PCCP保护层砂浆性能影响因素的试验研究

2022-12-20王浩杨亚彬王坤吕艺生尚鹏然李风兰

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2022年5期

王浩，杨亚彬，王坤，吕艺生，尚鹏然,4，李风兰,4

(1.河南省富臣管业有限公司，河南新乡 453400； 2.华北水利水电大学黄河流域水资源高效利用省部共建协同创新中心，河南郑州 450046； 3.华北水利水电大学土木与交通学院，河南郑州 450045； 4.华北水利水电大学河南省生态建材工程国际联合实验室，河南郑州 450045)

预应力钢筒混凝土管(Prestressted Concrete Cylinder Pipe,PCCP)的保护层砂浆，通过高速旋转的辊射轮辊射至管芯预应力钢丝之间及外侧成型，砂浆中水泥提供的高碱环境会在预应力钢丝外表面形成一层钝化膜。这层钝化膜能够有效保护预应力钢丝，延缓或阻止钢丝在外界侵蚀环境下发生腐蚀，并通过其与钢丝间的黏结力防止钢丝断裂后PCCP立即失效而发生爆管的事故[1-4]。因此，保护层砂浆的质量对PCCP的使用和安全尤为重要。

研究表明[5]，辊射机参数(如轮旋转速度、管芯旋转和移动速度、输料速度等)不同，保护层砂浆性能会出现较大差异。同时，由于辊射的砂浆呈干硬性状态，其配合比设计不能直接采用建筑砂浆的设计方法。规范GB/T 19685—2017[6]对于辊射砂浆配合比设计的规定中仅限制了最大的砂灰比。实际工程采用的砂浆配合比以试配和经验数据为主，缺少系统的研究成果。在砂浆生产过程中，砂浆的含水率会因气候环境的影响而出现变化，最终影响辊射砂浆的成型质量[7]。

为此，本文基于系列试验，分析了辊射系统参数、砂灰比、新拌砂浆含水率等因素对砂浆保护层的厚度、抗压强度和吸水率的影响规律。该分析研究成果可为PCCP生产过程中保护层砂浆的质量控制提供依据。

1 原材料与配合比

本试验采用的水泥为P·O 52.5，其具体物理指标见表1。

表1 水泥物理指标

水泥胶砂试件的3、7 d抗压强度分别为31.7、56.3 MPa，抗折强度分别为5.5、8.3 MPa。

根据规范GB/T 19685—2017[6]的要求，保护层砂浆中的砂宜选用细度模数为1.6～2.2、含泥量不大于1%的天然细砂。本试验用砂的细度模数为2.1，含泥量为0.9%，表观密度为2 540 kg/m3，堆积密度为1 410 kg/m3。

砂浆配合比依据规范GB/T 19685—2017并结合工程经验进行设计及试配[6-8]。配合比设计见表2，其中，砂灰比为砂与水泥的质量之比，水灰比为水与水泥的质量之比。

表2 辊射砂浆配合比

2 试验方法

2.1 砂浆辊射

PCCP保护层砂浆使用立式砂浆辊射机辊射成型的过程为：混凝土管体固定于回转平台后转动，砂浆拌合料被辊射轮离心甩出至管体表面，随着辊射小车的提升，砂浆由下而上铺满管体表面。本试验中考虑到皮带输料、辊射小车提升和回转平台参数设计了6种工况。皮带输料和回转平台的参数值为操作面板上显示的数值，辊射小车升降单动速度参数的基准值为50 Hz，升降参数见表3。

皮带输料参数、回转平台参数和辊射小车升降速度系数这3个参数的共同作用将影响辊射系统整体运行的功率大小，进而影响整体辊射系统的运行速度。辊射轮啮合状态为两轮外表面相切状态，辊射距离设定为30 cm。砂浆各材料质量之比为水泥∶砂∶水=1.0∶2.6∶0.3。

表3 辊射系统参数

除辊射系统参数外，由于辊射轮采用富有弹性的聚氨酯橡胶材料，砂浆被吸入辊射轮的瞬间受到一定的挤压力，两辊射轮啮合的紧密程度会对砂浆辊射至管壁表面的挤压力产生影响，进而影响辊射砂浆的性能。为了探究辊射轮状态以及辊射距离对保护层砂浆性能的影响，两辊射轮状态设定为内嵌、相切和相离3种工况(辊射轮内嵌重合部分长度为8 mm，相离状态齿轮外表面距离为10 mm)，辊射距离分别设定为30、40、50 cm，共有9种工况，具体见表4。

表4 辊射轮状态及辊射距离

由于辊射工艺采用的是干硬性砂浆，砂浆辊射至管体表面会有部分砂浆受到反作用力而产生回弹，回弹掉落的砂浆与辊射整根管所需砂浆的质量比称为回弹率。整根管辊射完成后进行砂浆回弹率的测定，回弹料质量不应超过总用料的25%。

PCCP保护层砂浆的厚度(砂浆外表面到钢丝外表面的距离)不得小于25 mm[6]，在刚辊射完毕的砂浆板中间位置自下而上等间距取3个点，采用钢针插入砂浆层的方法测量保护层厚度(钢针插入深度与钢丝直径7 mm的差值即为保护层厚度值)。

2.2 砂浆取样

根据规范GB/T 15345—2017[9]规定，结合工程现场实际情况，设计制作了适合现场取样检测用的模板，取样时需要用液压设备将模板固定在管体表面，随着管体的转动和辊射的持续进行，砂浆就会铺满整个模板。模板及取样砂浆分别如图1(a)和图1(b)所示。

图1 模板及取样砂浆

砂浆取样结束后在自然条件下保持表面湿润养护4 d，然后转至标准养护室养护28 d。到期后，将砂浆试块切割为边长25 mm的立方体试块，再进行砂浆的抗压强度与吸水率试验。

2.3 抗压强度和吸水率试验

砂浆试块切割完成后，从中挑选出10个立方体试块，用游标卡尺测量其尺寸，计算出试块实际的受压面积，并进行抗压强度试验。取10个强度值中较大的6个的平均值作为抗压强度值。吸水率试验所用试块规格与抗压强度试验的相同，采用沸煮法进行吸水率试验[9]。每组测定3个试块的吸水率值。根据规范GB/T 19685—2017[6]要求，砂浆试块的28 d抗压强度须不小于45 MPa，吸水率最大值不超过10%、平均值不超过9%。

3 试验结果及分析

3.1 辊射参数的影响

不同辊射系统参数时的各工况试验结果如图2所示。由图2可知：CS4和CS6工况的砂浆试块的强度和吸水率的最大值和平均值均满足要求，抗压强度分别高于规范GB/T 19685—2017要求值的2.2%和11.1%，其他工况的辊射砂浆试块的抗压强度均不达标；CS5工况试块的吸水率最大值满足限值要求，但平均值大于规范中平均值的限值；抗压强度和吸水率之间有一定的关系，抗压强度高的试块吸水率偏低；在CS1、CS2、CS3工况下，砂浆保护层的厚度分别比限值高了80%、44%、20%；在CS4、CS5工况下，砂浆保护层的厚度均低于限值要求；在CS6工况下，砂浆保护层的厚度符合限值要求。

图2 不同辊射参数的试验结果

辊射系统参数不同会影响系统整体的运行速度，回转平台转速参数与辊射小车升降速度系数较小时将导致砂浆流在同一位置的堆叠，使成型的砂浆层过厚，并且后续砂浆流对前面已经敷设到管体表面的砂浆层进行二次冲击，导致管体表面的砂浆层变得疏松，造成砂浆保护层的抗压强度和吸水率不达标。回转平台转速参数与辊射小车升降速度系数较大时，砂浆流对管体表面辊射不充分导致砂浆保护层厚度过薄，保护层厚度达不到要求。因此，需要合理设置辊射参数，在试验中发现，CS6为最佳工况。

选取CS6工况的辊射系统参数进行辊射轮状态和辊射距离试验，结果如图3所示。两辊射轮为内嵌或相切状态，且辊射距离不超过40 cm时，砂浆28 d抗压强度均超过45 MPa，对应的吸水率最大值与平均值均符合要求；砂浆的回弹率虽偏高，但未超过25%。总体而言，辊射距离越大、辊射轮外缘相距越远，砂浆保护层的抗压强度越低，吸水率越高。

图3 不同辊射轮状态和距离的试验结果

分析其原因，两辊射轮咬合紧密程度决定了砂浆离心甩出瞬间获取动能的大小。相同条件下，两轮啮合越紧密，两轮之间储存的势能越大，势能转化成的动能越大[10]，砂浆离心的瞬时速度越大，辊射到管体表面形成的砂浆层越密实，砂浆保护层的抗压强度越高，吸水率越低，产生的回弹料越多。此外，辊射距离也会影响砂浆的致密性。距离越远，砂浆流在空气中的累计动能损失越大，使砂浆入射速度减小，致密程度降低。

综合考虑抗压强度和吸水率以及回弹率指标，选择XQ40工况(两轮外缘相切、辊射距离为40 cm)进行砂浆配合比试验。这样既能保证管体表面砂浆保护层质量，又能减少材料的回弹量，减少浪费。

3.2 砂灰比的影响

将辊射系统参数设置为CS6工况，辊射轮调整至相切的状态，辊射距离固定为40 cm，进行砂灰比变化对PCCP保护层砂浆性能影响的相关试验。

3.2.1 外观质量

PCCP保护层砂浆除了要满足强度和吸水率的要求，还应满足外观质量要求。目前大多以观察法判断砂浆层是否平整，本文从砂浆配合比的角度分析其对管体外观质量的影响。不同配合比、实测含水率及管体外观质量的关系如图4所示。由图4可知：砂灰比大于2.4，且新拌砂浆含水率(水质量与干料质量的比值)低于8.2%时，管体外观平整规则；砂灰比过低，新拌砂浆含水率偏高，管体外观会出现圈状凹凸不平整现象。

图4 新拌砂浆含水率、砂灰比与外观质量的关系

砂灰比、新拌砂浆含水率对保护层砂浆外观质量的影响机理需结合辊射工艺进行分析。砂浆的黏聚状态影响辊射轮输出砂浆流的连续稳定性，砂浆的砂灰比高、搅拌形成的砂浆相对干硬，进入辊射轮啮合区不会堵塞和黏附在出料口的位置，有利于砂浆均匀稳定输出；反之，会造成辊射轮在单位时间内出料量不同，导致砂浆在管体表面形成凹凸形状。拌合料的黏聚状态也会影响砂浆瞬时敷设至管体表面的形态，砂子在拌合料中起到骨架支撑的作用，砂灰比低的砂浆较为黏滞，在辊射力强大的冲击作用下，砂浆在管体表面会出现较大的蠕动变形，形成的表面存在不同程度的凹凸形状。

3.2.2 砂浆试块的抗压强度和吸水率

砂浆的抗压强度和吸水率随龄期变化的情况如图5所示。

图5 不同砂灰比砂浆的抗压强度和吸水率随龄期的变化情况

分析图5可得到如下结论：1)砂浆强度随龄期呈增加的趋势，其中砂灰比相对低的砂浆(PHB1、PHB2、PHB3工况)在各个龄期的抗压强度值偏高，龄期14 d时砂浆的抗压强度达到要求值，除了PHB6工况，其余工况砂浆在龄期28 d时的抗压强度均满足要求。

2)吸水率变化曲线随龄期的增加有逐渐下降的趋势，28 d龄期时PHB1与PHB2工况的砂浆吸水率的最大值和平均值均超过了规范要求的限值，PHB3—PHB6工况砂浆的吸水率符合规范要求[6]。砂灰比过低会导致砂浆抗压强度达标而吸水率不达标。这是由于较大的水泥用量容易引起砂浆产生较大的收缩，导致砂浆基体内部出现细微裂缝[8,10-11]，进而导致砂浆的吸水率偏高；砂灰比增大至2.4(PHB3工况)时，砂浆的吸水率显著降低，砂灰比进一步增大至2.5，砂浆的吸水率均降低至规范要求。因此，砂灰比在一定范围增大有利于降低砂浆的吸水率，砂灰比超出该范围后继续增加则会提高砂浆的吸水率。

3.3 新拌砂浆含水率的影响

PCCP保护层砂浆属于干硬性砂浆，含水量偏低。在气温较高的环境中，水分蒸发较快，砂浆的含水率会产生较大的变化。为此，选择PHB3工况下砂浆的配合比，在搅拌仓实测出4种新拌砂浆的含水率，分别为5.8%、6.6%、7.8%和8.3%，在龄期为7、14、28 d测试各砂浆试块的抗压强度和吸水率。图6为不同含水率砂浆试块的切面情况。由图6知：含水率分别为5.8%和6.6%时，砂浆试块内部结构疏松多孔；含水率为7.8%时，其内部结构已经较为密实，但是存在一些可见的细小孔洞；含水率为8.3%时，砂浆试块切面几乎看不到孔洞，砂浆的内部结构密实。

图6 不同含水率新拌砂浆试块切面

新拌砂浆含水率对砂浆试块的抗压强度和吸水率的影响试验结果如图7所示。

图7 新拌砂浆含水率对砂浆强度和吸水率的影响

由图7可知：砂浆试块的抗压强度随含水率的增大而提高；含水率分别为5.8%和6.6%的砂浆试块的抗压强度随龄期的增大均有一定幅度的提高，但28 d龄期时试块的抗压强度未达到45 MPa；新拌砂浆含水率为7.8%时，28 d龄期时试块的抗压强度高于规范中限值的4.4%；含水率为8.3%时砂浆试块的抗压强度进一步提高，28 d龄期时的抗压强度高于规范中限值的13.3%。砂浆试块的吸水率最大值与平均值变化曲线随龄期的增加呈下降的趋势，且随含水率的增加而降低；含水率分别为5.8%和6.6%的砂浆试块的吸水率最大值与平均值在不同龄期均不满足规范要求；含水率为7.8%的砂浆试块28 d龄期时的吸水率最大值低于规范中限值的10.0%，吸水率平均值低于规范中限值的9.0%，符合规范要求；含水率为8.3%的砂浆试块28 d龄期时的吸水率最大值和平均值低于规范中限值的7.8%，满足要求。

分析原因，新拌砂浆含水率过低会导致砂浆中水泥浆体少，不能完全包裹住砂子，砂浆整体的黏聚性差，辊射到管体表面时造成试块内部结构疏松多孔，且由于含水率低，水泥水化作用不充分，产生的各种水化产物不能完全填充砂粒之间的空隙，导致试块的抗压强度增长缓慢，吸水率一直偏高。随着新拌砂浆含水率的提高，其黏聚性变好，成型后的砂浆试块内部结构会更加致密，水泥的水化作用更加充分，砂浆试块的抗压强度更高、吸水率更低。因此，虽然砂浆配合比相同，但环境条件不同，也会引起砂浆含水率变化，在施工过程中应引起重视。