橋梁支座灌漿料工作性能試驗(yàn)研究

李 慧

(中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司 北京 100144)

1 研究背景及內(nèi)容

(1)研究背景

近年來，我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展，支座作為連接橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩的傳力部件，其重要性不容忽視，而支座灌漿料的工作性能更是重中之重。針對(duì)橋梁支座對(duì)灌漿料的要求需研制出一種具有優(yōu)良的技術(shù)性能、易于施工、低成本、高適應(yīng)性的支座灌漿材料[1-3]。

灌漿料采用的骨料一般具有特殊性能或較大強(qiáng)度，加入膠凝材料做粘合劑，同時(shí)添入其它滿足灌漿料技術(shù)性能要求的外加劑或填料等，要求施工時(shí)僅加入足量拌合水，拌和均勻即可使用[4]。

(2)研究?jī)?nèi)容

水泥基灌漿料的良好性能對(duì)材料組成有很大要求，選取雙快水泥可有效保證灌漿料早強(qiáng)要求。采取性能良好、適配的外加劑降低灌漿料水膠比，保證強(qiáng)度和提高流動(dòng)度，摻入聚丙烯酸乳液來提高粘度，改善灌漿料工作性能，達(dá)到自流平且不離析泌水。

研究聚丙烯酸乳液對(duì)灌漿料性能的改善效果，同時(shí)研究各因素對(duì)灌漿料強(qiáng)度、工作性等性能的影響，并通過正交試驗(yàn)確定灌漿材料的配比[5-7]。

2 灌漿料的制備

2.1 原材料

(1)P.O72.5級(jí)硫鋁酸鈣(CSA)水泥熟料，Ⅱ級(jí)粉煤灰。

(2)Ⅱ級(jí)配中砂，級(jí)配5～10 mm粒徑碎石。

(3)自制聚丙烯酸乳液，含固量40%，做為消泡劑、減水劑、早強(qiáng)劑。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C80，屬高強(qiáng)度等級(jí)混凝土范疇，設(shè)計(jì)坍落度在190 mm以上，養(yǎng)護(hù)制度采用干濕結(jié)合的方式。整理后得到的試驗(yàn)基準(zhǔn)配合比為:水泥∶水∶石子∶砂子∶粉煤灰 ＝1.00∶0.285∶1.561∶1.045∶0.159。

3 不同因素下灌漿料工作性能影響

混凝土的工作性是一項(xiàng)綜合性質(zhì)。一般混凝土的工作性用坍落度及坍落擴(kuò)展度來表達(dá)。

3.1 水膠比對(duì)灌漿料工作性的影響

本次試驗(yàn)中，不同水膠比對(duì)灌漿料工作性的影響測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 水膠比影響測(cè)試結(jié)果

從表1灌漿料的部分工作性能測(cè)試結(jié)果看，隨著水膠比的不斷增大，混凝土拌合物的坍落度值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，變化曲線見圖1；拌合物的坍落擴(kuò)展度值則呈現(xiàn)出不斷遞增的趨勢(shì)，變化曲線見圖2。

圖1 水膠比對(duì)坍落度影響變化曲線

圖2 水膠比對(duì)擴(kuò)展度影響變化曲線

從圖1～圖2可以看出，提高水膠比后的新拌混凝土坍落度值并沒有明顯增大，相反還出現(xiàn)了回落的趨勢(shì)。同時(shí)新拌混凝土坍落擴(kuò)展度隨水膠比增大而增大，產(chǎn)生此種結(jié)果主要是由于拌合物隨水膠比的增大流動(dòng)性上升而黏聚性及保水性降低，產(chǎn)生了離析；由于灌漿料中水含量超過漿體保水極限使得漿體變稀粘稠度下降，水泥漿體無法有效包裹骨料導(dǎo)致灌漿料各組分分離，造成粗集料沉降，坍落度隨之減小，擴(kuò)展度增大[8-9]。

3.2 漿體富裕系數(shù)對(duì)灌漿料工作性的影響

本次試驗(yàn)中，不同漿體富裕系數(shù)對(duì)灌漿料工作性的影響測(cè)試結(jié)果見表2。

表2 漿體富裕系數(shù)影響測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果看，隨著漿體富裕系數(shù)的不斷增大，混凝土拌合物的坍落度值及0.5 h坍落度值都呈現(xiàn)出先增大后平緩的趨勢(shì)，變化曲線見圖3；坍落擴(kuò)展度則隨富裕系數(shù)增大而增大，變化曲線見圖4。

圖3 漿體富裕系數(shù)對(duì)坍落度影響變化曲線

圖4 漿體富裕系數(shù)對(duì)擴(kuò)展度影響變化曲線

從圖3可以看出，改善漿體富裕系數(shù)的新拌混凝土，在同一用水量的情況下，漿體富裕系數(shù)提高，新拌灌漿料的坍落度增大；從圖4可以看出，當(dāng)坍落度不再隨富裕系數(shù)增大而增長(zhǎng)時(shí)，坍落擴(kuò)展度仍繼續(xù)增長(zhǎng)。產(chǎn)生此種結(jié)果主要是漿體富裕系數(shù)增大并未改變灌漿料內(nèi)部水泥漿體的稀稠程度，單位灌漿料中集料含量下降，漿體相對(duì)攜帶能力增強(qiáng)，表現(xiàn)為灌漿料整體流動(dòng)性的增加。由此可見，提高漿體富裕系數(shù)對(duì)改善新拌灌漿料的工作性有一定的作用，選擇合適的富裕系數(shù)便于施工作業(yè)。

3.3 乳液摻量對(duì)灌漿料工作性的影響

不同乳液摻量對(duì)灌漿料工作性的影響測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 乳液摻量對(duì)工作性影響測(cè)試結(jié)果

由表3可知，隨著乳液摻量的增大，灌漿料的坍落度先增后減。產(chǎn)生這種變化是由于在乳液摻量較少時(shí)乳液顆粒使得水泥漿體內(nèi)水泥顆粒分布更均勻且整體更粘稠，表現(xiàn)為混合料整體流動(dòng)性改善，且保水率和抗離析能力提高。但當(dāng)水泥漿體中存在的乳液顆粒相對(duì)過多時(shí)，灌漿料整體的黏聚性過強(qiáng)，流動(dòng)性能遭到破壞，表現(xiàn)為混凝土坍落度急速下降。

3.4 小結(jié)

通過提高水膠比來改善混凝土的工作性適得其反，反而不利于施工；一定限度內(nèi)提高漿體富裕系數(shù)可以有效提高新拌混凝土的工作性；不同的乳液摻量在一定程度上改善了灌漿料的工作性。

4 多重因素下工作性與強(qiáng)度影響

基于混凝土基準(zhǔn)配合比，通過試驗(yàn)確定因素并選定一些水平對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)研究，利用正交試驗(yàn)確定每項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)配合比。試驗(yàn)內(nèi)容包括工作性試驗(yàn)、立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、抗凍性試驗(yàn)，然后分析并確認(rèn)每項(xiàng)試驗(yàn)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的性能最優(yōu)異的混凝土配比。

基于計(jì)算得到的混凝土基準(zhǔn)配合比及各單因素試驗(yàn)對(duì)混凝土性能影響的結(jié)果，各因素及水平確定如下:水膠比范圍為0.32～0.36，乳液摻量為2%～6%，漿體富裕系數(shù)確定范圍為1.15～1.25，其余外加劑摻量不變。采用正交試驗(yàn)，得出影響混凝土性能單因素及水平正交表，見表4。

表4 影響混凝土性能單因素及水平正交表

4.1 工作性正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

各因素綜合作用對(duì)混凝土工作性影響測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 多重因素下混凝土工作性測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表5所測(cè)得數(shù)據(jù)，對(duì)初始、30 min后的坍落度及初始擴(kuò)展度分別進(jìn)行方差分析，可看到三個(gè)因素對(duì)灌漿料坍落度、擴(kuò)展度影響都非常顯著，其中乳液摻量因素影響尤為明顯。

由極差分析得到影響灌漿料坍落度、擴(kuò)展度三個(gè)因素作用由大到小順序?yàn)槿橐簱搅浚舅z比＞富裕系數(shù)。計(jì)算得出較優(yōu)的工藝組成為水膠比0.36、乳液摻量2%、富裕系數(shù)1.20，此時(shí)灌漿料坍落度、擴(kuò)展度均達(dá)到試驗(yàn)極值。

4.2 混凝土力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果及分析

研究不同變量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響。

表6 多因素影響下混凝土力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果MPa

根據(jù)表6所測(cè)得數(shù)據(jù)，對(duì)2 h、1 d、28 d抗壓強(qiáng)度及1 d抗折強(qiáng)度分別進(jìn)行方差分析。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果各因素對(duì)灌漿料抗壓強(qiáng)度影響顯著，由極差分析得到較優(yōu)試驗(yàn)安排為水膠比0.34、乳液摻量2%、富裕系數(shù)1.20。此時(shí)灌漿料理論測(cè)試抗壓強(qiáng)度預(yù)計(jì)達(dá)到試驗(yàn)極值。由于此試驗(yàn)同正交試驗(yàn)中6號(hào)試驗(yàn)組試驗(yàn)安排相同，通過結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)6號(hào)試驗(yàn)組在正交試驗(yàn)組中抗壓強(qiáng)度值最高，符合分析結(jié)果要求。

4.3 混凝土抗凍性能測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果及分析

抗凍試驗(yàn)采用快速凍融循環(huán)機(jī)對(duì)灌漿料的抗凍性進(jìn)行測(cè)定。試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 多因素影響下混凝土抗凍性試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

混凝土的抗凍性采用三種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行衡量，分別為相對(duì)動(dòng)彈性模量下降至初始值的60%、預(yù)定的凍融循環(huán)次數(shù)、質(zhì)量損失達(dá)5%。但考慮到時(shí)間原因，本次試驗(yàn)只采用前兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來衡量。計(jì)算得到各混凝土試件的相對(duì)動(dòng)彈性模量，見表8。

表8 多因素影響下混凝土相對(duì)動(dòng)彈模量

正交試驗(yàn)中所有灌漿料試件在經(jīng)歷200次凍融后，所有試件的動(dòng)彈性模量變化都不大，且相對(duì)動(dòng)彈性模量都在93%以上。300次凍融結(jié)束后，結(jié)果顯示抗凍性最好試件相對(duì)動(dòng)彈性模量為95.92%。

由極差分析得到對(duì)灌漿料抗凍性能影響作用由大到小分別為乳液摻量＞水膠比＞富裕系數(shù)。說明混合料中乳液摻量對(duì)灌漿料的抗凍性有較大的影響。當(dāng)乳液摻量較高時(shí)，灌漿料黏聚性增大，混合料無法自密實(shí)，導(dǎo)致灌漿料密實(shí)度降低影響抗凍性；當(dāng)乳液摻量較合適時(shí)，可起到填充硬化混凝土微細(xì)孔的作用，提高結(jié)構(gòu)密實(shí)度，增強(qiáng)混凝土抗凍性。

由試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到的較優(yōu)試驗(yàn)安排為水膠比0.34、乳液摻量2%、富裕系數(shù)1.20。此時(shí)灌漿料抗凍性能預(yù)計(jì)最好。由于此試驗(yàn)安排與正交試驗(yàn)中6號(hào)試驗(yàn)組試驗(yàn)安排相同，通過結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)6號(hào)試驗(yàn)組在正交試驗(yàn)組中相對(duì)動(dòng)彈性模量最高，符合分析結(jié)果要求。

4.4 小結(jié)

乳液摻量越高，灌漿料整體工作性能越差，抗壓強(qiáng)度隨乳液摻量增大而減小。合適的乳液摻量能顯著提高灌漿料的抗凍融破壞能力，從而提高其抗凍耐久性。

5 結(jié)論

本文以灌漿料為研究對(duì)象，通過對(duì)灌漿料工作性、力學(xué)性能的一系列試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論:

(1)影響灌漿料工作性能的因素從大到小的順序?yàn)槿橐簱搅浚舅z比＞漿體富裕系數(shù)。

(2)當(dāng)水膠比為0.34、乳液摻量為2%、漿體富裕系數(shù)為1.20時(shí)得到的灌漿料綜合性能最好。

(3)通過正交試驗(yàn)進(jìn)行配比優(yōu)化，優(yōu)化后的配比為水泥∶石子∶砂∶水∶粉煤灰 ＝1∶1.498∶1.010∶0.34∶0.155。