防凍型支座灌漿材料的研究

楊富民，張 勇，李學(xué)斌

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

支座灌漿材料以其高流動(dòng)性、快硬、早強(qiáng)、高強(qiáng)而廣泛應(yīng)用于鐵路橋梁架設(shè)支座安裝施工中，顯著地提高了鐵路橋梁的平順性和架設(shè)效率，而支座灌漿材料抗壓強(qiáng)度在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到20 MPa是保證施工效率的重要技術(shù)指標(biāo)。支座灌漿材料的早期強(qiáng)度受溫度影響顯著，而且，在實(shí)際施工過程中還會(huì)遇到冬季施工，尤其在嚴(yán)寒地區(qū)，冬季進(jìn)行鋪架施工，對(duì)橋梁支座和支承墊石間僅有20～30 mm的間隙進(jìn)行灌漿施工，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度處于負(fù)溫，灌注的漿體會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)將熱量傳導(dǎo)到支座和周邊墊石混凝土中，漿體水化熱溫度很難保證漿體硬化后達(dá)到適宜的早期強(qiáng)度，將降低橋梁的鋪架效率，尤為嚴(yán)重的是，還會(huì)出現(xiàn)漿體早期受凍，后期強(qiáng)度損失的病害，從而為工程帶來質(zhì)量隱患。

在現(xiàn)行鐵路標(biāo)準(zhǔn)中，支座灌漿材料施工的環(huán)境溫度為5℃ ～35℃，對(duì)冬季橋梁鋪架施工規(guī)定為:在沒有可靠保溫措施、灌漿材料低溫性能未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證時(shí)，嚴(yán)禁在負(fù)溫條件下進(jìn)行注漿施工［1］。

專利CN101722573A公開了嚴(yán)寒地區(qū)箱梁架設(shè)支座灌漿蒸養(yǎng)箱及其養(yǎng)護(hù)方法，CN1944798A公開了一種橋梁支座灌漿低溫施工方法，CN101545246B公開了一種支座灌漿材料冬季施工方法。于永廣［2］介紹了哈大客專第二松花江特大橋支座灌漿材料冬季施工采取的一系列保溫措施。上述措施主要是提高漿體入模溫度，營(yíng)造一個(gè)正溫的小環(huán)境，使?jié)仓蟮纳皾{處于正溫環(huán)境條件。

支座灌漿材料常采用硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行配制，硫鋁酸鹽水泥具有很多優(yōu)異性能［3］，如快凝、快硬、水化液相堿度低、水泥石總孔隙率低等，但對(duì)溫度敏感性比較高，隨著溫度降低其凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)，在負(fù)溫環(huán)境條件下，甚至難以凝結(jié)而凍結(jié)。

在硫鋁酸鹽水泥用于低負(fù)溫混凝土的研究中，王燕謀等［4］通過試驗(yàn)認(rèn)為:摻加防凍劑的快硬硫鋁酸鹽水泥混凝土幼齡受凍后，轉(zhuǎn)標(biāo)養(yǎng)28 d和60 d的強(qiáng)度為不受凍標(biāo)養(yǎng)28 d強(qiáng)度的108%和128%，李啟棣等［5］通過大量試驗(yàn)認(rèn)為;在硫鋁酸鹽水泥中摻加適當(dāng)?shù)姆纼鰟?，可以配制?20℃施工的混凝土。在建筑工程冬期施工規(guī)程(JGJ104—97)中規(guī)定了混凝土在負(fù)溫(-5℃～-25℃)下施工可以摻加防凍劑的用量對(duì)比值。是否通過摻加防凍劑解決支座灌漿材料負(fù)溫條件下施工的問題是急待解決的問題。本文通過試驗(yàn)探討了-5℃和-10℃條件下漿體的性能，以期研制出防凍型支座灌漿材料。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

快硬硫鋁酸鹽水泥:具體性能見表1，山西省陽泉天隆工程材料有限公司生產(chǎn)。石英砂:0.63～1.25 mm，產(chǎn)地為河北承德。聚羧酸減水劑:北京凱斯美聯(lián)合化工產(chǎn)品有限公司生產(chǎn)。防凍劑，無機(jī)復(fù)合型。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥性能

1.2 試驗(yàn)方法

1)灌漿材料樣品制備。

灌漿材料配比為，快硬硫鋁酸鹽水泥∶石英砂∶聚羧酸減水劑∶水 =499∶500∶1∶0.15，防凍劑的摻入量為灌漿材料的1% ～4%。采用JJ-5型砂漿攪拌機(jī)，慢速攪拌1 min，快速攪拌2 min后，成型40 mm×40 mm×160 mm砂漿試件。

2)試驗(yàn)方法。

試模和干粉料在低溫箱中放置24 h，干粉料加水?dāng)嚢柰戤呇杆俚谷朐嚹：蠓湃氲蜏叵渲?，漿體的入模溫度通過調(diào)整水溫進(jìn)行改變，但水溫不超過60℃。測(cè)定小時(shí)強(qiáng)度時(shí)，試件從低溫箱取出即刻進(jìn)行試驗(yàn)，1 d、7 d和28 d齡期試件，需在20℃環(huán)境條件下放置2 h，待充分解凍后，進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試。

3)試驗(yàn)設(shè)備。

試驗(yàn)設(shè)備包括低溫箱(最低溫度為-40℃)，無線測(cè)溫裝置，膠砂攪拌機(jī)和壓力試驗(yàn)機(jī)。

2 結(jié)果與討論

2.1 未添加防凍劑支座灌漿材料在負(fù)溫條件下的性能

圖1 不同養(yǎng)護(hù)溫度漿體的時(shí)間—溫度曲線

在20℃，-5℃和-10℃環(huán)境溫度下，測(cè)定砂漿試件內(nèi)部溫度，溫度通過在40 mm×40 mm×160 mm的鋼制試模成型的砂漿內(nèi)埋置測(cè)點(diǎn)測(cè)定，測(cè)試結(jié)果見圖1。在20℃環(huán)境條件下，漿體在大約50 min開始凝結(jié)，并釋放水化熱，在75 min時(shí)溫度達(dá)到峰值，然后溫度開始下降。

將溫度21℃的漿體攪拌后倒入-5℃的試模內(nèi)，然后立刻放入-5℃的低溫箱內(nèi)進(jìn)行溫度測(cè)試。從圖1中可以看出，砂漿倒入試模后漿體溫度迅速降低，10 min后漿體溫度由21℃降至0℃，未有放熱峰。

將溫度21℃的漿體攪拌后倒入-10℃的試模內(nèi)，然后立刻放入-10℃的低溫箱內(nèi)進(jìn)行溫度測(cè)試，從圖1中可以看出，10 min后漿體溫度從21℃驟然降低到0℃，50 min內(nèi)降到-10℃，亦未有放熱峰。

在-5℃和-10℃環(huán)境中，漿體在20 min內(nèi)出現(xiàn)凍結(jié)，2 h時(shí)從低溫箱內(nèi)取出試件，試件因受凍產(chǎn)生明顯的膨脹，立即測(cè)試抗壓強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度＞20 MPa;另一組試件在室溫20℃放置一段時(shí)間解凍，解凍后的試件沒有強(qiáng)度，說明砂漿不能正常凝結(jié)硬化，凍結(jié)的強(qiáng)度為“假”強(qiáng)度。

空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)為0.025 W/(m·k)，鋼筋混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)為1.74 W/(m·k)，鋼板的熱傳導(dǎo)系數(shù)為45 W/(m·k)，鋼筋混凝土和鋼板的熱傳導(dǎo)系數(shù)分別是空氣的70倍、1 800倍。在負(fù)溫環(huán)境條件下，砂漿與支座鋼板和鋼筋混凝土的熱傳導(dǎo)十分迅速，從而漿體溫度驟然降低，不采取措施直接灌注漿體，漿體早期受凍不能正常凝結(jié)。

2.2 摻加防凍劑支座灌漿材料的性能

在-5℃環(huán)境溫度下，防凍劑摻量為1%，2%，3%和4%4個(gè)水平以及不摻加防凍劑的砂漿的負(fù)溫1 d強(qiáng)度和負(fù)溫1 d轉(zhuǎn)20℃1 d強(qiáng)度見圖2。在-10℃環(huán)境溫度下，防凍劑摻量為1%，2%，3%和4%4個(gè)水平以及不摻加防凍劑的砂漿的負(fù)溫1 d強(qiáng)度和負(fù)溫1 d轉(zhuǎn)20℃ 1 d強(qiáng)度見圖3。由圖2和圖3可知，摻加防凍劑后砂漿在相應(yīng)負(fù)溫條件下均能獲得強(qiáng)度，當(dāng)轉(zhuǎn)入正溫養(yǎng)護(hù)后，強(qiáng)度較大幅度增加，觀察試件亦發(fā)現(xiàn)，試件沒有出現(xiàn)明顯的膨脹。在-5℃和-10℃環(huán)境溫度下，防凍劑摻量分別為1%和2%時(shí)，砂漿試件強(qiáng)度最高，因此選擇相應(yīng)摻量進(jìn)行負(fù)溫小時(shí)強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖2 防凍劑摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出，在-5℃環(huán)境條件下，砂漿在不采取任何養(yǎng)護(hù)措施的條件下能夠凝結(jié)硬化，7 h時(shí)其抗壓強(qiáng)度可達(dá)到20 MPa，24 h強(qiáng)度可以達(dá)到35 MPa。在-10℃環(huán)境條件下，砂漿在不采取任何養(yǎng)護(hù)措施的條件下亦能夠凝結(jié)硬化，約22 h時(shí)其抗壓強(qiáng)度達(dá)到20 MPa，24 h強(qiáng)度可以達(dá)到25 MPa。但均不能滿足2 h達(dá)到20 MPa的規(guī)范要求。

圖3 防凍劑摻量對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響(-10℃)

圖4 摻防凍劑砂漿-5℃和-10℃下小時(shí)強(qiáng)度

持續(xù)-5℃負(fù)溫條件下砂漿的長(zhǎng)期力學(xué)性能見圖5。由圖5可知，摻加適量的防凍劑，砂漿在 -5℃下能夠凝結(jié)硬化，并在負(fù)溫下強(qiáng)度持續(xù)增長(zhǎng)，24 h內(nèi)強(qiáng)度增長(zhǎng)迅速，24 h強(qiáng)度為28 d強(qiáng)度的76%，之后強(qiáng)度緩慢增長(zhǎng)，28 d抗壓強(qiáng)度達(dá)到55 MPa。

圖5 摻加防凍劑砂漿在-5℃下的長(zhǎng)期強(qiáng)度

2.3 摻防凍劑灌漿材料負(fù)溫轉(zhuǎn)正溫后的力學(xué)性能

在-5℃ 7 d后，試件轉(zhuǎn)入20℃下的長(zhǎng)期力學(xué)性能見圖6。漿體轉(zhuǎn)入正溫養(yǎng)護(hù)后強(qiáng)度迅速增加，并持續(xù)增加，-7 d+28 d抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到70 MPa以上。

2.4 微觀分析

通過對(duì)負(fù)溫條件下放置的砂漿試件進(jìn)行X射線衍射、掃描電鏡(SEM)分析，試驗(yàn)結(jié)果見圖7和圖8。分析發(fā)現(xiàn):試樣的水化礦物和水化產(chǎn)物種類同常溫條件下養(yǎng)護(hù)的試件一致，試樣界面過渡區(qū)生成的水化產(chǎn)物形態(tài)致密，品質(zhì)較好。試驗(yàn)結(jié)果說明，摻加防凍劑僅僅促進(jìn)了水化進(jìn)程。

2.5 預(yù)養(yǎng)后砂漿性能研究

圖6 -5℃ 7 d后，轉(zhuǎn)入20℃下長(zhǎng)期強(qiáng)度

圖7 試樣的XRD圖譜

圖8 砂漿中的鈣礬石晶體

通過配方調(diào)整確定了防凍型支座灌漿材料配制方案，不摻加防凍劑，防凍型支座灌漿材料在5℃條件下的2 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到 20 MPa，之后進(jìn)行 -5℃和-10℃條件下7 d養(yǎng)護(hù)，再轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件28 d和56 d，所測(cè)抗壓強(qiáng)度與在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)砂漿的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 用于冬期施工的水泥基灌漿材料的力學(xué)性能指標(biāo)及試驗(yàn)結(jié)果

由表2數(shù)據(jù)可得，預(yù)養(yǎng)后，砂漿轉(zhuǎn)入負(fù)溫，強(qiáng)度繼續(xù)發(fā)展，-7 d強(qiáng)度可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d強(qiáng)度的70%以上，當(dāng)環(huán)境溫度轉(zhuǎn)到正溫后漿體的強(qiáng)度繼續(xù)發(fā)展，與28 d標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度接近，表明防凍型支座砂漿材料可以通過2 h的養(yǎng)護(hù)，2 h抗壓強(qiáng)度達(dá)到20 MPa以上，并能夠耐受負(fù)溫，從而滿足橋梁架設(shè)的需要。

3 結(jié)論和建議

1)普通灌漿材料在 -5℃條件下直接灌注，漿體會(huì)出現(xiàn)被“凍住”的情況，表現(xiàn)為試件具有一定強(qiáng)度的假象。受凍試件在常溫下將逐漸解凍，最終失去強(qiáng)度，施工中要注意杜絕此情況的發(fā)生。

2)摻加防凍劑的灌漿材料，在沒有養(yǎng)護(hù)措施條件下，在-5℃和-10℃條件下，砂漿強(qiáng)度在2 h內(nèi)低于20 MPa，因此在材料中摻加防凍劑的技術(shù)手段不能夠解決負(fù)溫條件下預(yù)制梁架設(shè)施工問題，但在負(fù)溫條件下砂漿強(qiáng)度能夠持續(xù)發(fā)展，24 h強(qiáng)度可以達(dá)到28 d強(qiáng)度的75%，且轉(zhuǎn)入正溫后強(qiáng)度迅速發(fā)展，-7 d+28 d強(qiáng)度可以達(dá)到70 MPa以上。微觀分析亦表明，摻加防凍劑后砂漿的水化產(chǎn)物與常溫水化產(chǎn)物相同。

3)無養(yǎng)護(hù)措施條件下，摻加適量防凍劑的防凍型支座灌漿材料可以應(yīng)用于對(duì)初凝時(shí)間要求不苛刻的負(fù)溫條件下的現(xiàn)澆梁支座砂漿施工和正負(fù)溫更替環(huán)境條件下的預(yù)制梁架設(shè)施工。

4)研制的防凍型支座灌漿材料，不摻加防凍劑，采取一定的預(yù)養(yǎng)措施，在5℃條件下2 h內(nèi)抗壓強(qiáng)度可達(dá)到20 MPa，之后轉(zhuǎn)入負(fù)溫，砂漿能夠耐受持續(xù)負(fù)溫，轉(zhuǎn)入正溫后強(qiáng)度迅速發(fā)展，接近標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d砂漿強(qiáng)度，能夠保證冬季預(yù)制梁架設(shè)施工質(zhì)量。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.科技基［2005］101號(hào) 客運(yùn)專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009.

［2］于永廣.客運(yùn)專線支座灌漿材料冬季施工控制措施［J］.低溫建筑技術(shù)，2009，31(4):73-74.

［3］刁江京，辛志軍，張秋英.硫鋁酸鹽水泥的生產(chǎn)與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2006.

［4］王燕謀，蘇慕珍，張量.硫鋁酸鹽水泥［M］.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

［5］李啟棣，吳淑華.硫鋁酸鹽水泥混凝土的特性及應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1989.

［6］仲朝明，邵正明，王曉豐，等.高速鐵路橋梁盆式橡膠支座灌漿料的研制及應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2009(10):18-21.