高速鐵路用高性能預(yù)應(yīng)力孔道壓漿材料的制備及應(yīng)用

張 壘

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司,河北 涿州 072750)

1 工程背景

鄭萬(wàn)高鐵湖北段ZWZQ-6標(biāo)線路全長(zhǎng)5.272 km，沿線包括田家溝雙線大橋、黃潭村雙線大橋、孔家畈1#雙線特大橋、龍?zhí)峨p線大橋、桑樹坪雙線特大橋、香耳山雙線大橋、鄭家院子雙線大橋和黃家寨雙線大橋等共計(jì)8座橋梁，共包含63孔32 m的現(xiàn)澆簡(jiǎn)支梁和17孔24 m的現(xiàn)澆簡(jiǎn)支梁。梁體混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，采用后張法預(yù)應(yīng)力混凝土施工，預(yù)應(yīng)力孔道采用預(yù)埋鍍鋅波紋管，原設(shè)計(jì)壓漿體采用M50無(wú)收縮防腐蝕管道壓漿劑。

在施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)壓漿材料存在如下技術(shù)問題：①受水泥材料自收縮的影響，部分壓漿料與波紋管之間出現(xiàn)脫空；②不能滿足《鐵路后張法預(yù)應(yīng)力混凝土梁管道壓漿技術(shù)條件》中28 d抗折強(qiáng)度≥10 MPa的技術(shù)要求，大部分壓漿材料28 d強(qiáng)度在9 MPa左右；③受水泥價(jià)格波動(dòng)的影響，項(xiàng)目部要求在保證工程質(zhì)量的前提下，節(jié)省工程材料費(fèi)用。因此在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)孔道壓漿材料制備工藝進(jìn)行了調(diào)整，期望制備出滿足要求的高抗折、微膨脹且工程經(jīng)濟(jì)效益高的壓漿材料。

2 高性能孔道壓漿材料制備試驗(yàn)

2.1 原材料

水泥：采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，密度為3.15 g/cm3，比表面積為360 m2/kg，燒失量為1%，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為27.4%，初凝時(shí)間175 min，終凝時(shí)間250 min，28 d抗折和抗壓強(qiáng)度分別為8.5 MPa和59.7 MPa。

礦物摻合料：包括礦粉、粉煤灰、微珠，礦粉主要成分為CaO(37.44%)、MgO(9.02%)、Fe2O3(4.26%)、Al2O3(9.84%)、SiO2(29.85%)，平均燒失量1.35%；粉煤灰為Ⅱ級(jí)，密度2.18 g/cm3，比表面積365 m2/kg，平均燒失量為3.2%；微珠主要化學(xué)成分為SiO2，占比達(dá)到92%。

外加劑：聚羧酸減水劑(減水率24%)、消泡劑和塑性膨脹劑。

灌漿外摻改性材料：①硅灰，主要成分為SiO2(91.94%)、MgO(1.75%)和Al2O3(1.26%)，比表面積28 200 m2/kg，粒度為0.1～10 μm，活性指數(shù)≥110%；②超強(qiáng)吸水樹脂，24 h吸水率和吸鹽率分別為166 g/g和45 g/g；③聚乙烯醇纖維，長(zhǎng)度6～12 mm，孔數(shù)2 400，直徑12～18 μm，彈性模量≥35 GPa，斷裂強(qiáng)度≥1 200 MPa，斷裂深度6%～11%；④橡膠粉，細(xì)度為40～80(0.425～0.180 mm)，密度1.21 g/cm3。

2.2 制備方案

在原設(shè)計(jì)方案中，水膠比為0.32，膠凝材料用料比為：水泥∶粉煤灰∶礦粉∶微珠=90∶5∶3∶2，礦物摻合料用量較低，原材料以水泥為主。為節(jié)省工程投資，需加大礦物摻合料用量，減少水泥用量，根據(jù)壓漿材料的性能設(shè)計(jì)要求，將膠凝材料用料比調(diào)整為：水泥∶粉煤灰∶礦粉∶微珠=60∶30∶5∶5，改良前后壓漿材料基礎(chǔ)配合比見表1。但工程現(xiàn)場(chǎng)表明，在摻入大量礦物摻合料情況下，單一抗折材料對(duì)壓漿材料抗折性能的提升效果往往不是很明顯，這主要是因?yàn)榇髶搅糠勖夯覊簼{材料具有十分復(fù)雜的水化環(huán)境。

表1 壓漿材料改良前后基礎(chǔ)配合比 kg/m3

為了彌補(bǔ)單一抗折材料改善效果的不足，計(jì)劃在壓漿材料設(shè)計(jì)基礎(chǔ)配合比方案基礎(chǔ)上，采用硅灰+超強(qiáng)吸水樹脂+聚乙烯醇+橡膠粉的復(fù)配抗折材料改良方案。硅灰的粒度很小，通過(guò)摻入硅灰可以有效改善壓漿材料的顆粒級(jí)配，從而提升抗折強(qiáng)度；超強(qiáng)吸水樹脂具有良好的吸水性能和保水性能，可以提升壓漿材料的水化程度，從而增加密實(shí)度，提高抗折強(qiáng)度；聚乙烯醇纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度(1 600 MPa)，同時(shí)還具備很好的延展性(伸長(zhǎng)率6%)，可提升混凝土的抗裂和抗拉性能；橡膠粉目數(shù)為100，能起到抑制裂縫開裂(防止脆斷)、提高壓漿材料抗折強(qiáng)度的作用[1-2]。

采用正交試驗(yàn)方法進(jìn)行配合比試驗(yàn)設(shè)計(jì)，其中硅灰和橡膠粉替代粉煤灰作為外摻材料。正交試驗(yàn)采用四因素三水平L9(34)的復(fù)配抗折材料方案，硅灰(A)摻量設(shè)計(jì)0、1%和2%三個(gè)水平，超強(qiáng)吸水樹脂(B)摻量設(shè)計(jì)0、0.1%和0.2%三個(gè)水平，聚乙烯醇纖維(C)摻量設(shè)計(jì)0、0.1%和0.3%三個(gè)水平，橡膠粉(D)摻量設(shè)計(jì)0、1.5%和3.0%三個(gè)水平。正交試驗(yàn)方案見表2。

表2 正交試驗(yàn)復(fù)配抗折改性材料方案

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)得到不同復(fù)配抗折改性材料方案壓漿材料抗折強(qiáng)度結(jié)果，見圖1。從圖1中可知：當(dāng)不摻入復(fù)配抗折改性材料時(shí)(試驗(yàn)1組)，壓漿材料的7 d和28 d抗折強(qiáng)度分別僅為5.8 MPa和9.3 MPa，不能滿足28 d抗折強(qiáng)度≥10 MPa的技術(shù)要求，其余8組摻入復(fù)配抗折改性材料的試驗(yàn)組28 d抗折強(qiáng)度均大于10 MPa，其中試驗(yàn)5組的7 d和28 d抗折強(qiáng)度最高，分別達(dá)到7.5 MPa和11.8 MPa，相比不摻入復(fù)配抗折改性材料的試驗(yàn)組，分別提升了29.3%和26.9%。

圖1 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見圖2。從圖2中可知：四種灌漿外摻改性材料對(duì)壓漿材料7 d抗折強(qiáng)度的影響排序?yàn)椋篈>B>C>D，即硅灰對(duì)壓漿材料7 d抗折強(qiáng)度的影響最大，其次為超強(qiáng)吸水樹脂和聚乙烯醇纖維，影響最小的為橡膠粉；四種灌漿外摻改性材料對(duì)壓漿材料28 d抗折強(qiáng)度的影響排序?yàn)椋篈>B>C>D。四種灌漿外摻改性材料對(duì)7 d和28 d抗折強(qiáng)度的影響排序相同，因此選擇每種因素k值最大對(duì)應(yīng)的水平A2B2C3D3作為最優(yōu)的復(fù)配抗折改性材料方案，即硅灰最佳摻量為1%，超強(qiáng)吸水樹脂最佳摻量為0.1%，聚乙烯醇纖維最佳摻量為0.3%，橡膠粉最佳摻量為3.0%。壓漿材料的最優(yōu)配合比：水泥∶粉煤灰∶礦粉∶微珠∶減水劑∶消泡劑∶塑性膨脹劑∶硅灰∶超強(qiáng)吸水樹脂∶聚乙烯醇纖維∶橡膠粉=600∶260∶50∶50∶1.5∶0.03∶0.15∶10∶0.1∶0.3∶30(kg/m3)。

圖2 極差分析結(jié)果

2.4 最優(yōu)配合比下性能指標(biāo)

按照最優(yōu)配合比制備高抗折微膨脹壓漿材料，并對(duì)其各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見表3。從表3中可以看到：在最優(yōu)配合比下，壓漿材料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求，28 d抗折強(qiáng)度相比原設(shè)計(jì)方案提升了29.7%，抗壓強(qiáng)度提升了19.7%，24 h膨脹率達(dá)到0.563%，相比原設(shè)計(jì)方案提升了118%，具備高抗折、微膨脹、無(wú)腐蝕等優(yōu)良性能。同時(shí)，本工程設(shè)計(jì)的壓漿材料摻入了大量的礦物摻合料，具備環(huán)境友好型的性質(zhì)，而且在摻入大量礦物摻合料后，原材料的價(jià)格相比改進(jìn)前下降約15元/t，兼具一定的工程經(jīng)濟(jì)效益，因此總體而言本工程改進(jìn)的壓漿材料具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[3]。

表3 最優(yōu)配比下壓漿材料性能指標(biāo)

3 壓漿工藝

3.1 工藝流程

采用IGS-500B智能壓漿系統(tǒng)(系統(tǒng)壓力分度值0.05 MPa，最大量程1.0 MPa，攪拌機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)不小于1 000 r/min)進(jìn)行壓漿施工，具體工藝流程見圖3。壓漿工藝流程可簡(jiǎn)述為：壓漿前的準(zhǔn)備工作→漿體攪拌→低速儲(chǔ)漿、抽真空→壓漿施工拆除壓漿管道，結(jié)束注漿等五個(gè)步驟。

圖3 壓漿工藝流程

3.2 質(zhì)量控制注意事項(xiàng)

壓漿過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：①壓漿管應(yīng)選用高強(qiáng)橡膠管(抗壓能力>2 MPa)，以確保帶壓注漿過(guò)程中不會(huì)發(fā)生管道破裂；②壓漿順序?yàn)橄壬虾笙?，壓漿壓力保持在0.5 MPa，當(dāng)壓漿管長(zhǎng)度超過(guò)30 m時(shí)，宜增加0.1 MPa 的壓漿壓力，穩(wěn)壓時(shí)間嚴(yán)格控住在3 min，穩(wěn)壓壓力為0.5～0.6 MPa；③水泥漿攪拌結(jié)束至壓入管道的時(shí)間間隔不應(yīng)超過(guò)40 min。

3.3 效果評(píng)價(jià)

壓漿密實(shí)度是評(píng)價(jià)孔道壓漿的主要指標(biāo)，但是壓漿密實(shí)度作為一項(xiàng)隱秘工程，很難對(duì)其做出準(zhǔn)確檢測(cè)，通過(guò)管道開刀、鉆芯取樣等傳統(tǒng)手段會(huì)對(duì)壓漿管道產(chǎn)生破壞和損傷，而超聲波法、彈性波、電磁波等無(wú)損檢測(cè)手段的應(yīng)用在近年來(lái)得到一定進(jìn)展，但存在很多技術(shù)局限性，很多時(shí)候無(wú)損檢測(cè)精度往往很難達(dá)到預(yù)期效果[4-5]。因此在本工程中采用實(shí)際壓漿量與理論壓漿量的比值來(lái)對(duì)壓漿密實(shí)度進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)對(duì)800多個(gè)預(yù)應(yīng)力孔道壓漿量的實(shí)測(cè)，結(jié)果表明：97.95%的孔道實(shí)測(cè)壓漿量超過(guò)理論壓漿量的下限，表明本次預(yù)應(yīng)力孔道壓漿工作取得圓滿成功。

4 結(jié)束語(yǔ)

以鄭萬(wàn)高鐵湖北段ZWZQ-6標(biāo)后張法預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁孔道壓漿施工為例，對(duì)壓漿材料進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，結(jié)果表明：

(1)四種灌漿外摻改性材料對(duì)壓漿材料抗折強(qiáng)度的影響排序?yàn)椋汗杌?超強(qiáng)吸水樹脂>聚乙烯醇纖維>橡膠粉。

(2)硅灰1%+超強(qiáng)吸水樹脂0.1%+聚乙烯醇纖維0.3%+橡膠粉3.0%為最佳的復(fù)配抗折材料方案(A2B2C3D3)，在此方案下，壓漿材料具備高抗折、微膨脹等特性，同時(shí)兼具良好的社會(huì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。

(3)對(duì)摻入復(fù)配抗折材料的壓漿材料孔道壓漿工藝進(jìn)行了技術(shù)總結(jié)，提出了壓漿過(guò)程中需要注意的技術(shù)要求，可為類似預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁孔道壓漿施工提供借鑒。