预应力孔道压浆掺亚硝酸钙改善浆体性能研究

2013-09-06熊慧中张立光田清文

森林工程 2013年4期

熊慧中，张立光，田清文

（1.东北林业大学工程咨询设计研究院，哈尔滨150040;2.东北林业大学土木工程学院，哈尔滨 150040）

富绥松花江公路大桥位于黑龙江省东北部三江平原地区，松花江干流下游富锦至绥滨江段。松花江流域地处北温带季风气候区，大陆性气候特点十分明显，冬季严寒漫长，夏、秋降雨集中，春季干燥多风，秋季降温急剧，常有冻害发生，桥址处年均2.5℃，年内温差较大，七月份平均气温21.9℃，极端最高气温37.1℃，一月份平均气温－20.1℃，极端最低温度－37.8℃。松花江公路大桥主桥采用悬臂浇筑预应力混凝土连续箱梁，设计强度C55;引桥采用预应力混凝土简支转连续T型梁，设计强度C50。全桥总长3 470 m，桥面总宽23 m，双向四车道，一级公路标准，设计使用寿命100 a。亚硝酸钙的分子式为Ca（NO2）2，分子量132，亚硝酸钙是一种用于混凝土工程施工的新型外加剂，它具有早强、防冻、阻锈作用［1］。

1 背景和机理

1.1 预应力孔道压浆质量不佳造成桥梁毁损的事例

众所周知，英国的Ynys－Gwas桥梁建于1953年，在使用了32 a后于1985年12月4日突然倒塌，经过英国运输与道路研究试验室（TRRL）对倒塌的桥梁进行分析，发现桥梁倒塌是由于预应力灌浆不密实，使预应力筋锈蚀所致。建于1957年的美国康涅狄格州的Bissell大桥，因为预应力筋锈蚀导致桥梁的安全度下降，在使用了35 a之后，在1992年不得不炸毁重建。另外美国从地震垮塌的后张法预应力桥梁构件上截取若干断面解剖测试，发现后张法预应力结构因孔道压浆不密实而造成的预应力筋锈蚀、断面锐减、断丝及应力损失严重等致命的质量问题，为此曾一度禁止后张法预应力结构的应用［2］。通过近几年的调查和调查资料证明，我国于80年代中期至本世纪初期兴建的一批预应力混凝土梁桥，压浆不实是一个普遍存在的现象，个别桥梁该问题还十分突出，这里有压浆工艺方面的原因和配合比方面的原因［3］。因此对后张法预应力结构孔道压浆浆体配合比优化是很有现实意义的。

1.2 预应力管道压浆游离水造成的危害和机理分析

钢筋锈蚀是混凝土结构损坏的机理之一，而孔道压浆的作用是排除孔道内的水和空气，使预应力筋被碱性水泥石包裹，防止预应力筋被腐蚀，保证预应力构件的耐久性。孔道压浆的第二个作用是使预应力钢筋通过水泥石与周围混凝土结成一个整体，将预应力钢筋上的力均匀地传入到结构物中，从而既能减轻锚具的受力，又能提高构件的承载能力、抗裂性能和耐久性。

如果预应力孔道中有游离水的存在，在低温冻胀后，沿预应力孔道方向出现裂缝，这种裂缝是不可恢复的。如果此游离水不被清除则裂缝会越来越大，裂缝的存在增加了混凝土的渗透性，使钢筋产生锈蚀。另一方面预应力钢筋腐蚀后，体积膨胀，又会进一步加剧顺筋裂缝的扩展。如此恶性循环，有极大的危险性，影响结构耐久性。当有二氧化碳和水气侵入混凝土内部，与混凝土中的碱性物质中和，导致混凝土的pH值降低，造成全部或部分钢绞线表面钝化膜破坏。由于钢材材质和表面的非均匀性，在钢绞线表面的不同部位总会出现较大的电位差，形成阳极和阴极。因此在潮湿环境下，由于氧气和水的参与，预应力筋就有可能发生电化学反应:

在阳极的反应为:Fe=Fe2++2e－。在阴极的反应为:2H2O+O2=4（OH）－－4e－。阴极、阳极生成的铁离子和氢氧根离子结合生成氢氧化铁。

上述电化学反应使钢绞线表面的铁不断失去电子而溶于水，钢绞线逐渐被腐蚀，反应生成的氢氧化铁进一步氧化形成铁锈Fe（HO）3·3H2O，铁锈膨胀，将引起混凝土开裂对于预应力钢绞线而言，因应力较大对腐蚀的敏感性大可能构件表面还未出现裂缝，构件就会因应力腐蚀造成钢绞线突然断裂［4］。

综上所述，现代预应力混凝土桥梁孔道内压浆不实、泌水是影响结构的极限承载能力和结构的耐久性的重要因素之一。

1.3 新旧桥规对于流动度和泌水要求

在桥规（JTJ041－2000）中规定3 h的泌水率为2%，24 h完全被浆体吸收。由于试验室在配制浆体确定配合比时，容器可吸收浆体面的直径与长度（高度）的比在1∶2左右，而在实际施工管道为U型时，其可以吸收面的直径与孔道总长之比在百分一，游离水不能全部被浆体吸收，只能存在于管道高点处，造成冻胀。因而工程需要无泌水、稠度在10～17 s凝结时间缩短的优质水泥浆。在新版桥规（JTJ041－2011）中，水泥浆稠度、泌水率都做了调整［5］，详见表1。

表1 新旧规范预应力孔道压浆浆液流动度、泌水率对比Tab.1 Comparison of pre-stressed duct grouting slurry fluidity and bleeding rate under different specifications

2 试验准备与试验方法

（1）试验材料。水泥PO52.5哈尔滨亚泰水泥厂“天鹅牌”，UEA－膨胀剂、聚羧酸KMSP型高效减水剂、亚硝酸钙均为黑龙江科曼公司提供。

（2）试验设备。EW300压力试验机、水泥浆稠度仪、－40℃医用冰箱、维卡仪和秒表等。

以已固定成型的配合比为对照，用不同的亚硝酸钙掺量，了解其对水泥浆泌水、凝结时间、强度的影响。模拟初冬环境，第一组将新鲜水泥浆浇入玻璃容器和试模中，分别在1 h、5 h、10 h放入－20℃冰箱冷冻，白天放室内温度12℃左右，晚间放－20℃冰柜内，观察玻璃容器内浆体的膨胀并测7 d强度。第二组将新鲜水泥浆浇入玻璃容器和试模中分别在1 h、5 h、10 h放入－20℃冰箱冷冻2个月，再在室温（12℃ －16℃）放3个月后压件，测冷冻对强度的影响。

3 试验过程和结果

对试验得到的数据结果汇总，用来比较亚硝酸钙的掺量对泌水、凝结时间、强度的影响、交替冷冻对强度的影响和长期冷冻对强度的影响，结果见表2、表3和表4。

表2 亚硝酸钙的掺量对泌水、凝结时间、强度影响Tab.2 Effects of calcium nitrite addition on bleeding，setting time，and strength

表3 交替冷冻对强度的影响Tab.3 Alternate freezing effect on strength

表4 长期冷冻对强度的影响Tab.4 Long term frozen effect on strength

4 试验结果分析

从实验结果可知，当亚硝酸钙掺量在0.7%～4%之间时，均比对照组缩短了凝结时间，而继续加大亚硝酸钙掺量凝结时间反而越来越长，如图1所示;当亚硝酸钙掺量在0.7% ～2.8%之间时，没有泌水发生，而当掺量超过4.2%时泌水量越来越多，如图2所示;当亚硝酸钙掺量在0.7%～2.0%之间时，对强度没有大的影响，但是当亚硝酸钙掺量大于2.8%之间时，强度下降明显，如图3所示。新鲜水泥浆浇入试模立即放入－20℃环境冷冻时，浆体中央凹陷，四周隆起，体积不稳定。新鲜水泥浆浇入试模1 h后放入－20℃环境冷冻时，试件表面平整，浆体均匀，没有分层等现象。而接近初凝才放入－20℃环境冷冻的试件对抗压强度影响不大。通过观察掺亚硝酸钙对浆体膨胀量基本无影响，对于容器内的浆体，只要没有游离水就不发生冻胀。