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優(yōu)質(zhì)灌漿質(zhì)量+專業(yè)設(shè)備=密實(shí)灌漿——中交武漢港灣工程設(shè)計(jì)研究院有限公司新材料研究所所長屠柳青
- 發(fā)布日期：2023-04-06 14:18:14
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- 來源：灌漿料網(wǎng)
橋梁預(yù)應(yīng)力管道CG-100高性能灌漿材料現(xiàn)場工藝試驗(yàn)研究
1.概述 隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)施的蓬勃發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)因其顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢而在大型橋梁結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的所有優(yōu)勢，都必須建立在預(yù)應(yīng)力筋與結(jié)構(gòu)混凝土粘結(jié)完好的基礎(chǔ)上。預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)體系中，管道灌漿的作用主要有三點(diǎn)：一是保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼筋不外露而遭銹蝕，保證預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全；二是使預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土有良好的粘結(jié)，保證它們之間預(yù)應(yīng)力的有效傳遞，使預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土共同作用；三是消除預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下應(yīng)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(jié)構(gòu)的可靠性。因此，管道灌漿質(zhì)量的好壞，將直接影響整個(gè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，管道灌漿已是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中的一道關(guān)鍵工序。 實(shí)際工程中，因預(yù)應(yīng)力管道灌漿質(zhì)量造成橋梁坍塌事故的報(bào)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(shí)，中間的9根I梁全部損壞，縱向接縫和橫向縫處的預(yù)應(yīng)力鋼索嚴(yán)重銹蝕。事后英國運(yùn)輸與道路研究實(shí)驗(yàn)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(shí)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(yù)應(yīng)力管道中，8根管道灌漿密實(shí)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(yù)應(yīng)力鋼絲束銹蝕嚴(yán)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(dǎo)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(dāng)鋼絲束截面面積減小到無法承受外荷載時(shí)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(shí)Schelde河上的一座橋梁。
國內(nèi)，在對錢江三橋隨機(jī)抽檢的35根管道檢查中發(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)無漿高達(dá)72%，不飽滿占11.42%，開孔流水達(dá)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(shí)。這給我國預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和耐久性埋下了巨大隱患。
為了保證我國預(yù)應(yīng)力混凝土工程的質(zhì)量和耐久性，必須對管道灌漿技術(shù)進(jìn)行認(rèn)真深入的研究。本項(xiàng)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(yàn)，開展現(xiàn)場灌漿工藝研究，驗(yàn)證中橋CG-100高性能灌漿料及灌漿設(shè)備的技術(shù)先進(jìn)性。
2.管道灌漿問題分析及現(xiàn)狀
據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)資料研究結(jié)果，導(dǎo)致我國預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)管道灌漿質(zhì)量普遍較差的主要原因有以下幾點(diǎn)：
（1）灌漿材料：灌漿用的水泥漿質(zhì)量好壞將直接關(guān)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(yù)應(yīng)力筋耐久性的影響。
（2）灌漿工藝：由于缺乏系統(tǒng)試驗(yàn)資料，目前灌漿工藝較為簡單，設(shè)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(shù)規(guī)范：我國現(xiàn)行的管道灌漿技術(shù)規(guī)范對灌漿材料、灌漿設(shè)備和灌漿工藝要求都十分低，同時(shí)對一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)缺乏相應(yīng)規(guī)定，如灌漿材料的耐久性指標(biāo)，這也間接導(dǎo)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(jìn)行評價(jià)的有效檢測手段：缺少有效的檢測手段致使預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力筋的使用效率及壽命，一般不會導(dǎo)致構(gòu)件短時(shí)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(shí)間，隱疾突發(fā)，后果將不堪設(shè)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(yù)應(yīng)力工程的質(zhì)量重點(diǎn)放在預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉上，很少人關(guān)注灌漿的質(zhì)量。
2.1.管道灌漿料現(xiàn)狀
在國內(nèi)，預(yù)應(yīng)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(shí)，采用水泥、水、減水劑、膨脹劑、增稠劑等進(jìn)行現(xiàn)場配制。現(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(yīng)在24小時(shí)內(nèi)重新被灰漿吸收；灌漿料的粘稠度應(yīng)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(qiáng)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(yīng)性差等問題，造成管道灌漿存在以下嚴(yán)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(jié)時(shí)間不適中，漿體壓漿時(shí)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(shí)，氣泡、針隙類空隙多，與預(yù)應(yīng)力筋粘結(jié)不實(shí)，漿體中甚至有斷紋，管道不飽滿，高點(diǎn)處漿體起粉等。上述問題不僅影響施工，而且直接關(guān)乎橋梁結(jié)構(gòu)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(jìn)行了一定的改善，采用水泥、水和外加劑包進(jìn)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(gè)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(yīng)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(yù)拌商品灌漿料，預(yù)拌商品灌漿料是工廠化的產(chǎn)品，事先通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)，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?dāng)嚢璩蓾{體即可。采用預(yù)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(yīng)性差等問題。
目前，對預(yù)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(xì)水泥對水泥灌漿料進(jìn)行改性是目前研究的熱點(diǎn)。
美國的工程實(shí)踐表明超細(xì)水泥灌漿是一種極好的方法，可以灌入細(xì)砂和細(xì)裂縫的巖石與混凝土中，其可灌性能與化學(xué)漿材相當(dāng)。德國的P.Noske指出超細(xì)水泥可以制成懸浮液應(yīng)用于巖土灌漿工程，成為化學(xué)灌漿材料的替代物，并且有不污染環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。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(xué)漿液(聚氨脂、環(huán)氧樹脂等)和超細(xì)水泥新品種。對于浮動裂隙或低溫下進(jìn)行灌漿還要保持結(jié)構(gòu)完整性，則推薦使用超細(xì)水泥。瑞典P.Borchardt指出超細(xì)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(xué)漿材耐久性差，并對環(huán)境有污染。T.A.Melbye指出超細(xì)水泥有許多優(yōu)點(diǎn)，可以用普通水泥的灌漿技術(shù)和設(shè)備，比普通水泥具有更好的可灌性，可以代替化學(xué)漿材，具有良好的工作環(huán)境、耐久性好、強(qiáng)度高、比化學(xué)漿材更經(jīng)濟(jì)。
在國內(nèi)，高校、科研機(jī)構(gòu)同樣對灌漿材料的改性做了大量研究工作。同濟(jì)大學(xué)混凝土材料國家重點(diǎn)試驗(yàn)室對摻礦物微粉的水泥漿體進(jìn)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(guān)系。并且在幾個(gè)顆粒群特征參量中，分別確定其一，變化其它參量進(jìn)行對比試驗(yàn)，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(jìn)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(yīng)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(chǔ)灌漿帷幕衰減和失效的事例，認(rèn)為對于水泥灌漿存在的問題應(yīng)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(shí)際數(shù)據(jù)。他們認(rèn)為，礦物摻和料的細(xì)度是對水泥漿體流變性能影響的主要因素，不同摻量時(shí)對漿體的流變性能影響有很大的差異。重慶大學(xué)材料學(xué)院的張馳等人利用磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)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(fù)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(shí)，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(yīng)用和研究現(xiàn)狀可知，國內(nèi)管道灌漿料應(yīng)用水平較國外差，這直接導(dǎo)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(yù)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(shè)備及工藝現(xiàn)狀
預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)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(shí)，通常采用慢速攪漿機(jī)，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(jī)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(jī)拌制的低水灰比(水灰比為0.35)灌漿料漿體流錐時(shí)間、泌水率、強(qiáng)度、膨脹率指標(biāo)，均好于慢速攪漿機(jī)。因此，開發(fā)與新型高性能灌漿料相配套的攪漿設(shè)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(shè)置的高點(diǎn)和低點(diǎn)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(dāng)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(gòu)件的腐蝕；同時(shí)，在北方嚴(yán)寒地區(qū)，由于溫度低，這些水會結(jié)成冰，可能脹裂構(gòu)件，造成嚴(yán)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(qiáng)度不夠，粘結(jié)不好，為工程留下隱患。為了防止預(yù)應(yīng)力筋被腐蝕，提高結(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力管道中的空氣，使管道達(dá)到負(fù)壓0.1MPa左右的真空度，然后在管道的另一端用壓漿機(jī)以不小于0.7MPa的正壓力將水泥漿壓入預(yù)應(yīng)力管道，以此提高管道灌漿的密實(shí)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(guān)鍵部位，提高了管道灌漿的密實(shí)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(jié)構(gòu)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(yáng)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(bǔ)漿的措施。因此在實(shí)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(jìn)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(guān)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(shí)，各種配料幾乎采用人工計(jì)量，摻量得不到嚴(yán)格控制，攪拌出的漿體與設(shè)計(jì)的配比不符。因此，開展改進(jìn)灌漿工藝的研究，開發(fā)全機(jī)械化、全自動化控制的計(jì)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(guān)技術(shù)規(guī)范現(xiàn)狀 2.3.1國外管道灌漿技術(shù)規(guī)范
國外管道灌漿技術(shù)規(guī)范以歐盟規(guī)范BS EN 445446447:2007——Grout for prestressing tendons和美國后張預(yù)應(yīng)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(dá)交通局(FlaDOT)制定的管道灌漿技術(shù)規(guī)范。
（一）歐盟規(guī)范
歐盟規(guī)范BS EN 445446447:2007——Grout for prestressing tendons詳細(xì)規(guī)定了管道灌漿料的技術(shù)指標(biāo)要求、灌漿料各種性能指標(biāo)測試方法以及管道灌漿施工工藝，是目前國際上**為先進(jìn)的預(yù)應(yīng)力管道灌漿技術(shù)規(guī)范，本節(jié)將重點(diǎn)介紹。
歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN 445446447:2007——Grout for prestressing tendons中規(guī)定用于預(yù)應(yīng)力管道灌漿的灌漿料技術(shù)指標(biāo)包括有害離子含量、細(xì)度、流動性、泌水性、體積穩(wěn)定性、強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間和密度八大指標(biāo)，具體技術(shù)要求及測試方法如下：
（1）有害離子含量
預(yù)應(yīng)力管道灌漿料中的有害離子包括Cl-、SO32-和S2-，規(guī)范規(guī)定Cl-、SO32-和S2-含量分別不超過水泥重量的0.1%、4.5%和0.01%。
（2）細(xì)度
采用篩孔通過率來表征灌漿料細(xì)度，規(guī)定2mm篩孔通過率為100%。
（3）流動性
采用流出時(shí)間或擴(kuò)展度來表征灌漿料流動性。規(guī)定初始流出時(shí)間不大于25s，30min后流出時(shí)間在0.8-1.2倍初始流出時(shí)間之間，同時(shí)不大于25s；規(guī)定初始擴(kuò)展度不小于140mm，30min后擴(kuò)展度在0.8-1.2倍初始擴(kuò)展度之間，同時(shí)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(qiáng)度
成型40×40×160mm棱柱體用于測定灌漿料抗壓強(qiáng)度，規(guī)定3d抗壓強(qiáng)度不小于27MPa，28d抗壓強(qiáng)度不小于30MPa。
（7）凝結(jié)時(shí)間
規(guī)定初凝時(shí)間不小于3h，終凝時(shí)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(biāo)無要求。
（二)美國后張預(yù)應(yīng)力協(xié)會(PTI) 規(guī)范
美國后張預(yù)應(yīng)力協(xié)會(PTI) 規(guī)范"Specification for Grouting of Post-Tensioned Structures"中對預(yù)應(yīng)力管道灌漿料技術(shù)指標(biāo)規(guī)定包括流動性、泌水性、體積穩(wěn)定性、凝結(jié)時(shí)間、強(qiáng)度和抗?jié)B性，具體指標(biāo)要求見表2-1。相比歐盟標(biāo)準(zhǔn)BS EN 445446447:2007，后張預(yù)應(yīng)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(xì)度的規(guī)定。
表2-1 后張預(yù)應(yīng)力協(xié)會(PTI) 規(guī)范規(guī)定的管道灌漿料技術(shù)指標(biāo)要求
