预应力压浆料流动度保持及耐久性能研究

方喜生 ，陈 鹏，陈 茜，吴庆霞，宋普涛，夏京亮，王 晶

(1.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；2.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

近年来我国基础建设发展迅速，特别是公路和铁路中经常要使用到预应力混凝土结构。后张法的桥梁在桥梁建设中受到了大量的使用和推广。后张法预应力孔道压浆技术在预应力桥梁建设中起到了关键作用，预应力压浆作为防止预应力钢筋锈蚀的最后一步，用来保证结构的安全性、耐久性。同时使用预应力混凝土结构必须要考虑的问题就是如何使混凝土与钢筋能够很好地共同工作，这就要求预应力筋与混凝土拥有良好的粘结。好的预应力压浆可以提高后张法预应力结构的安全性、耐久性。因此预应力压浆料质量的好坏必须受到重视。

随着施工环境的多样化和复杂化，施工中对预应力压浆料的流动性、流动性的保持度以及耐久性能有了新的需求。该文就预应力压浆料的研究进展、高流动度保持性能、耐久性能以及高温环境下高流动度性能进行调研和总结，以期为预应力压浆料的研究和应用提供参考。

1 后张预应力压浆技术研究进展

我国关于后张预应力压浆技术的研究已经有数十年。最初采用的是纯水泥作为后张预应力压浆材料，但是由于纯水泥的流动度不好且存在收缩变形大的缺点导致施工中遇到泵送问题以及与预应力筋之间产生空隙会降低结构的安全性和耐久性，这样压浆对于预应力筋的保护作用并没有充分发挥。为了解决流动性差的问题在压浆材料中掺入高效减水剂，明显改善了其流动性。并且还可以掺入一些可以改善压浆材料工作性能的外加剂和矿物掺合料。但是对于多种外加剂的掺入，要考虑不同外加剂之间的相互作用，避免不同种外加剂相互影响降低各自发挥的作用。

Pennsylvania state university、Texas A&M university两所学校对改进压浆材料性能做了大量研究工作,采用普通水泥配置30多种压浆材料，试验证明高效减水剂对流动性的提升有很大作用，但是掺量过多会有泌水。Noske P试验发现，采用超细水泥制备的压浆料的加固、抗渗效果较好。Alen K和Mirzx T研究了采用超细水泥制备压浆料在不同的水灰比、减水剂掺量、不同温度下的工作性能和力学性能的变化。Mdbye T A研究证明超细水泥相较于普通水泥在同等灌装技术情况下拥有更好地可灌性能。管学茂[1]对超细高性能灌浆水泥进行系统研究，发现在超细水泥中掺入粉煤灰可以改变浆体的流动性并且可以提高浆体硬化后的强度，体积稳定性得到改善，抗渗透能力也有所增强。薛庆[2]、姚武[3]、谢琦[4]等通过复掺矿物掺合料例如：矿渣、粉煤灰、硅灰、石灰石粉等并适当降低水胶比来减小浆体泌水问题。何涛[5]研究硫铝酸盐水泥作压浆料与不同种减水剂之间的相互影响。试验结果表明聚羧酸减水剂、三聚氰胺减水剂对压浆料的流动性提高效果显著，并且对力学性能的影响较小。徐向锋[6]对不同配比的压浆材料进行各项性能试验。结果表明，不同配比的压浆料的性能差距较大，粉煤灰能够明显降低浆体的泌水率，低水胶比的浆体流动度较大但是材料的耐久性较差，矿物掺合料的加入对于提高材料的耐久性有较好的作用。

针对压浆料在实际工程中遇到的问题，许多学者进行了压浆料的改性和性能提升研究。田倩[7]研制出一种高性能压浆剂JM-HF，掺入这种压浆剂后压浆料的体积稳定性得到改善。中国建筑科学研究院薛庆研制出CABR-GM压浆剂,在低水胶比情况下掺量为3%时流动度可以达到16.5 s,并可以解决后张预应力孔道压浆料产生的泌水、不密实等问题。张勇[8]等研制出TK-G孔道压浆剂,并通过对不同的水泥品种进行试验证明了TK-G孔道压浆剂的适用性较好。中国建筑科学研究院有限公司宋普涛等进行了高扬程低泌水压浆料的制备及应用技术研究，开发的压浆料可垂直泵送到120～150 m的竖向预应力孔道，泵送完成后浆体不分层。

2 预应力压浆料流动性保持

调研发现，水泥的化学组成及细度、掺合料的种类、外加剂的种类及应用环境等均会对压浆料的流动性能产生影响。

朱清华[9]通过试验来检测水泥品种对压浆料流动度的影响，试验表明压浆料的流动度与水泥品种密切相关，与水泥标准稠度用水量成正比。张彦奇通过试验发现压浆料粘度与水胶比成反比，但是水胶比大于1.5后随着水胶比的增大浆料粘度的降低不在明显。孙长征等通过掺入超细粉煤灰和硅灰来改善压浆料的工作性能和力学性能，试验表明超细粉煤灰会使压浆料的流动度增加，一定掺量的硅灰也可以改善压浆料的流动度。相对而言，掺入5%硅灰及15%超细粉煤灰后压浆料的力学性能和工作性能均较好。

Yamada等发现掺入聚羧酸减水剂水泥浆料的流动度并未随时间变化而改变，缓凝剂延长水泥基材料凝结时间，并且不会对后期力学性能产生不利影响。杨辉等研究了两种不同膨胀剂对压浆料早期抗压、抗折强度的影响。试验结果表明双膨胀源体系(C4A3S-CaO)相较于但膨胀源体系(MgO)对压浆料的早期膨胀率提升较快，并且掺量为8%时能够一定程度上提升抗压强度，但是后期的稳定性较差。尹科等[10]研究超强吸水树脂内养护剂对压浆料的影响，试验表明，掺入适量的超强吸水树脂内养护剂可以改善压浆料的工作性、提高抗压、抗折强度，提高早期的膨胀率和减少后期干燥收缩。温小栋等通过试验发现掺入蔗糖可以使水泥缓凝，并且发现了蔗糖掺入的临界掺量，超过临界掺量的蔗糖会影响水泥的强度，因此蔗糖的掺入量不宜超出临界掺量。

由此可见，国内外在水泥基材料流动度保持及水泥基材料用减水剂、缓凝剂等影响流动性及流动性保持性能的化学外加剂方面均有较多的研究基础。我们可以借鉴既有的研究基础，进行高温环境下预应力压浆料流动度保持技术研究。

3 高温对预应力压浆料流动性保持的影响

冯小伟[11]分别研究了温度和搅拌速度对压浆材料工作性能的影响。试验表明，随着温度的升高压浆料的工作性能变差，流动度在0～200 ℃之间的变化比在 20～400 ℃ 之间变化更大。当转速从0 r/min增大至2 000 r/min时，相应的流动度随之增大。Martini S AI等研究高温下化学外加剂对水泥浆料流变性的影响，发现高温会加快水泥的水化反应，水泥浆料的流动度丧失很快，若只单掺减水剂并不能延缓水泥浆料的水化速度。Petit等在不同温度(10～30 ℃)和时间情况下，研究高流动砂浆流变性能受不同水胶比的影响。发现室温中高流动度砂浆的屈服应力与时长成正比。左彦峰等[12]研究聚羧酸系超塑化剂对水泥浆体流动性的影响，但是并未考虑高温对水泥浆体流动性的影响。高兵研究在高温条件下(150 ℃、350 ℃、550 ℃)掺入不同类型不同掺量的聚乙烯醇对灌浆料强度的影响，试验表明随着温度的增大灌浆料的抗压强度随温度的增大逐渐减小，在温度较低时掺入适量的聚乙烯醇纤维的灌浆料的抗压强度损失会减少，但温度较高时反而会导致抗压强度大幅度下降。郭亚红的研究表明水泥基灌浆料的质量损失与温度成正比，当温度到达200～400 ℃之间质量损失较缓，当温度超过400 ℃后抗压强度降低迅速，达到600 ℃质量损失明显增大，1 000 ℃时水泥基灌浆料基本失去全部强度。

综上可知，国内外对后张法孔道压浆料的性能改进主要体现在优选水泥、掺入减水剂、掺入膨胀剂等外加剂，同时考虑掺入一些矿物掺合料或其他组分来改善浆体的稳定性和工作性能。针对高温环境，以高温工程所在地区可用的水泥、粉煤灰、地域性岩石粉、地域性掺合料等材料为基础，结合炎热、高温的气候特征与施工压浆工艺要求，开发出具有良好气候适应性和工艺适用性的高性能预应力孔道压浆料，并应用于实际工程。通过对特殊环境下预应力压浆料的性能研究可以促进预应力压浆料的发展，提高预应力结构的工程适应性。

4 预应力压浆料的耐久性能

材料的耐久性是指材料抵抗自身和自然环境两种因素长期破坏作用的能力，耐久性越好材料的寿命越长。结构的耐久性是指在预定的作用和预期的维护和使用条件下，结构及部件能够维持所需的最低性能要求的能力。对于预应力混凝土构件，由于其长期处于高应力状态，那么预应力压浆料的耐久性更是直接影响结构的承载力和耐久性。大量研究证实，预应力混凝土结构破坏，往往是因为腐蚀介质进入混凝土内部，接触钢筋表面使得钢筋锈蚀，导致预应力损失。而引起腐蚀性介质接触钢筋的很大原因来源于压浆料不密实耐久性不好，造成预应力损失降低结构质量。

蒋蕾等[13]通过降低水胶比、控制压浆剂的掺量控制膨胀率，制备出的压浆料电通量低于JTG/T F50—2011中的1 500 C要求，硬化后的结构更加密实且抗氯离子渗透性能大幅提升。黄晓静[14]通过掺入粉煤灰来改变预应力压浆料的密实性和保护钢筋的能力。通过试验发现掺入适量粉煤灰后，由于物理化学作用，使得压浆料的保水率增加、收缩减小、密实度增加。并且发现粉煤灰掺量为30%时抗氯离子侵蚀能力最强，可以提高压浆料的耐久性能。佛山市交通科技有限公司开发了一种高耐久微膨胀绿色预应力孔道压浆料，并通过试验表明掺入适量的陶瓷废渣、钢渣、微珠、消泡剂、减水剂、膨胀剂、保水剂等可以有效地提升预应力孔道压浆料的抗氯离子侵蚀能力从而提升其耐久性。宋小婧等采用自制的压浆料掺入磨细的石灰石粉后可以在0.26～0.29水胶比下，制备出高保持流动性和塑性稳定性较好，并且强度高抗冻性能和抗氯离子渗透性能也较高的预应力压浆料。

综上可知关于预应力压浆料的研究多为基于拟用水泥并结合既有标准要求的预应力压浆材料的开发及其性能研究，但国内现行标准中未有高温环境下压浆料经时保持性能的要求，国内现有关于高温环境下高流动性保持压浆料的研究较少，更无此类产品。而水泥基灌浆材料类产品应用环境相对复杂，高温及盐渍土侵蚀环境对水泥基灌浆材料提出更为多样的性能要求。此后的研究可以更多的向不同温度环境下服役的预应力压浆料的耐久性能上发展，进而不断地规范、提高结构在不同环境下的耐久性，从而提高工程质量。