌漿質(zhì)量普遍很差的主要原因有以下幾點(diǎn)：

(1)思想上重視不夠：在具體施工質(zhì)量控制中，業(yè)主、監(jiān)理、施工單位往往將預(yù)應(yīng)力工程的質(zhì)量重點(diǎn)放在預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉上，很少人關(guān)注灌漿的質(zhì)量。

(2)缺乏對灌漿質(zhì)量的優(yōu)劣進(jìn)行評價的有效檢測手段：缺少有效的檢測手段致使預(yù)應(yīng)力孔道灌漿質(zhì)量得不到有效的監(jiān)督。由于灌漿質(zhì)量從表面看來只影響預(yù)應(yīng)力筋的使用效率及壽命，一般不會導(dǎo)致構(gòu)件短時間內(nèi)被破壞。因此，該問題一直沒有引起足夠的重視，但到了一定時間，隱疾突發(fā)，后果將不堪設(shè)想。

(3)灌漿材料：灌漿用的水泥漿質(zhì)量好壞將直接關(guān)系到孔道灌漿質(zhì)量的好壞，目前國內(nèi)市場上充斥著良莠不齊的灌漿料產(chǎn)品，由于沒有專門的質(zhì)量要求及檢測方法，很難考證其質(zhì)量的優(yōu)劣，更無法判定其對預(yù)應(yīng)力筋耐久性的影響。

(4)灌漿工藝：由于缺乏系統(tǒng)試驗資料，目前灌漿工藝較為簡單，設(shè)備要求及工藝等很不規(guī)范，灌漿中存在的隱患較多。

(5)孔道灌漿技術(shù)規(guī)范：我國現(xiàn)行的孔道灌漿技術(shù)規(guī)范對灌漿材料、灌漿設(shè)備和灌漿工藝要求都十分低，同時對一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)缺乏相應(yīng)規(guī)定，如灌漿材料的耐久性指標(biāo)，這也間接導(dǎo)致了我國所用的灌漿材料品質(zhì)差，灌漿工藝落后。

二、應(yīng)用背景

在國內(nèi)，預(yù)應(yīng)力孔道灌漿所使用的傳統(tǒng)灌漿料一般為純水泥漿，施工時，采用水泥、水、減水劑、膨脹劑、增稠劑等進(jìn)行現(xiàn)場配制?，F(xiàn)場配制的灌漿料必須滿足：水灰比為0.40-0.45，摻入適量的減水劑，可以減小到0.35；灌漿料**大泌水率不得超過3%，泌水應(yīng)在24小時內(nèi)重新被灰漿吸收；灌漿料的粘稠度應(yīng)控制在14-18s；灌漿料在凝固前具備一定的膨脹作用；灌漿料試塊的抗壓強(qiáng)度不低于30MPa?，F(xiàn)場采用水泥、各種外加劑和水配制灌漿料，通常存在各種外加劑兼容性不良、水泥與減水劑適應(yīng)性差等問題，造成孔道灌漿存在以下嚴(yán)重問題：(1)漿體質(zhì)量穩(wěn)定性差、流動性差、流動性損失快，體積穩(wěn)定性不良；(2)新拌漿體泌水大，易離析分層，漿體中微沫多，流動性不好，凝結(jié)時間不適中，漿體壓漿時往往不順暢，易堵管，施工速度慢，孔道也很難成飽滿狀態(tài)等；(3)硬化后漿體不密實，氣泡、針隙類空隙多，與預(yù)應(yīng)力筋粘結(jié)不實，漿體中甚至有斷紋，孔道不飽滿，高點(diǎn)處漿體起粉等。上述問題不僅影響施工，而且直接關(guān)乎橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性及安全使用。

近年來，國內(nèi)對現(xiàn)場配制的傳統(tǒng)灌漿料進(jìn)行了一定的改善，采用水泥、水和外加劑包進(jìn)行配制，有效解決現(xiàn)場各種外加劑兼容性不良的問題，但由于我國地緣遼闊，各個地方用于生產(chǎn)水泥的原料性不同，生產(chǎn)出來的水泥差異很大，因而水泥與外加劑包適應(yīng)性差的問題仍然存在。

    在國外，孔道灌漿現(xiàn)場使用的灌漿料通常為預(yù)拌商品灌漿料，預(yù)拌商品灌漿料是工廠化的產(chǎn)品，事先通過試驗設(shè)計，然后在工廠配成均勻的粉體，包裝成袋，在施工現(xiàn)場只需按說明加水?dāng)嚢璩蓾{體即可。采用預(yù)拌商品灌漿料可以有效解決各種外加劑兼容性不良、水泥與減水劑適應(yīng)性差等問題。

目前，對預(yù)拌商品灌漿料的研究主要集中在灌漿料的改性，而采用超細(xì)水泥對水泥灌漿料進(jìn)行改性是目前研究的熱點(diǎn)。

美國的工程實踐表明超細(xì)水泥灌漿是一種極好的方法，可以灌入細(xì)砂和細(xì)裂縫的巖石與混凝土中，其可灌性能與化學(xué)漿材相當(dāng)^{[4]。德國的P.Noske指出超細(xì)水泥可以制成懸浮液應(yīng)用于巖土灌漿工程，成為化學(xué)灌漿材料的替代物，并且有不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)[5]。加拿大K.Salen和T.Mirzx在論文中指出200年以來灌漿漿液的特性己發(fā)生很大變化，由簡單泥漿懸浮液到水泥漿懸浮液、化學(xué)漿液(聚氨脂、環(huán)氧樹脂等)和超細(xì)水泥新品種。對于浮動裂隙或低溫下進(jìn)行灌漿還要保持結(jié)構(gòu)完整性，則推薦使用超細(xì)水泥[6]。瑞典P.Borchardt指出超細(xì)水泥及其添加劑的生產(chǎn)，使灌漿工藝獲得了新的可行方法，很多化學(xué)漿材耐久性差，并對環(huán)境有污染[7]。T.A.Melbye指出超細(xì)水泥有許多優(yōu)點(diǎn)，可以用普通水泥的灌漿技術(shù)和設(shè)備，比普通水泥具有更好的可灌性，可以代替化學(xué)漿材，具有良好的工作環(huán)境、耐久性好、強(qiáng)度高、比化學(xué)漿材更經(jīng)濟(jì)[8]。}

    在國內(nèi)，高校、科研機(jī)構(gòu)同樣對灌漿材料的改性做了大量研究工作。同濟(jì)大學(xué)混凝土材料國家重點(diǎn)試驗室對摻礦物微粉的水泥漿體進(jìn)行了一系列的研究。他們主要考察了礦物微粉顆粒特征及摻量與水泥漿體流變性能之間的關(guān)系。并且在幾個顆粒群特征參量中，分別確定其一，變化其它參量進(jìn)行對比試驗，以確定水泥漿體流變性能的變化規(guī)律^{[9]。張雄等人在這一方面也進(jìn)行了一些研究。他們在研究中發(fā)現(xiàn)，特殊混合材的摻量對水泥漿的屈服應(yīng)力與粘度有著很大的影響。并且不同的混合材對漿體流變性能的影響也有著很大的差異[10]。長江水利委員會的陳明祥針對目前國內(nèi)外出現(xiàn)大壩基礎(chǔ)灌漿帷幕衰減和失效的事例，認(rèn)為對于水泥灌漿存在的問題應(yīng)從材料本身來解決，并對灌漿水泥的原材料選擇提出了建議[11]。國家建材研究院在研究灌漿材料過程中，探索了不同礦物摻和料對材料可灌性的影響，得出了很多工程上的實際數(shù)據(jù)[12]。他們認(rèn)為，礦物摻和料的細(xì)度是對水泥漿體流變性能影響的主要因素，不同摻量時對漿體的流變性能影響有很大的差異。重慶大學(xué)材料學(xué)院的張馳等人利用磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)礦渣和硅灰作為礦物摻和料，分別研究了礦物摻合料、高效減水劑以及它們的復(fù)合作用對水泥漿體流變性能的影響情況。他們在研究中發(fā)現(xiàn)：礦物摻合料和高效減水劑雙摻時，大大提高了水泥漿體的流動性[13]。}

對比國內(nèi)外孔道灌漿料應(yīng)用和研究現(xiàn)狀可知，國內(nèi)孔道灌漿料應(yīng)用水平較國外差，這直接導(dǎo)致國內(nèi)孔道灌漿質(zhì)量差。因此，盡快與國際接軌，發(fā)展預(yù)拌商品灌漿料是我國孔道灌漿料的發(fā)展方向。

中橋CHIDGECG-100預(yù)應(yīng)力孔道灌漿料是湖北中橋科技有限公司生產(chǎn)的商品預(yù)拌灌漿料：用于后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)管道灌漿，由交通部公路科學(xué)研究院監(jiān)制，具有高流動性、低粘度、無泌水、微膨脹的特性。

三、灌漿料性能檢測

預(yù)應(yīng)力孔道灌漿料的主要作用是為預(yù)應(yīng)力筋和周圍混凝土之間提供可靠的粘結(jié)力確?；炷僚c預(yù)應(yīng)力筋的協(xié)同工作，傳遞預(yù)應(yīng)力并保護(hù)預(yù)應(yīng)力筋免受腐蝕?？椎拦酀{料質(zhì)量是保證后張預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的關(guān)鍵因素。為保證預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量和耐久性，本項目按照孔道灌漿的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對孔道灌漿料進(jìn)行流動度、凝結(jié)時間、強(qiáng)度、泌水率和膨脹率，以檢驗現(xiàn)場應(yīng)用的產(chǎn)品性能。

制備灌漿材料時，采用高速攪拌機(jī)攪拌，見圖3-1。攪拌前攪拌鍋和攪拌葉先用濕布擦過，將攪合用水加入攪拌鍋，低速攪拌并緩緩加入灌漿材料。形成均勻的漿體后，高速攪拌5min。低速攪拌時攪拌葉片圓周切線速度不低于2.5ms，高速攪拌時攪拌葉片圓周速度不低于10.0 ms。

圖3-1 實驗室灌漿料高速攪拌

A）流變性能

漿體的流變性如何直接決定著漿體的工作性和壓漿質(zhì)量。對于某些灌漿料而言，由于其具有高粘度，流動性不好，導(dǎo)致灌漿速度小于漿體在管道中自流速度，使得漿體在管道中流動較慢，流動情況如圖3-2所示，這樣在施工中由于排氣孔設(shè)置不合理以及排氣不充分，很容易造成空洞。但如果漿體流動性好，灌漿速度很快，漿體在管道中流動流動情況如圖3-3所示，則更容易排氣，保證灌漿質(zhì)量。

圖3-2  灌漿速度較小時漿體的流動情況

圖3-3  灌漿速度較大時漿體的流動情況

PTGS規(guī)定流動性能試驗方法參照 ASTM C939-97，用1725ml 新拌漿體從流錐中流下的時間即流動度來表示漿體的流動性能。

（1） 試驗儀器：流錐、秒表。

流動度測試儀—流動錐，尺寸如圖3-4所示。

流動錐的校準(zhǔn)：1725mL±5 mL水流出的時間應(yīng)為8.0s±0.2s。

（2） 試驗方法

先將漏斗調(diào)整放平，關(guān)上底口活門，將攪拌均勻的漿體注入漏斗內(nèi)，直至漿體液面觸及點(diǎn)規(guī)下端（1725mL±5 mL漿體）。開啟活門，使?jié){體自由流出，記錄漿體全部流程時間（s），現(xiàn)場測試如圖3-5所示；

圖3-5 現(xiàn)場測試灌漿料流動度

出機(jī)流動度測試完畢，將所有漿體轉(zhuǎn)入攪拌鍋，靜置30min。在1500rmin下攪拌1min，測試其30min流動度；

B）自由泌水率和自由膨脹率

根據(jù)《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（2000）要求，用于后張預(yù)應(yīng)力孔道灌漿的水泥漿，3h后泌水率不宜超過2%，24h后，泌水應(yīng)能夠被水泥漿完全吸收。但實際上，及時泌水經(jīng)過24h被水泥漿完全吸收，也會在硬化后的水泥石中留下空隙或孔洞。同樣，灌漿料灌入孔道后若收縮也會在孔道中產(chǎn)生孔隙或孔洞，這種空隙或孔洞不但會影響水泥石與預(yù)應(yīng)力筋的粘結(jié)性能，也會使腐蝕物質(zhì)深入并接觸到預(yù)應(yīng)力筋，因此，灌漿料配制關(guān)鍵的是不泌水、微膨脹。

自由泌水率和自由膨脹率試驗方法參照ASTM C940-98a，但作了少許修改，試驗見圖3-6。往1000mL的量筒內(nèi)慢慢注入(800±10) mL新拌漿體，記錄漿料液面所到達(dá)的刻度( V0) ;把預(yù)應(yīng)力索插入量筒，并用一個圓塑料薄片套在量筒口，用于對預(yù)應(yīng)力索的取中固定，使預(yù)應(yīng)力索的軸向與量筒的垂直軸線保持平行，并防止水分蒸發(fā)，同時再次記錄灌漿料液面到達(dá)的刻度( V1)；開始的1h內(nèi)每15min讀取一次漿體和泌水液面分別到達(dá)的刻度(分別為Vg，V2) ，此后每小時記一次，整個過程共持續(xù)3h；3h結(jié)束時，傾斜量筒，把泌水用吸管吸出來，放到25mL的量筒中，讀數(shù)為Vw。

圖3-6  灌漿料自由泌水率和自由膨脹率測試

用以下公式計算各階段相應(yīng)的體積膨脹率和泌水率:

Vp = ( Vg - V1 )PV1 ×100 %------------- (1)

Vc = ( V2 - V1 )PV1 ×100 % -------------(2)

B = ( V2 - Vg)PV1 ×100 % ---------------(3)

B3 = Vw×PV0 ×100 %------------------- (4)

式中：Vp為膨脹率，Vc為聯(lián)合膨脹率， B為泌水率， B3為3h 泌水率。此試驗方法更好地模擬了灌漿料的真實工作環(huán)境，測量得到的數(shù)據(jù)更具意義。

C）凝結(jié)時間

凝結(jié)時間試驗參照GBT 1346 水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、安定性、凝結(jié)時間檢驗方法，測試見圖3-7：

圖3-7  灌漿料凝結(jié)時間測試

D）抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度

抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗方法參照GBT 17671-1999水泥膠砂強(qiáng)度試驗方法。

實驗室灌漿料檢測結(jié)果見表3-1。

表3-1 預(yù)應(yīng)力灌漿料性能檢驗

四、現(xiàn)場應(yīng)用

荊岳長江公路大橋位于湖北、湖南兩省交界處的長江城螺（湖南岳陽城陵磯----湖北荊州監(jiān)利白螺）河段上，大橋主體工程為跨南汊深泓主橋和跨北汊灘橋：主橋為主跨816米混合梁斜拉橋，跨度布置為（100+298）m+816m+（80+2×75）m，橋塔為 H型，南塔高224.5m，承建方為湖南路橋有限公司；北塔高267m，承建方為四川路橋有限公司；北灘橋為100 m＋5×154m+100m七孔預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)梁橋，承建方為中交二公局。

自2009年10月14日起，CG-100預(yù)應(yīng)力管道灌漿料用于荊岳長江公路大橋預(yù)應(yīng)力管道灌漿，已成功應(yīng)用于二公局18^{#~24#墩箱梁灌漿，應(yīng)用效果良好。}

湖南路橋：在荊岳長江大橋主橋南邊跨N14＃～N38＃、南引橋全線預(yù)應(yīng)力管道灌漿施工中使用。

四川路橋：我項目部自2009年10月14日起，在荊岳長江大橋20?！?6＃墩箱梁預(yù)應(yīng)力管道灌漿施工中采用了湖北中橋科技有限公司生產(chǎn)的 CHIDGE CG－100預(yù)應(yīng)力管道高性能灌漿材料，與傳統(tǒng)材料相比，該材料水灰比0.27，比傳統(tǒng)灌漿料的水灰比低、流動性好、無泌水、微膨脹，性能穩(wěn)定，施工效果好。

灌漿料儲備

 邊跨箱梁孔道灌漿