k-g管道壓漿劑的研制

k-g管道壓漿劑的研制

0預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)壓漿性能要求預(yù)緊器壓漿是指將壓漿材料注入預(yù)埋混凝土管道，使壓漿材料完全包裹預(yù)聲明的肌肉。其作用是保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼筋不銹蝕并使其與混凝土良好結(jié)合,保證預(yù)應(yīng)力的有效傳遞,使預(yù)應(yīng)力鋼筋與混凝土共同工作,提高結(jié)構(gòu)的可靠度和耐久性。傳統(tǒng)的管道壓漿施工方法是直接在管道中灌注水泥漿體。水泥水化形成氫氧化鈣使孔隙中的水分呈堿性(pH=12~14),鋼筋在堿性介質(zhì)中能夠形成抑制鋼筋氧化銹蝕的鈍化膜。因此,當(dāng)預(yù)制梁管道水泥漿灌注密實(shí)時(shí),預(yù)應(yīng)力筋會(huì)受到水泥的有效保護(hù)。但是,當(dāng)預(yù)應(yīng)力管道壓漿不飽滿導(dǎo)致碳化過(guò)程或水中氯離子引起鈍化膜破壞,會(huì)引起鋼筋生銹,減少鋼筋的受力面積。此外,由于腐蝕速率與鋼筋受力大小成正比,對(duì)處于高應(yīng)力狀態(tài)下的預(yù)應(yīng)力鋼筋更加不利,預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)就可能發(fā)生腐蝕與拉應(yīng)力作用下鋼筋晶粒間或跨晶粒斷裂的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象或H2S與鐵作用或雜散電流陰極腐蝕產(chǎn)生的氫脆腐蝕現(xiàn)象。20世紀(jì)80年代中期,歐洲幾座預(yù)應(yīng)力混凝土大橋的倒塌就是由于預(yù)應(yīng)力鋼筋受到腐蝕造成的。近年來(lái)對(duì)國(guó)內(nèi)鐵路后張梁管道壓漿情況的調(diào)查,在不同時(shí)期均有施工缺陷和劣化現(xiàn)象產(chǎn)生,隨著后張梁服役期的增加,管道漿體的局部缺陷會(huì)造成梁體結(jié)構(gòu)的劣化和損壞,甚至失去使用功能,如石家莊百孔大橋T型梁發(fā)生預(yù)應(yīng)力束銹斷,對(duì)運(yùn)營(yíng)和安全造成了不利影響。因此,保證管道漿體質(zhì)量是預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕保護(hù)的最后一道防線,也是保證結(jié)構(gòu)耐久性的重要條件之一。因此,美國(guó)于1997由美國(guó)后張法預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)提出了《后張法預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)壓漿規(guī)范》。國(guó)內(nèi)交通部2000年制訂了JTJ041—2000《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》,對(duì)管道壓漿材料的稠度、泌水率、體積變化率、水灰比、抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行了規(guī)定。中國(guó)工程院陳肇源院士等專家編寫了CCES01:2004《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工指南》,提出壓漿材料自身的耐久性能和預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量缺陷是影響預(yù)應(yīng)力體系耐久性能的主要因素。2008年鐵道部發(fā)布了TB/T3192—2008《鐵路混凝土后張法預(yù)應(yīng)力梁管道壓漿技術(shù)條件》,對(duì)鐵路管道壓漿材料提出了詳細(xì)明確的技術(shù)要求。通過(guò)比選原材料,優(yōu)化材料配合比,改善漿體的性能,降低漿體的泌水率,提高漿體的保水能力、勻質(zhì)性;保證漿體的可操作性能和施工性能,改善管道內(nèi)漿體的充盈性;降低漿體早期塑性收縮,改善后期的微膨脹效果、對(duì)鋼筋進(jìn)行保護(hù)等方面進(jìn)行試驗(yàn)研究,研制出質(zhì)量?jī)?yōu)異,滿足鐵路標(biāo)準(zhǔn)的壓漿材料。1試驗(yàn)與研究1.1膠結(jié)和水泥材料(1)水泥:水泥是組成壓漿材料的主要成分,一般采用硅酸鹽水泥或者普通硅酸鹽水泥。這類水泥是以硅酸鈣為主要成分的硅酸鹽水泥熟料,加入適量混合材料和磨細(xì)石膏制成的水硬性膠結(jié)材料,主要成分是一致的,但其生產(chǎn)工藝、原料種類、摻合材的種類和質(zhì)量、礦物組成與細(xì)度等有些不同,性能上會(huì)產(chǎn)生一定的差異。設(shè)計(jì)壓漿材料的配合比前應(yīng)了解各種水泥材料的組成及性能,以便在不同的工況、不同的季節(jié)合理優(yōu)化壓漿劑的配方。試驗(yàn)選用具有代表性工地常用的P·O42.5級(jí)水泥,水泥品種有金隅水泥、賽馬水泥、山水水泥和海螺水泥等。(2)管道壓漿材料:壓漿材料設(shè)計(jì)采用10%~15%的壓漿劑和水泥組成。經(jīng)試驗(yàn)分析,壓漿劑應(yīng)由減水組分,保水組分,膨脹組分,阻銹組分,引氣組分和礦物摻合料等材料組成。1.2預(yù)應(yīng)力梁管道壓漿性能試驗(yàn)流動(dòng)度試驗(yàn)、自由泌水率和24h自由膨脹率、毛細(xì)泌水率、壓力泌水率和充盈度試驗(yàn)分別采用TB/T3192—2008《鐵路混凝土后張法預(yù)應(yīng)力梁管道壓漿技術(shù)條件》附錄A、B、C、D、E進(jìn)行。強(qiáng)度試驗(yàn)采用GB/T17671—1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法。膨脹變形性能試驗(yàn)采用JC476《混凝土膨脹劑》中的限制膨脹率試驗(yàn)方法。鋼筋銹蝕性能試驗(yàn)采用GB8076《混凝土外加劑》中規(guī)定的新拌砂漿法,將壓漿砂漿材料的拌制改為管道壓漿材料的拌制方法(水料比:0.33)。1.3管壓漿劑性能試驗(yàn)(1)工作性能試驗(yàn):漿體的工作性能對(duì)硬化漿體的質(zhì)量及施工質(zhì)量有很大影響,主要包括流動(dòng)度、泌水率(包括自由泌水率、毛細(xì)泌水率和壓力泌水率)和充盈度等。漿體的流動(dòng)度直接反映施工難易程度,采用漿體流出流動(dòng)錐的時(shí)間來(lái)表征流動(dòng)性好壞,流出時(shí)間長(zhǎng)短能夠較準(zhǔn)確的反映出漿體在管道中流動(dòng)的難易程度。較大的流動(dòng)度具有較長(zhǎng)的可操作時(shí)間,漿體能夠充滿管道,而較小的流動(dòng)度,有利于驅(qū)除管道中的空氣和水分,有利于漿體密實(shí)。泌水率性能反映漿體拌合物性能的重要指標(biāo),漿體如果泌水會(huì)在管道中形成孔洞或者水囊,導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力筋不能完全被水泥漿體包裹,易發(fā)生銹蝕。漿體的泌水率一般通過(guò)24h自由泌水率、毛細(xì)泌水率和壓力泌水率三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。(1)24h自由泌水率檢測(cè)常壓下漿體出現(xiàn)泌水。由于組成漿體的材料密度不同,產(chǎn)生分層時(shí),水上升到管道的頂端,水泥顆粒下沉,頂端的水被吸收后,形成空腔,影響了漿體對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)效果。(2)漿體與預(yù)應(yīng)力筋接觸的地方,容易形成毛細(xì)現(xiàn)象,而產(chǎn)生泌水。插入鋼絲束模擬現(xiàn)場(chǎng)情況,進(jìn)行毛細(xì)泌水率試驗(yàn)。(3)壓力泌水是模擬在施工壓力情況下管道中漿體的泌水情況。充盈度試驗(yàn)采用內(nèi)徑為40mm的透明有機(jī)玻璃管,兩端的直管夾角為120°,每部分長(zhǎng)度為0.5m,兩部分通過(guò)黏結(jié)劑密封黏結(jié)。按規(guī)定的方法拌制好漿體后,靜置1min,通過(guò)流動(dòng)錐將漿體灌入固定在固定架上的充盈度管中。充完漿體后,用塑料薄膜封閉圓管的兩端。在(20±3)℃的條件下放置7d,觀察管內(nèi)部是否有直徑大于3mm的氣囊,或者是否存在水囊或水蒸氣,在管道的兩端是否有泡沫層。如存在厚度超過(guò)1mm的泡沫層,或存在直徑大于3mm的氣囊,或者體積大于1mL的水,則判定不合格,充盈度試驗(yàn)見示意圖1。工作性能試驗(yàn)結(jié)果見表1。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出純水泥漿體泌水多,狀態(tài)差,硬化后氣泡多不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在摻加10%的TK-G壓漿劑后壓漿料流動(dòng)度增加,泌水率顯著改善,漿體普遍狀態(tài)好、氣泡少、泌水少、填充密實(shí),能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。(2)力學(xué)性能試驗(yàn):采用7、28d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度判定力學(xué)性能,由于現(xiàn)場(chǎng)施工所選水泥廠家與品種不同,水泥本身性能有差異,其力學(xué)性能也有差異。試驗(yàn)結(jié)果見表2,結(jié)果表明:7d抗壓強(qiáng)度為45.6~61.3MPa,7d抗折強(qiáng)度為6.8~10.7MPa,28d抗壓強(qiáng)度為60.2~86.5MPa,28d抗折強(qiáng)度為10.9~13.9MPa,不同水泥的強(qiáng)度波動(dòng)較大,但均能滿足TB/T3192要求。(3)膨脹變形性能試驗(yàn):膨脹變形分為塑性階段和硬化后階段,塑性階段的變形由于存在沉降、失水、化學(xué)收縮等綜合因素,因此會(huì)造成一定程度的收縮。圖2所示的模型解釋了塑性收縮(沉降)部分來(lái)自蒸發(fā),部分來(lái)自水化(化學(xué)收縮)。隨著水化的進(jìn)行,水化結(jié)晶體達(dá)到某一臨界尺寸,此時(shí)水化產(chǎn)物相互支撐在一起。晶體任何進(jìn)一步的生長(zhǎng)均會(huì)引起基體的膨脹,水化消耗的水分亦會(huì)在基體內(nèi)造成孔隙的形成。管道壓漿料在凝結(jié)前塑性階段必須產(chǎn)生足夠的膨脹驅(qū)動(dòng)力,才能有效補(bǔ)償塑性階段的收縮。試驗(yàn)在多元復(fù)合的思想上研制出專用的膨脹組分加入到壓漿劑中。漿體塑性階段體積穩(wěn)定性的指標(biāo)采用24h自由膨脹率表示,24h自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果見圖3(水膠比0.33,摻量為10%的編號(hào)為GPZ01和摻量為15%的編號(hào)為GPZ02),結(jié)果表明24h內(nèi)漿體具有較好的自由膨脹率,能達(dá)到1.2%左右。另外,考慮到硬化后的漿體仍需具有一定的膨脹性能,TB/T3192標(biāo)準(zhǔn)中雖然沒(méi)有28d限制膨脹率這個(gè)指標(biāo),本項(xiàng)目也進(jìn)行了研究。28d限制膨脹性能結(jié)果見圖4(水膠比:0.33,摻量為10%的編號(hào)為CPQ1,摻量為15%的編號(hào)為CPQ2),28d限制膨脹率在14d達(dá)到0.12%左右的膨脹率后基本保持穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明,研制的管道壓漿劑具有較好的早期自由膨脹效果,硬化后漿體仍有少量膨脹,28d基本保持穩(wěn)定。(4)鋼筋銹蝕性能試驗(yàn)。預(yù)應(yīng)力筋銹蝕是后張梁結(jié)構(gòu)遭到破壞的主要原因。為保證管道壓漿料對(duì)預(yù)應(yīng)力筋的保護(hù)作用,材料中不應(yīng)摻加含有對(duì)預(yù)應(yīng)力筋有害的外加劑,氯離子含量不得超過(guò)膠凝材料總量的0.06%,不得加入U(xiǎn)EA和鋁粉等物質(zhì)或其他對(duì)預(yù)應(yīng)力筋有腐蝕作用的外加劑,同時(shí)采用降低水膠比、加入阻銹成分等技術(shù)手段。由電位-時(shí)間試驗(yàn)結(jié)果曲線分析可知,管道壓漿材料的陽(yáng)極鋼筋電位值未下降,表明電位-時(shí)間曲線為鈍化曲線,即陽(yáng)極鋼筋表面鈍化膜完好無(wú)損,所測(cè)管道壓漿劑對(duì)鋼筋是無(wú)害的。通過(guò)以上系列試驗(yàn)研究,項(xiàng)目組成功開發(fā)出TK-G型管道壓漿劑產(chǎn)品,產(chǎn)品性能符合鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,可以有效提高管道壓漿的質(zhì)量,保護(hù)預(yù)應(yīng)力鋼筋以確保橋梁的正常使用壽命。產(chǎn)品在2009年獲得國(guó)家發(fā)明專利一項(xiàng)“一種高性能水泥基無(wú)收縮防腐蝕灌漿劑(專利號(hào):2007101438121)”。2經(jīng)濟(jì)效益分析目前,研制生產(chǎn)的TK-G管道壓漿劑已廣泛應(yīng)用于合武鐵路客運(yùn)專線、膠濟(jì)鐵路客運(yùn)專線、武廣鐵路客運(yùn)專線、溫福鐵路客運(yùn)專線、福廈鐵路客運(yùn)專線、哈大鐵路客運(yùn)專線、京滬高鐵、鄭西鐵路客運(yùn)專線、昌九城際鐵路、太中銀鐵路、南昌西環(huán)線、海南東環(huán)線等十多個(gè)國(guó)內(nèi)鐵路項(xiàng)目中,各使用單位反應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、使用方便,產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益。產(chǎn)品近1年的抽檢結(jié)果見表3,其性能指標(biāo)均滿足TB/T3192—2008技術(shù)要求,氯離子含量均小于0.02%,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。3抗壓強(qiáng)度測(cè)試在室內(nèi)試驗(yàn)分析研究的基礎(chǔ)上,選用編號(hào)2和編號(hào)3配合比生產(chǎn)強(qiáng)度等級(jí)分別為C15與C20的大摻量工業(yè)廢渣混凝土防滲U型渠槽;在現(xiàn)場(chǎng)取樣做抗壓強(qiáng)度試件,試件與生產(chǎn)的混凝土防滲U型渠槽同條件養(yǎng)護(hù);定期觀察U型槽表面,看是否有裂紋。強(qiáng)度等級(jí)為C15和C20試塊在同等條件下養(yǎng)護(hù)至90d時(shí),測(cè)試抗壓強(qiáng)度分別為22.4、26.1MPa,能夠達(dá)到C15和C20等級(jí)的要求;對(duì)U型槽表面定期觀察,U型槽內(nèi)外表面均無(wú)裂紋,內(nèi)表面光滑,表觀質(zhì)量合格,產(chǎn)品見圖4。4鋼渣微粉的制備(1)用水泥、III級(jí)粉煤灰、鋼渣微粉作為膠凝材料時(shí),鋼渣微粉所占