预填集料混凝土研究

周孝军，罗 霞，丁庆军，谢 琳，牟廷敏，彭健秋

(1.西华大学建筑与土木工程学院， 成都 610039；2.四川省钢管混凝土桥梁工程技术研究中心，成都 610041；3.武汉理工大学材料学院，武汉 430070;4.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司,成都 610041)

预填集料混凝土(Preplaced Aggregate Concrete,PAC)是先在模板内放置粗集料并振捣均匀、再向粗集料空隙内直接或泵送注入灌浆料而形成的混凝土，也称“灌浆骨料混凝土”、“两阶段混凝土”或“升浆混凝土”[1,2]。PAC的制备只需拌制高流动性灌浆料，可不用在拌合站内生产，灌浆可免振捣，减少了施工工序与能耗，劳动强度与施工条件明显改善[3-5]。常规混凝土需在粗集料表面包裹一定厚度浆体以保证其流动性，成型后集料悬浮于浆体之中，而PAC灌浆料的体积几乎与粗集料的空隙率相当，相同情况下可节约水泥用量15%～20%[4-5]。由于PAC粗集料含量高且分布均匀，特别是粗集料点对点接触形成嵌锁型骨架，其力学性能、体积稳定性与耐久性很大程度上优于常规混凝土[6]。但由于灌浆工艺、灌浆料性能、粗集料特性等多因素影响PAC的组成、结构与性能，且灌浆质量检测困难，理论研究还很薄弱，尚无相应的技术标准，导致其难以在实际工程中大规模推广应用，亟需开展应用基础的研究。为此，该文系统总结了预填集料混凝土的发展与应用历程，阐述了其施工工艺与制备方法特点，分析了灌浆料的组成与性能、粗集料级配和特性等对PAC的影响，探讨了PAC研究与应用存在的问题与发展展望。

1 PAC发展及应用现状

PAC在美国、日本等发达国家应用研究较早，最初运用于桥梁、隧道等基础设施的修补加固[1]。1937年加利福尼亚州圣菲铁路隧道修复工程中，首次使用预填集料工艺，施工人员在浇筑拱顶混凝土时，用粗集料填塞大空隙，以减少水泥浆用量。1941年在美国胡佛坝溢洪道上用预填集料工艺施工回填了大面积的冲刷区；1964年，在巴克坝迎水面扩建工程中也用此工艺修复了水坝面层。1950年日本率先将其应用到桥墩的建造，到20世纪70年代，日本国内桥梁管理局对预填集料混凝土制备技术进行了系统的研究，使PAC在桥梁施工中应用广泛。此外，由于PAC集料分布均匀，灌浆方便，不存在混凝土离析，其在水电站涡轮机的涡壳结构、混凝土轨道施工中也有良好应用。

在国内，PAC常用于水下工程。1994年，大连中远6万吨级船坞工程施工首次应用了PAC技术方案。由于缺乏成熟的专业设备和相应的规范标准，该工程PAC没有作为结构混凝土使用，只作为船坞底板的止水及配重[7]。随后，大连造船重工30万t级船坞工程采用了预填集料工艺，有效解决了基础淤泥层的填充问题、二次升浆混凝土界面的浮浆处理问题和围堰沉箱基础的止水问题。此后PAC陆续在大连香炉礁港区新建造船坞、大连大船海工钻井平台和大连星海湾跨海大桥主桥中应用[8]。20世纪50年代后，国内开始在一些修补加固工程中采用预填集料施工工艺，例如舟山市的惠生出运码头、青岛港第一码头的加固工程和葫芦岛防波堤的修补工程均采用了预填集料混凝土施工工艺。

2 PAC施工工艺

预填集料混凝土的灌浆方法主要有重力灌浆和泵送灌浆两种，其中重力灌浆是直接在粗集料的上表面浇筑水泥砂浆，依靠砂浆自重填满粗集料的空隙。Kunal等[9]在研究重力灌注时提出，对于粗集料的尺寸通常要求达20 mm以上，重力法方可实现良好的灌浆效果。为提升重力灌浆质量，有时会加上机械振动辅以成型。振动过程提高了粗集料的联锁率，砂浆也能更充分填充粗集料颗粒空隙，使混凝土更加均匀和密实。因此振动成型的混凝土强度有所提高。

泵送灌浆是通过泵送工艺形成预填集料混凝土，利用泵送压力从下到上将水泥砂浆顶升填充粗集料空隙。常用的升浆方案有斜升和平升两种(图1、图2)。采用斜升方案时，灌浆料始终保持一个倾斜角度向上升起，第一排孔首先升浆，当浆体灌注淹没到第二排压浆管一定埋深时，再开始下一排孔升浆，依次类推，保证隔断中的水和气体充分排出，基床升浆饱满[7]。斜升方案中，不同升浆管不能同时进行升浆，施工过程较复杂，灌注时间长且对施工人员技术要求高。而平升方案中，所有压浆管一起压浆，浆面保持水平，其施工速度快且灌注密实度高。因此，在满足要求的情况下，尽可能选择平升工艺。不管是斜升还是平升方案，都要设置水下止浆隔板[7]。分段预填粗集料后泵送灌浆料，每个隔断单元的大小应结合工程规模和泵送能力设置。采用分段泵送，减少了单次升浆量，可以最大程度保障升浆连续性和灌注密实性。施工过程中，通过预留的观测孔或水下监测器来监测灌注是否密实。灌浆完成后，可通过现场钻芯取样观察浆料是否填充密实。若存在不密实的部分，必须采取二次灌浆。此外也可利用分段累计灌浆量与设计浆量的差别，合理地推断骨料压浆的密实度[7]。

3 灌浆料对PAC的影响

3.1 灌浆料流动性

灌浆料作为预填骨料混凝土的重要组分，决定着硬化后混凝土的密实性、均质性和力学性能。评价灌浆料性能的重要指标之一是浆液的流动性。李广森等[10]指出，为保证灌浆材料顺利注入PAC粗集料空隙，其流动度一般控制在(18±2)s。采用流动性较好的灌浆料灌注得到的PAC，其密实性和普通混凝土差别不大；而当流动性不足时，浆液难以渗透集料颗粒之间的空隙，导致混凝土内形成蜂窝状结构，甚至包含无灌浆区，从而形成潜在的薄弱区域，而且在泵送过程中很容易堵塞升浆管[3]。

3.2 灌浆料水灰比与灰砂比

灌浆料力学性能对PAC强度影响显著，而水灰比、灰砂比是影响灌浆料力学性能的主要因素。与常规混凝土一样，水灰比越高，产生的预填集料混凝土抗压强度越低。研究表明[5,8,11]，水灰比从0.45增加到0.6，PAC抗压强度最大降低幅度达30%。分析认为，随水灰比增大，其用水量增加而导致混凝土内部分层加剧，在粗集料下方会形成大气泡，水化产物结晶体受到的约束较小，不断生长造成界面过渡区孔隙增多，进而使得PAC强度降低；而胶砂比降低，会加剧浆体的收缩，导致混凝土内部的初始应力和裂隙增多，粗集料与砂浆介质界面粘结力减低，使得混凝土在承受荷载时，粗集料更易发生位移或是偏转，导致砂浆和粗集料之间的界面全面受拉，造成PAC强度降低。

4 粗集料对PAC的影响

4.1 粗集料含量

PAC中粗集料体积分数超过67%，采用振动成型的混凝土粗集料联锁率达34%。高体积含量、相互嵌锁的粗集料构成混凝土的支撑骨架，能提升力学性能，其收缩率可降至常规混凝土一半左右。而且粗集料是不透水单元，介质的扩散需要绕过集料才得以传输。掺有粉煤灰时预填集料混凝土氯离子渗透系数在100×10-14～500×10-14m2/s之间，明显低于普通混凝土[6]。此外，在PAC的灌注形成过程中，干燥状态的粗集料能吸收浆料中的水分，降低粘结界面处的水灰比，从而改善界面过渡区密实度，减小内部微缺陷，提高耐久性。总之，随着粗集料含量的增加，其有效地抵抗了混凝土内部裂缝的扩展，阻隔离子传输，PAC强度、弹性模量也随之增加[12]，断裂能、体积稳定性和耐久性等都有不同程度的改善。

4.2 粗集料粒型

Cheng等[13]通过数值模拟研究发现，在PAC处于受压状态时粗集料单元产生的应力最大，但较大应变则位于砂浆与粗集料接触界面处，因此PAC受压破坏时粗集料颗粒会发生断裂，且浆体与集料界面会脱粘。主要是因为碎石上有较多棱角，粗集料是点对点硬接触，在传力时发生应力集中，从而导致部分粗集料断裂。可见，粗集料颗粒形状对预填集料混凝土破坏有较大影响。Stempkowska等[14]研究还发现，粗集料颗粒的排列和形状对硬化预填混凝土的性能有显著影响。在相同水灰比条件下，由100%规则颗粒成型的混凝土强度较非规则颗粒成型混凝土强度约提高10%。Hakim[15]对比了圆形、碎石以及混合集料的差异，认为碎石或者混合集料在集料颗粒间产生的接触点更多，机械咬合作用与骨料互锁性强于纯圆形集料，制备的PAC强度可提高12 MPa左右。因此，粗骨料的颗粒形貌与类型会影响灌浆料的粘结度和PAC性能。

4.3 粗集料粒径与级配

康松涛[3]在PAC施工过程中发现，粗集料的最小粒径影响浆液在粗骨料中的流速与灌注密实度。粒径过小则灌浆料填充慢、填充密实性差甚至出现局部空洞。宋承哲[16]进行了31.5～37.5 mm、37.5～53 mm、31.5～63 mm三种粒级粗集料对预填集料混凝土性能的影响试验，提出不同粒级骨料达到90%灌入密实度时所需的最小砂浆流动度要求，同时指出粒级组成和砂浆强度同时影响着预填集料混凝土强度，空隙率小、堆积紧密的混凝土强度高。因此，合理的级配与空隙率影响着砂浆的填充度和密实度，在满足经济和其他施工条件的情况下，空隙率应尽可能小。

5 存在问题与发展展望

总体来看，目前PAC的研究已取得较多成果，但还存在以下几方面问题，需进一步研究：

1)灌浆料强度低、体积稳定性差，导致PAC强度较低。PAC的粗集料之间是呈拱架式接触，由于拱架间砂浆的强度与模量低于周围粗骨料的强度与模量，致使在轴向压力作用下，砂浆与骨料粘结面处于受拉状态；此外PAC中粗集料相互嵌锁，当浆体收缩时，粗骨料变形小，也导致粗骨料与浆体界面产生较大的拉应力，影响PAC强度。因此，需研究高强低收缩灌浆料设计与制备方法，提升灌浆料强度与体积稳定性，改善集料与浆体界面过渡区力学性能，提高PAC强度。

2)缺乏浆体性能与粗集料组成特性之间的关联性研究。不同粗集料组成的PAC，其空隙率与空隙分布不同，对灌浆料的流动性、体积变形性能要求不同，需要系统研究不同级配组成粗集料对浆体性能指标的要求，建立浆体流动度与粗集料空隙率之间的合理匹配关系，提升灌注密实度与界面粘结状况。

3)密实灌注工艺与灌注质量检查方法需系统研究。PAC的灌浆过程是一个隐蔽工程，粗集料颗粒间隙可能存在局部浆体不饱满的现象，从而形成局部蜂窝、空洞的预填集料混凝土，影响灌注质量。常用的泵压灌浆，其一次灌浆范围、进浆管与排浆管的设计与布置、排浆的数量等对灌注密实度的影响还需深入研究和探讨，以提升灌注密实度。同时，可以引入超声波无损检测法，将无损检测与钻芯取样相结合，评估灌浆料的填充效果。