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橋梁預應力管道CG-100高性能灌漿材料現(xiàn)場工藝試驗研究

1.概述隨著我國基礎建設設施的蓬勃發(fā)展，預應力混凝土結構因其顯著的技術經(jīng)濟優(yōu)勢而在大型橋梁結構中廣泛應用。預應力混凝土結構的所有優(yōu)勢，都必須建立在預應力筋與結構混凝土粘結完好的基礎上。預應力混凝土結構體系中，管道灌漿的作用主要有三點：一是保護預應力鋼筋不外露而遭銹蝕，保證預應力混凝土結構的安全；二是使預應力鋼筋與混凝土有良好的粘結，保證它們之間預應力的有效傳遞，使預應力鋼筋與混凝土共同作用；三是消除預應力混凝土結構在反復荷載作用下應力變化對錨具造成的疲勞破壞，延長錨具的使用壽命，提高結構的可靠性。因此，管道灌漿質(zhì)量的好壞，將直接影響整個預應力混凝土結構的安全性和可靠性，管道灌漿已是預應力混凝土結構施工過程中的一道關鍵工序。實際工程中，因預應力管道灌漿質(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。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應力鋼索嚴重銹蝕。事后英國運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根橫向預應力管道中，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應力鋼絲束銹蝕嚴重。由于管道壓漿質(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。

國內(nèi)，在對錢江三橋隨機抽檢的35根管道檢查中發(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)無漿高達72%，不飽滿占11.42%，開孔流水達40%。這基本代表了我國管道灌漿的質(zhì)量現(xiàn)狀——管道灌漿質(zhì)量普遍很差，管道灌漿不實。這給我國預應力混凝土結構的質(zhì)量和耐久性埋下了巨大隱患。

為了保證我國預應力混凝土工程的質(zhì)量和耐久性，必須對管道灌漿技術進行認真深入的研究。本項目分別選取四種典型灌漿料，通過30m矩形梁和300m超長索試驗，開展現(xiàn)場灌漿工藝研究，驗證中橋CG-100高性能灌漿料及灌漿設備的技術先進性。

2.管道灌漿問題分析及現(xiàn)狀

據(jù)有關文獻資料研究結果，導致我國預應力混凝土結構管道灌漿質(zhì)量普遍較差的主要原因有以下幾點：

（1）灌漿材料：灌漿用的水泥漿質(zhì)量好壞將直接關系到管道灌漿質(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，更無法判定其對預應力筋耐久性的影響。

（2）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，設備要求及工藝等很不規(guī)范，灌漿中存在的隱患較多。

（3）管道灌漿技術規(guī)范：我國現(xiàn)行的管道灌漿技術規(guī)范對灌漿材料、灌漿設備和灌漿工藝要求都十分低，同時對一些關鍵技術指標缺乏相應規(guī)定，如灌漿材料的耐久性指標，這也間接導致了我國所用的灌漿材料品質(zhì)差，灌漿工藝落后。

（4）缺乏對灌漿質(zhì)量的優(yōu)劣進行評價的有效檢測手段：缺少有效的檢測手段致使預應力管道灌漿質(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應力筋的使用效率及壽命，一般不會導致構件短時間內(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)，后果將不堪設想。

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

2.1.管道灌漿料現(xiàn)狀

在國內(nèi)，預應力管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%，泌水應在24小時內(nèi)重新被灰漿吸收；灌漿料的粘稠度應控制在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、水泥與減水劑適應性差等問題，造成管道灌漿存在以下嚴重問題：（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，凝結時間不適中，漿體壓漿時往往不順暢，易堵管，施工速度慢，管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，與預應力筋粘結不實，漿體中甚至有斷紋，管道不飽滿，高點處漿體起粉等。上述問題不僅影響施工，而且直接關乎橋梁結構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)灌漿料進行了一定的改善，采用水泥、水和外加劑包進行配制，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性差的問題仍然存在。

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

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

美國的工程實踐表明超細水泥灌漿是一種極好的方法，可以灌入細砂和細裂縫的巖石與混凝土中，其可灌性能與化學漿材相當。德國的P.Noske指出超細水泥可以制成懸浮液應用于巖土灌漿工程，成為化學灌漿材料的替代物，并且有不污染環(huán)境的優(yōu)點。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、化學漿液(聚氨脂、環(huán)氧樹脂等)和超細水泥新品種。對于浮動裂隙或低溫下進行灌漿還要保持結構完整性，則推薦使用超細水泥。瑞典P.Borchardt指出超細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，很多化學漿材耐久性差，并對環(huán)境有污染。T.A.Melbye指出超細水泥有許多優(yōu)點，可以用普通水泥的灌漿技術和設備，比普通水泥具有更好的可灌性，可以代替化學漿材，具有良好的工作環(huán)境、耐久性好、強度高、比化學漿材更經(jīng)濟。

在國內(nèi)，高校、科研機構同樣對灌漿材料的改性做了大量研究工作。同濟大學混凝土材料國家重點試驗室對摻礦物微粉的水泥漿體進行了一系列的研究。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，變化其它參量進行對比試驗，以確定水泥漿體流變性能的變化規(guī)律。張雄等人在這一方面也進行了一些研究。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。長江水利委員會的陳明祥針對目前國內(nèi)外出現(xiàn)大壩基礎灌漿帷幕衰減和失效的事例，認為對于水泥灌漿存在的問題應從材料本身來解決，并對灌漿水泥的原材料選擇提出了建議。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)。他們認為，礦物摻和料的細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。重慶大學材料學院的張馳等人利用磨細粉煤灰、磨細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。

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

2.2.管道灌漿設備及工藝現(xiàn)狀

預應力混凝土結構管道灌漿由漿體的拌制和灌漿工藝兩部分組成，灌漿工藝包括傳統(tǒng)的常規(guī)灌漿工藝和近年來興起的真空灌漿工藝。

（1）漿體的拌制

國內(nèi)拌制灌漿料漿體時，通常采用慢速攪漿機，其攪拌原理為慢速剪切，轉(zhuǎn)速一般低于100轉(zhuǎn)分鐘。慢速攪攪漿機適用于水灰比大、易分散的灌漿料。對于新型高性能灌漿料，由于水灰比小、粘度大，已不再適用。有研究資料表明，采用高速攪拌機拌制的低水灰比(水灰比為0.35)灌漿料漿體流錐時間、泌水率、強度、膨脹率指標，均好于慢速攪漿機。因此，開發(fā)與新型高性能灌漿料相配套的攪漿設備十分必要，它不僅能夠提高現(xiàn)場工作效率，而且非常有利于提高灌漿質(zhì)量。

（2）常規(guī)灌漿工藝

常規(guī)灌漿工藝是壓力灌漿，使用柱塞泵，壓力在0.5-1.0MPa，將漿體壓入管道，并沿管道設置的高點和低點排氣孔排氣。常規(guī)灌漿工藝有一定的局限性，主要表現(xiàn)為：灌入的漿體中常會含有氣泡，當混合料硬化后，存積氣泡處會變?yōu)榭紫?，成為滲透雨水的聚積地，這些水可能含有有害成分，易造成對構件的腐蝕；同時，在北方嚴寒地區(qū)，由于溫度低，這些水會結成冰，可能脹裂構件，造成嚴重的后果；另外水泥漿容易泌水離析，干硬后收縮，泌水處可能產(chǎn)生空洞，致使強度不夠，粘結不好，為工程留下隱患。為了防止預應力筋被腐蝕，提高結構的安全度和耐久性，確保工程質(zhì)量，目前國外已開始普遍采用真空灌漿工藝。

（3）真空灌漿工藝

真空灌漿工藝不同于常規(guī)灌漿工藝，它是采用真空泵抽吸預應力管道中的空氣，使管道達到負壓0.1MPa左右的真空度，然后在管道的另一端用壓漿機以不小于0.7MPa的正壓力將水泥漿壓入預應力管道，以此提高管道灌漿的密實度。

真空灌漿工藝和傳統(tǒng)的常規(guī)灌漿工藝相比，灌漿過程連續(xù)迅速，減小了曲線管道中將體自身引起的壓力差，特別對于一些異形管道的關鍵部位，提高了管道灌漿的密實性，在鋼束曲率半徑較小及鋼束過長的情況下、常規(guī)灌漿工藝不好施工的結構中取得了良好的效果。

必須引起重視的是，真空灌漿工藝并不是萬能的。潤揚長江大橋研究表明：在兩端高差較大的情況下，真空灌漿工藝的效果比常規(guī)灌漿工藝的效果差，鋼管頂部出現(xiàn)空管現(xiàn)象，需要采用二次補漿的措施。因此在實際橋梁具體施工環(huán)境下如何把握真空灌漿工藝還有待進一步研究。

綜合常規(guī)灌漿工藝和真空灌漿工藝的研究現(xiàn)狀，兩種灌漿工藝法都存在一定的不足。尤其值得關注的是：無論采用常規(guī)灌漿工藝還是真空灌漿工藝，現(xiàn)場灌漿料攪拌時，各種配料幾乎采用人工計量，摻量得不到嚴格控制，攪拌出的漿體與設計的配比不符。因此，開展改進灌漿工藝的研究，開發(fā)全機械化、全自動化控制的計量控制系統(tǒng)，對于提高工作效率、保證管道灌漿施工質(zhì)量有著重大意義。

2.3管道灌漿相關技術規(guī)范現(xiàn)狀 2.3.1國外管道灌漿技術規(guī)范

國外管道灌漿技術規(guī)范以歐盟規(guī)范BS EN 445446447:2007——Grout for prestressing tendons和美國后張預應力協(xié)會(PTI) 規(guī)范"Specification for Grouting of Post-Tensioned Structures"**具有代表性，其他還包括美國佛羅里達交通局(FlaDOT)制定的管道灌漿技術規(guī)范。

（一）歐盟規(guī)范

歐盟規(guī)范BS EN 445446447:2007——Grout for prestressing tendons詳細規(guī)定了管道灌漿料的技術指標要求、灌漿料各種性能指標測試方法以及管道灌漿施工工藝，是目前國際上**為先進的預應力管道灌漿技術規(guī)范，本節(jié)將重點介紹。

歐盟標準BS EN 445446447:2007——Grout for prestressing tendons中規(guī)定用于預應力管道灌漿的灌漿料技術指標包括有害離子含量、細度、流動性、泌水性、體積穩(wěn)定性、強度、凝結時間和密度八大指標，具體技術要求及測試方法如下：

（1）有害離子含量

預應力管道灌漿料中的有害離子包括Cl^{-^{、SO_{3_{^{2-^{和S^{2-^{，規(guī)范規(guī)定Cl^{-^{、SO3^{2-^{和S^{2-^{含量分別不超過水泥重量的0.1%、4.5%和0.01%。}}}}}}}}}}}}}}

（2）細度

采用篩孔通過率來表征灌漿料細度，規(guī)定2mm篩孔通過率為100%。

（3）流動性

采用流出時間或擴展度來表征灌漿料流動性。規(guī)定初始流出時間不大于25s，30min后流出時間在0.8-1.2倍初始流出時間之間，同時不大于25s；規(guī)定初始擴展度不小于140mm，30min后擴展度在0.8-1.2倍初始擴展度之間，同時不小于140mm。

（4）泌水性

采用泌水率來表征灌漿料泌水性。規(guī)定灌漿料3h后泌水率不大于0.3%。泌水率測試方法分斜管法和直管法。

（5）體積穩(wěn)定性

采用體積變化率表征灌漿料體積穩(wěn)定性，規(guī)定體積變化率在-1%~+5%之間。體積變化率采用直管法測定，體積變化率表示為(hg-h0)h0×100%。

（6）強度

成型40×40×160mm棱柱體用于測定灌漿料抗壓強度，規(guī)定3d抗壓強度不小于27MPa，28d抗壓強度不小于30MPa。

（7）凝結時間

規(guī)定初凝時間不小于3h，終凝時間不大于24h。

（8）密度

要求測試灌漿料密度，但對密度具體指標無要求。

（二)美國后張預應力協(xié)會(PTI) 規(guī)范

美國后張預應力協(xié)會(PTI) 規(guī)范"Specification for Grouting of Post-Tensioned Structures"中對預應力管道灌漿料技術指標規(guī)定包括流動性、泌水性、體積穩(wěn)定性、凝結時間、強度和抗?jié)B性，具體指標要求見表2-1。相比歐盟標準BS EN 445446447:2007，后張預應力協(xié)會(PTI) 規(guī)范增加了對灌漿料的抗?jié)B性要求，但缺少對有害離子含量和細度的規(guī)定。

表2-1 后張預應力協(xié)會(PTI) 規(guī)范規(guī)定的管道灌漿料技術指標要求

技術指標		指標要求
初始流動度t_{0_s}		11s~30s
30min后流動度t_{30_s}		≤30s
抗壓強度MPa	7d		≥21
抗壓強度MPa
28d	≥35
泌水率%	0~3h		0
體積變化率%		0%~0.1%
凝結時間h	初凝		3~12h
凝結時間h
終凝	——
抗?jié)B性C		≤2500

(三)美國佛羅里達交通局規(guī)范

美國佛羅里達交通局(FlaDOT)制定的管道灌漿技術規(guī)范，對管道灌漿料的技術指標要求包括凝結時間、強度、抗?jié)B性、體積變化率(早期、后中期)、流動性、泌水性、氯離子含量，具體技術要求見表2-2。美國標準和歐盟標準相比，由于測試方法的不一樣，導致指標要求相差較大。

表2-2 美國佛羅里達交通局(FlaDOT)規(guī)范規(guī)定的管道灌漿料技術指標要求

技術指標		指標要求		測試方法
初凝時間h		3-12		ASTM C953-87
抗壓強度MPa	7d		----		ASTM C942-99
抗壓強度MPa					ASTM C942-99
28d	≥43.3
流動性s	初始		11-30		ASTM C939-97
流動性s					ASTM C939-97
30min	≤30
泌水率%	0~3h		0		ASTM C940-98a
					ASTM C940-98a
膨脹率%	0~3h		0.0~2.0
體積變化率%	24h		0.0-0.2		ASTM C1090-96
體積變化率%					ASTM C1090-96
28d	0.0-0.2
抗?jié)B性C	28d		≤2500		ASTM C1202-97
總氯離子含量	28d		≤0.08		ASTM C1152C

2.3.2國內(nèi)管道灌漿技術規(guī)范

(一)交通部技術規(guī)范

2000年交通部對原有《公路橋涵施工技術規(guī)范》進行了修訂，形成修訂版《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTJ041-2000），規(guī)定了用于管道灌漿材料的技術指標要求、管道灌漿施工工藝和壓漿質(zhì)量檢測辦法。規(guī)范中規(guī)定管道灌漿宜采用水泥漿，水泥漿的強度應符合設計規(guī)定，設計無具體規(guī)定時，應不低于30MPa。對截面較大的管道，水泥漿中可摻入適量的細砂。水泥漿的技術條件應滿足：①水灰比宜為0.40-0.45，摻入適量減水劑時，水灰比可減小到0.35；②水泥漿的泌水率**大不得超過3%，拌和后3h泌水率宜控制在2%，泌水應在24h內(nèi)重新全部被漿吸回；③通過試驗后，水泥漿中可摻入適量膨脹劑，但其自由膨脹率應小于10%；④水泥漿稠度宜控制在14~18s之間。同時，規(guī)范規(guī)定壓漿后應從檢查孔抽查壓漿的密實情況，如有不實，應及時處理和糾正。壓漿時，每一工作班應留取不少于3組的70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體試件，標準養(yǎng)護28d，檢查其抗壓強度，作為評定水泥漿質(zhì)量的依據(jù)。

縱觀《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTJ041-2000）對管道灌漿料的規(guī)定，其技術指標要求和施工工藝都比較籠統(tǒng)，對施工缺乏具體指導意義。

(二)國家標準（GBT504482-2008）

2008年3月31日，**住房和城鄉(xiāng)建設部與國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了國家標準《水泥基灌漿材料應用技術規(guī)范》（GBT504482-2008），全面規(guī)定了用于管道灌漿的水泥基灌漿材料性能指標(見表2-3)、不同環(huán)境條件下管道灌漿料的設計選型、管道灌漿施工工藝和管道灌漿質(zhì)量驗收標準。該標準對預應力管道灌漿施工具有較強的指導意義。

表2-3 水泥基灌漿材料技術指標要求(GBT504482-2008)

類別

Ⅰ類

Ⅱ類

Ⅲ類

Ⅳ類

**大集料粒徑(mm)

≤4.75

＞4.75且≤16

流動度(mm)

初始值

≥380

≥340

≥290

≥270

≥650

30min保留值

≥340

≥310

≥260

≥240

≥550

豎向膨脹率(%)

0.1-3.5

24h與3h膨脹值之差

0.02-0.5

抗壓強度(MPa)

≥20.0

≥40.0

28d

≥60.0

對鋼筋有無銹蝕作用

無

泌水率(%)

(四)鐵道部技術規(guī)范

2008年7月1日，鐵道部發(fā)布了鐵道部行業(yè)標準《鐵路后張法預應力混凝土梁管道壓漿技術條件》（TBT 3192-2008），規(guī)定了鐵路后張法預應力混凝土梁管道壓漿料和壓漿劑的原材料技術要求，管道壓漿材料拌制的漿體性能指標、壓漿施工工藝和壓漿質(zhì)量驗收標準，管道壓漿漿體的性能指標見表2-4。

表2-4 漿體性能技術指標要求（TBT 3192-2008）

技術指標		指標要求
凝結時間 h	初凝		≥4
凝結時間 h
終凝	≤24
流動度 s	初始流動度		18±4
流動度 s
30min流動度	≤30
泌水率 %	24h自由泌水率		0
泌水率 %
3h毛細泌水率	≤0.1
壓力泌水率 %	0.22MPa(當管道垂直高度小于等于1.8m時)		≤3.5
壓力泌水率 %			≤3.5
0.36MPa(當管道垂直高度大于1.8m時)
充盈度		合格
7d強度 MPa	抗折		≥6.5
7d強度 MPa
抗壓	≥35
28d強度 MPa	抗折		≥10
28d強度 MPa
抗壓	≥50
24h自由膨脹率%		0-3
對鋼筋銹蝕作用		對鋼筋無銹蝕作用
含氣量%		1-3

2.3.3國內(nèi)外管道灌漿技術規(guī)范對比

對照國外先進管道灌漿技術規(guī)范可知，我國管道灌漿技術規(guī)范相對落后，具體體現(xiàn)在以下三個方面：

（1）國外對管道灌漿十分重視，歐盟制定了3個標準，用于規(guī)范管道灌漿的技術指標、檢測方法和灌漿工藝；美國后張預應力協(xié)會和州交通局也都制定了相關技術標準，用于規(guī)范管道灌漿。我國對管道灌漿重視程度不夠，交通行業(yè)無專項管道灌漿技術規(guī)范，只是在《公路橋涵施工技術規(guī)范》一節(jié)內(nèi)容中做了簡單規(guī)定，且規(guī)定內(nèi)容對指導工程缺乏實際作用；

（2）國外管道灌漿技術規(guī)范對灌漿料的技術指標控制更為全面，國內(nèi)管道灌漿技術規(guī)范對灌漿料的質(zhì)量控制主要體現(xiàn)在凝結時間、流動度、強度、泌水性、體積穩(wěn)定性和對鋼筋有無銹蝕6大技術指標，國外標準除上述6大指標外，還規(guī)定了灌漿料的抗?jié)B性、有害離子含量和密度指標。

(3)國外管道灌漿料的性能測試方法更接近于灌注實際，試驗條件更為嚴酷。而國內(nèi)管道灌漿料的性能測試方法主要基于室內(nèi)試驗，且技術指標控制較為寬松，市場上大多數(shù)灌漿料(無論品質(zhì)好壞)能滿足要求，室內(nèi)試驗檢測結果對實際工程缺乏指導意義。

因此借鑒國外先進管道灌漿技術規(guī)范，編寫我國交通行業(yè)管道灌漿技術規(guī)范，制定更為全面的管道灌漿料技術控制指標、更為嚴格的技術指標要求以及更為接近現(xiàn)場實際的測試方法，對于提高我國管道灌漿技術水平，保障后張預應力結構質(zhì)量具有重大的意義。

3.技術路線

研究的技術路線如圖3-1所示：

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圖3-1 技術路線圖

4主要研究內(nèi)容

本項目在調(diào)研和試驗論證的基礎上，研究制定了接近工程實際、較為嚴格的高性能管道灌漿材料的性能檢驗指標和試驗方法；同時，針對傳統(tǒng)灌漿設備存在的問題，研究開發(fā)了集高速制漿機-儲漿罐-壓漿泵為一體的管道灌漿設備工作站；

在此基礎上，在荊岳大橋工地開展了現(xiàn)場工藝試驗研究，對比研究不同灌漿料的性能檢測指標、現(xiàn)場灌漿時漿料的流動度、充盈度指標，以及不同壓漿工藝、不預應力管道布設、不同索數(shù)和管長條件下的灌漿質(zhì)量。

4.1試驗方法

本項目參考國內(nèi)外相關標準，研究制定了管道灌漿料的性能檢驗指標和試驗方法，包括流動度、泌水率和膨脹率、凝結時間、強度、抗氯離子滲透性能。

4.1.1流動度

參照我國《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTJ041-2000），與美國 ASTM C939-97試驗方法相同。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4-1所示。

流動錐的校準：1725mL±5 mL水流出的時間應為8.0s±0.2s。

（2）試驗方法

先將漏斗調(diào)整放平，關上底口活門，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4-2所示；

出機流動度測試完畢，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；

SHAPE \* MERGEFORMAT 文本框: 76mm 文本框: 192mm 文本框: 38mm

SHAPE \* MERGEFORMAT

4.1.2泌水率和膨脹率

泌水會在硬化后的水泥石中留下空隙或孔洞，灌漿料灌入管道后若收縮也會在管道中產(chǎn)生孔隙或孔洞，不但會影響水泥石與預應力筋的粘結性能，也會使腐蝕物質(zhì)深入并接觸到預應力筋，因此，灌漿料配制關鍵的是不泌水、微膨脹。

4.1.2.1量筒法

參照我國《公路橋涵施工技術規(guī)范》（JTJ041-2000），與美國ASTM C940-98a測試方法相同。

試驗方法：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的刻度( V0) ，把預應力索插入量筒，并用一個圓塑料薄片套在量筒口，用于對預應力索的取中固定，使預應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。

用以下公式計算各階段相應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。

圖4-3 灌漿料自由泌水率和自由膨脹率測試

4.1.2.2傾斜管法

按照BS EN445：2007標準試驗方法測試泌水率，該標準規(guī)定灌漿料3h后泌水率不大于0.3%。

圖4-4是斜管法測試裝置示意圖，斜管法測試采用直徑約為80mm，長度為5m的透明管，與水平面呈30°傾角固定，透明管內(nèi)部放置12根的鋼絞線，直徑為15-16mm，長度約為5m。斜管法測試時，由下往上平行灌注2根透明管，當上部排氣孔排出的灌漿料稠度與下部灌入灌漿料稠度一致時，灌漿結束。**根透明管測試初始、30min、1h、3h和24h的泌水率；第二根透明管測試完初始、30min的泌水率后進行二次灌漿，之后測試1h、3h和24h的泌水率。

1——排氣孔和停止閥門；2——空氣；3——水；

4——透明管；5——12股鋼絞線；6——灌漿口

圖4-4 斜管法測試灌漿料泌水率裝置示意圖(尺寸單位 mm)

4.1.2.3直管法

圖4-5是直管法測試裝置示意圖。直管法測試采用直徑約為60-80mm，長度為1m的透明管，與水平面垂直固定，透明管內(nèi)放置1根7索的鋼絞線，長度約為900mm。斜管法測試時，由上往下灌注透明管，灌漿料灌注高度超過鋼絞線10mm時，停止灌漿，將上部端口密封，觀測初始、15min、30min、45min、1h、2h、3h、24h的泌水率。

1——密封口；2——空氣；3——水；

4——灌漿料；5——透明管；6——鋼絞線，鋼絲或鋼筋

圖4-5 直管法測試灌漿料泌水率裝置示意圖(尺寸單位 mm)

4.1.3凝結時間

凝結時間試驗參照GBT 1346 水泥標準稠度、安定性、凝結時間檢驗方法，測試見圖4-6。

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圖4-6 灌漿料凝結時間測試

4.1.4抗壓強度與抗折強度

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

4.1.5氯離子擴散系數(shù)與抗凍性能

預應力管道灌漿料耐久性主要體現(xiàn)在抗侵蝕和抗凍性兩個方面，本項目中硬化灌漿料的氯離子擴散系數(shù)測試方法參考依據(jù)DuraCrete非穩(wěn)態(tài)電遷移試驗原理 ( Rapid Chloride Migration Method of Concrete, Compliance Testing for Probabilistic Design Purposes, The European Union-Brite EuRam III, March 1999 ) 制定的“快速氯離子遷移法（RCM）”進行試驗，試驗儀器見圖4-7。

試驗原理：利用外加電場的作用使試件外部的氯離子向試件內(nèi)部遷移。經(jīng)過一段時間后，將該試件沿軸向方向劈裂，在新劈開的斷面上噴射硝酸銀溶液，根據(jù)生成的白色氯化銀沉淀測量氯離子滲透的深度，以此計算出氯離子擴散系數(shù)。

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圖4-7 灌漿料氯離子擴散系數(shù)測試

4.1.6抗凍性能

抗凍性試驗方法參照GBT 50082-2009抗凍試驗慢凍法進行。

4.2設備研制 4.2.1傳統(tǒng)設備

傳統(tǒng)制漿灌漿設備包括高速制漿機、儲漿罐、壓漿機。目前國內(nèi)高速制漿機制漿濃度許用水灰比為0.5：1，在制備小于0.5：1的低水灰比濃漿時，水泥在制漿機桶內(nèi)容易成團，影響漿液質(zhì)量。此外，制漿過程中水和灌漿料的計量均為人工計量，計量管理粗放，水灰比控制不夠嚴格，使灌漿料質(zhì)量穩(wěn)定性波動較大。

儲漿罐多為靜置儲漿，要求灌漿過程迅速連續(xù)不中斷，若灌漿時間過長（超過30分鐘）灌漿料極易出現(xiàn)分層、流動度損失等問題，嚴重影響灌漿質(zhì)量。

4.2.2新設備開發(fā)

新型灌漿材料一般水灰比極低，漿液濃。傳統(tǒng)高速制漿機無法滿足高性能管道灌漿料的制漿要求，為此特開發(fā)出可制備水灰比0.27：1水泥濃漿的高速攪拌機，見下圖4-8所示。該攪拌機一次可制漿400L，其工作原理是電動機驅(qū)動高速剪切泵開式葉輪旋轉(zhuǎn)剪切，產(chǎn)生高速液流，在桶內(nèi)形成強烈渦流，使物料充分均勻攪拌，桶內(nèi)斜置攪拌槳架，對桶內(nèi)漿液進行機械攪拌，從而達到高速制備濃漿的目的。

圖4-8 ZJ-400W高速攪拌機

同時，為更好地保持灌漿料的穩(wěn)定性和工作性，對傳統(tǒng)儲漿罐進行改良開發(fā)出新型儲漿罐。該儲漿罐可儲漿1200L，罐內(nèi)增設上、中、下三層攪拌葉片，儲漿的同時進行低速攪拌。

為更好的控制灌漿質(zhì)量，精確控制灌漿料的水灰比、減小人為誤差，有必要對灌漿材料和水進行自動化電子計量。目前，中橋公司正在進行高速制漿機-儲漿罐-壓漿泵工作站的開發(fā)，該工作站應可進行物料的自動計量及對灌漿料的質(zhì)量進行精細化控制。

4.3現(xiàn)場工藝試驗

選取四種典型管道灌漿料材料開展矩形梁模型試驗和超長預應力索模型試驗。分別采用9股、16股、25股及精軋螺紋鋼預應力鋼絞線，先取直束、彎曲和U形束、圓形束等布筋方式，采用真空輔助灌漿工藝和傳統(tǒng)灌漿工藝，對比研究不同產(chǎn)品的流動性能和填充預應力管道的能力。

4.3.1灌漿料性能檢測

本試驗選用以下四種灌漿料進行同條件產(chǎn)品性能對比試驗，產(chǎn)品檢測結果見表4-2。

（1）產(chǎn)品A

國外某品牌商品預拌灌漿料，水灰比0.27，主要用于預應力管道灌漿。

（2）產(chǎn)品B1

現(xiàn)場拌制灌漿料：水灰比0.32，水泥采用黃石P.O42.5低堿水泥，用量為1360kgm^{3^{；水用量為435 kgm^{3^{；外加劑為聚羧酸高效減水劑，用量為13.6 kgm^{3^。}}}}}

（3）產(chǎn)品B2

現(xiàn)場拌制灌漿料：水灰比0.37，水泥采用黃石P.O42.5低堿水泥，用量為 1314kgm^{3^{；水用量為486 kgm^{3^{；外加劑為聚羧酸高效減水劑，用量為13.14 kgm^{3^。}}}}}

（4）產(chǎn)品C

湖北中橋科技有限公司生產(chǎn)的商品預拌灌漿料（CHIDGECG-100），水灰比0.27，具有高流動性、低粘度、無泌水、微膨脹的特性。

表4-2 四種預應力灌漿料性能對比

項目

灌漿料品種

檢驗方法

凝結時間h

初凝h

7.5

GBT 1346

終凝h

流動度S

初始流動度s

ASTM C939-97

30min流動度s

抗折強度MPa

6.5

GBT 17671-1999

28d

>12

4.8

3.9

>12

抗壓強度MPa

65.5

36.3--

80.7

50.1

42.2

54.3

28d

95.1

62.2

56.9

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