新型桥梁预应力孔道压浆剂配合比优化研究

马士宾，杨鑫玮，孙敬福，陈 奕

（河北工业大学 土木工程学院，天津 300401）

新型桥梁预应力孔道压浆剂配合比优化研究

马士宾，杨鑫玮，孙敬福，陈 奕

（河北工业大学 土木工程学院，天津 300401）

根据最新颁布的《公路桥涵施工技术规范》的要求，以粉煤灰、硅灰、减水剂、膨胀剂、纤维素、消泡剂为原材料，配制了预应力孔道压浆剂．首先通过试验系统研究了各种原材料对压浆剂的流动度和抗压强度的影响，然后应用响应面法对配合比进行了优化．试验结果表明：减水剂用量会使压浆料流动度增大，而硅灰、粉煤灰则在一定程度上提高浆液的流动度．优化后的压浆料流动度在16 s以内，而抗压强度7 d、28 d分别能达到60Mpa、74MPa以上，且同组数据误差均在10%以内，强度变异性显著降低，能够满足工程需要．

压浆剂；抗压强度；响应面；配合比优化

从19世纪50年代以来，预应力技术在国内外桥梁建设中得到了广泛应用．预应力混凝土结构之所以能在短时间内得到迅速发展是因为混凝土和钢筋有着相似的温度膨胀系数，与钢筋更好的协同工作，防止了混凝土的裂缝产生．

孔道压浆是后张法预应力结构施工的一项重要内容，它不仅起着保护预应力钢筋不受有害离子侵蚀的重要作用，而且还直接影响预应力混凝土构件的整体刚度和强度，承担着使预应力钢筋和周围混凝土结为整体，协同工作的重任．孔道压浆料性能直接关系到后张法预应力混凝土结构的耐久性[3]．

交通运输部又颁布了新的《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011），对压浆材料的水胶比、流动度、泌水率、强度等做了严格规定．但是，低水胶比、高流动度、零泌水和微膨胀的要求对新型压浆剂的开发带来很大困难[1]．现今，施工单位为了保证灌浆材料的稳定性，施工单位基本采取购买压浆剂．而市场上的压浆剂鱼龙混杂，产品价格颇高，而且压浆剂具有一定的时效性．

压浆剂实为各种性能外加剂的复合，解决外加剂相容性问题是关键．调查发现有关新桥规压浆剂的研究甚少[2]．而且市场上的压浆剂种类参差不齐，多数压浆剂的强度变异性都比较大．成品压浆剂在现场进行施工拌合时，由于放置时间、日光暴晒或吸收水分的原因使得现场拌合的压浆剂出现流动度低、泌水等现象，造成注浆不密实，由此引发的结构损坏时有发生．因此，研制新型预应力孔道压浆剂，改善压浆剂的性能便于更好的施工，对压浆剂配合比的进行优化设计具有十分重要的现实意义[5]．本文参考大量的国内外研究文献，研究硅灰对压浆剂的强度变异性的影响，并结合响应面分析进行强度变异性的优化．

1 原材料选择

《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）对于压浆剂原材料的选取做出了非常详细严格的规定．本文选取以下原材料进行配合比试验：1）水泥；2）粉煤灰；3）硅灰；4）高效聚羧酸减水剂；5）复合型膨胀剂；6）羟丙基甲基纤维素；7）消泡剂．各种原材料的物理力学性质如下．

1.1 水泥

预应力孔道压浆剂试验所需水泥按《公路桥涵施工技术规范》（JTG/TF50-2011)及《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》（JTGE30-2005）对水泥的性能的要求．实验采用P.O 42.5级水泥，原材料试验结果见表1．结果表明所选水泥符合规范要求．

表1 水泥的原材料试验结果Tab.1 Test resultof cement

1.2 硅灰和粉煤灰

为了制备高性能的压浆剂，通常在压浆剂中加入硅灰和粉煤灰使形成水泥-硅灰-粉煤三元胶凝材料体系，可以有效防止泌水、抓底、分层等现象，使压浆剂的稳定性更好．

粉煤灰：一级粉煤灰，通过实验分析，其细度为10%，需水量比为93%，烧失量为4.4%，三氧化硫的含量为2.4%，强度活性指数77%，含水量0.2%，以上指标都符合GB/T 15962005《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》要求．

硅灰：外观为灰白色，测得含量为94.96%，符合GB/T 6901-2008要求．

1.3 减水剂、消泡剂、膨胀剂、纤维素、水

减水剂：聚羧酸减水剂（粉剂）各项性能指标均满足 GB 8076-2008国家标准高性能减水剂[6]．外观为白色粉末，减水率27%，泌水比41%，含气量4.8%，初凝61m in、终凝9m in；抗压强度比1 d为190%、3 d为177%、7 d为171%、28 d为159%；收缩率比（28 d）为102%；氯离子含量＜0.03%；密度506 g/cm3；PH值8.8；水泥净浆流动度271mm．

膨胀剂：为复合型膨胀剂，总碱量低于0.75%．外形为黄色粉末；比表面积281m2/kg；比重3.2；初凝91min、终凝251m in；限制膨胀率0.05%（水养7 d）、0.083%（水养28 d）、0.021%（空气28 d）；抗压强度34.1MPa（7 d）、52.7MPa（28 d）；碱含量0.35%；氯离子0.013%；氧化镁3.91%．

纤维素：400黏度羟丙基甲基纤维素．溶于水后，均匀的分布于压浆剂中，将固体颗粒包裹，使内部更加润滑，压浆剂更加的稳定，并且保水性和工作性都有提高．

消泡剂：粉末消泡剂，灰度35%（800℃），密度340 kg/m3（20℃），pH值为7.2．拌合用水：自来水．水中不能有大于350mg/L的氯化物离子．

2 试验方案及配合比的优化

2.1 试验方案设计

考虑到压浆剂的原材料种类较多，本试验选择响应面法进行配合比的优化设计[4]．首先通过初步实验确定原材料用量范围：减水剂为10～12 g；硅灰为130～150 g，粉煤灰235～258 g，用以上3个因素为考察因素以流动度为响应值，采用3因素3水平的Box-Behnken中心组合试验设计法[9]，编码如表2．

表2 试验因素水平编码表Tab.2 Levelserialnumberof different factor

通过对于硅灰、粉煤灰和减水剂的用量范围的预估和响应面的计算，从而得到了17种组合．对这17种组合分别进行了流动度试验，流动度所用到的压浆剂搅拌机和流动锥如图1所示，试验结果见表3．

图1 压浆剂搅拌机和流动锥Fig.1 Grouting agentm ixerand flow cone

表3 流动度试验结果Tab.3 Test resultof fluidity

在响应面初始流动度试验基础上，对设计的17组试验方案的其它关键技术指标（30m in流动度、60m in流动度、3 h钢丝间泌水率、24 h泌水率、3 h和24 h自由膨胀率以及抗压抗折强度）进行测试，第1组的各个流动度超出规范要求，其余都满足要求；17组实验的3h钢丝间泌水率和24 h泌水率均为0符合新桥规的要求；3h和24 h自由膨胀率也满足新桥规的要求（3 h自由膨胀率0～2、24 h自由膨胀率0～3）；由于水泥水化物的存在脆性，对17组试验制作的试件进行抗压、抗折试验，绝大多数试件的强度满足要求，存在极少数的试件产生脆性破坏达不到试验要求，虽然压浆剂的强度满足要求，但是多组试件强度的变异性过大，笔者认为可能是压浆剂的配合比对强度变异性有较大影响，在上述试验的基础上进行响应面分析得到最优配合比，在最优配合比下进行强度测试观察变异性．

2.2 试验结果分析

试验以 A-减水剂、B-硅灰、C-粉煤灰材料用量为自变量，以压浆剂浆液的流动度Y为响应值，进行响应面的试验分析，以压浆剂浆液的流动度为分析指标的回归分析结果响应值与各因素进行回归拟合后，得到的回归方程为如下，分析结果如表4．

表4 回归模型系数的显著性检验及方差分析Tab.4 Significance testofmodelcoefficent and analysisof variance

由表4和拟合方程可以看出，回归方程中常数项为15.99表示压浆剂浆液的流动度的平均值处于中等水平，流动度与外加剂的掺加量有较为明显的关系．按照关系可知，3种原材料对流动度影响最大的是减水剂，其次是硅灰，而粉煤灰对流动度有抑制作用．分析其原因在于减水剂作为水泥的分散剂，可以在不影响混凝土流动度的前提下，减少拌合用水量．该试验所用的减水剂为聚羧酸减水剂，它是多种乙烯类单体聚合形成的水溶性高分子，增大了水泥与水的接触面积，增强了水化反应，又能防止凝聚的产生．硅灰的加入会增强混凝土的基体和界面过渡区，但是硅灰的加入会使早期水化反应温度升高，而低水活性的粉煤灰恰好能解决这个问题．这种水泥-硅灰-粉煤灰三元胶凝材料使浆液的稳定性更强，可有效防止泌水、分层现象．所以总体上减水剂相对于硅灰、粉煤灰对压浆浆液的流动度影响更为显著．

各因素对压浆浆液流动度的影响见图2．

从图2中可以看出，粉煤灰、和硅灰及其交互作用对流动度的影响较小，表现在响应面上曲面比较平滑呈球面状，这与回归方程的分析（硅灰、粉煤灰对流动度的影响不如减水剂更为显著）相吻合．减水剂和硅灰、粉煤灰的交互作用对浆液的流动度影响更为显著．由交互作用影响响应曲面图可以看出，随着减水剂的增加流动度增大，这是因为减水剂增大了水泥与水的接触面积，增强了水化反应，又能防止凝聚的产生．说明减水剂是提高流动度的主要因素．表现为响应曲面较陡．从响应曲面可以看出在减水剂12 g时，减水效果最佳．而且无泌水现象．符合新桥规的要求．最后确定最优配合比为减水剂12 g、硅灰130 g、粉煤灰255 g和其余外加剂均为1 g．

3 配合比验证

为了检验响应面法优化后的配合比是否能够有效降低抗压强度变异性[8]，根据优化后的配合比拌合制作了一系列试块，经养护3 d、7 d后用抗压抗折试验仪进行进行强度测定，试块制作及试验仪器如图3所示，测得的抗折抗压强度数据见表5．

从表5可以看出，几乎所有的试块的抗压强度均满足了《规范》的要求，且强度较高．对于于变异性，只有第8组7 d抗压强度超过了10%，其余试块均满足要求，说明经过优化后的压浆剂配合比，其抗压强度完全满足《水泥胶砂强度检测方法（ISO法）》的合格检验标准[7]，证明通过响应面法对压浆剂配合比的优化是有效的．

4 结论

1）根据《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）的要求，配制了一种压浆剂，并应用该压浆剂与水泥进行了配合比试验，其流动度、膨胀率，力学性能等均能满足《规范》要求．

2）该压浆材料的3 d抗压强度就可以达到7 d标准，7 d可以达到28 d标准，强度上升很快，在没有泌水的前提下，抗压强度随着减水剂剂量的增加而增大．

3）应用响应面法对压浆剂配合比进行了优化，发现减水剂、硅灰的系数为负，会使压浆剂流动度增大，粉煤灰会降低流动度．最终确定的优化结果是硅灰130g，减水剂12g，膨胀剂1g，纤维素1g，消泡剂1 g，粉煤灰255g．经过试验验证，其抗压强度满足要求，且变异性显著降低，同时其他性能指标也能满足要求，说明应用响应面对配合比优化是有效的．

图2 减水剂、硅灰、粉煤灰及其交互作用对流动度的影响Fig.2 Effectof plasticizer,fly ash,silica,expansiveagent,on fluidity

图3 试块制作及抗压抗折试验仪Fig.3 Testblock fabrication and compressivebending testapparatus

表5 强度试验结果Tab.5 Test resultof strength

[1]JTG/T F50-2011，公路桥涵施工技术规范 [S]．北京：人民交通出版社，2011．

[2]张金亮，魏连雨．新型预应力孔道压浆剂的试验研究 [J]．混凝土，2013（6）：139-144．

[3]田耀刚，延丽丽，叶青，等．预应力孔道压浆材料的研究进展 [J]．材料导报，2011，25（23）：65-68．

[4]魏伟，姚红涛，张世金．后张预应力混凝土结构孔道压浆用外加剂的选择 [J]．膨胀剂与膨胀混凝土，2010，（4）：13-16．

[5]杜玉兵，吴恒新．后张预应力孔道压浆材料配合比试验研究 [J]．公路工程，2010，35（6）：110-112．

[6]谢光宁，孙正东．孔道压浆材料的应用研究 [J]．筑路机械与施工机械化，2013，（2）：72-74．

[7]GB/T 17671-1999，水泥胶砂强度检验方法 [S]．

[8]刘善学．影响预应力混凝土孔道压浆强度的因素 [J]．天津建设科技，2013，23（2）：37-38．

[9]马士宾，袁文瑞，王清洲，等．基于响应面法的长寿命沥青路面结构优化 [J]．科技导报2014，32（25）：75-80．

[责任编辑 杨 屹]

A research onm ixture ratio optimization of new material forbrigde prestressed ductgrouting

MA Shibin，YANG Xinwei，SUN Jingfu，CHEN Yi

(Schoolof CivilEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300401,China)

According to the latest"Technical Specifications for Construction of Highway Bridges and Culverts",a new kind of prestressed ductgroutingmaterialwasmade up w ith fly ash,silica,plasticizer,expansive agent,cellulose and defoamer.In theexperiment,a systematic study of the influence of various raw materialsand grouting agent fluidity and compressive strengthwasdone,andm ix proportionwasoptim ized by using the response surfacemethod.The testresults show that:reducing agentdosage canmake the pressure slurry flow increasea nd silica fume,fly ash in a certain extent, improve the fluidity of slurry.The optim ized pressure slurry fluidity w ithin 15 s,compressive strength of 7 d can reach more than 60MPa,28 d ismore than 74MPa,and the same setof dataerrorsarew ithin 10%——the variability hasdecreased significantly.

groutingmaterial;compressive strength;response surface;m ixture ratio optim ization

TU535

A

1007-2373(2016)02-0111-06

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.02.019

2015-07-11

河北省高等学校科学技术研究项目（ZD2014099）

马士宾（1973-），男（汉族），副教授，博士，marotolo@126.com．

数字出版日期：2016-04-18 数字出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160418.0930.004.htm l