k-g管道壓漿劑的研制

k-g管道壓漿劑的研制

0預應力混凝土結構壓漿性能要求預緊器壓漿是指將壓漿材料注入預埋混凝土管道，使壓漿材料完全包裹預聲明的肌肉。其作用是保護預應力鋼筋不銹蝕并使其與混凝土良好結合,保證預應力的有效傳遞,使預應力鋼筋與混凝土共同工作,提高結構的可靠度和耐久性。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),鋼筋在堿性介質中能夠形成抑制鋼筋氧化銹蝕的鈍化膜。因此,當預制梁管道水泥漿灌注密實時,預應力筋會受到水泥的有效保護。但是,當預應力管道壓漿不飽滿導致碳化過程或水中氯離子引起鈍化膜破壞,會引起鋼筋生銹,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,對處于高應力狀態(tài)下的預應力鋼筋更加不利,預應力混凝土結構就可能發(fā)生腐蝕與拉應力作用下鋼筋晶粒間或跨晶粒斷裂的應力腐蝕現(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80年代中期,歐洲幾座預應力混凝土大橋的倒塌就是由于預應力鋼筋受到腐蝕造成的。近年來對國內鐵路后張梁管道壓漿情況的調查,在不同時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造成梁體結構的劣化和損壞,甚至失去使用功能,如石家莊百孔大橋T型梁發(fā)生預應力束銹斷,對運營和安全造成了不利影響。因此,保證管道漿體質量是預應力鋼筋腐蝕保護的最后一道防線,也是保證結構耐久性的重要條件之一。因此,美國于1997由美國后張法預應力協(xié)會提出了《后張法預應力結構壓漿規(guī)范》。國內交通部2000年制訂了JTJ041—2000《公路橋涵施工技術規(guī)范》,對管道壓漿材料的稠度、泌水率、體積變化率、水灰比、抗壓強度等進行了規(guī)定。中國工程院陳肇源院士等專家編寫了CCES01:2004《混凝土結構耐久性設計與施工指南》,提出壓漿材料自身的耐久性能和預應力管道壓漿質量缺陷是影響預應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應力梁管道壓漿技術條件》,對鐵路管道壓漿材料提出了詳細明確的技術要求。通過比選原材料,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、勻質性;保證漿體的可操作性能和施工性能,改善管道內漿體的充盈性;降低漿體早期塑性收縮,改善后期的微膨脹效果、對鋼筋進行保護等方面進行試驗研究,研制出質量優(yōu)異,滿足鐵路標準的壓漿材料。1試驗與研究1.1膠結和水泥材料(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石膏制成的水硬性膠結材料,主要成分是一致的,但其生產(chǎn)工藝、原料種類、摻合材的種類和質量、礦物組成與細度等有些不同,性能上會產(chǎn)生一定的差異。設計壓漿材料的配合比前應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。試驗選用具有代表性工地常用的P·O42.5級水泥,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:壓漿材料設計采用10%~15%的壓漿劑和水泥組成。經(jīng)試驗分析,壓漿劑應由減水組分,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預應力梁管道壓漿性能試驗流動度試驗、自由泌水率和24h自由膨脹率、毛細泌水率、壓力泌水率和充盈度試驗分別采用TB/T3192—2008《鐵路混凝土后張法預應力梁管道壓漿技術條件》附錄A、B、C、D、E進行。強度試驗采用GB/T17671—1999水泥膠砂強度檢驗方法。膨脹變形性能試驗采用JC476《混凝土膨脹劑》中的限制膨脹率試驗方法。鋼筋銹蝕性能試驗采用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(1)工作性能試驗:漿體的工作性能對硬化漿體的質量及施工質量有很大影響,主要包括流動度、泌水率(包括自由泌水率、毛細泌水率和壓力泌水率)和充盈度等。漿體的流動度直接反映施工難易程度,采用漿體流出流動錐的時間來表征流動性好壞,流出時間長短能夠較準確的反映出漿體在管道中流動的難易程度。較大的流動度具有較長的可操作時間,漿體能夠充滿管道,而較小的流動度,有利于驅除管道中的空氣和水分,有利于漿體密實。泌水率性能反映漿體拌合物性能的重要指標,漿體如果泌水會在管道中形成孔洞或者水囊,導致預應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24h自由泌水率、毛細泌水率和壓力泌水率三個指標進行檢驗。(1)24h自由泌水率檢測常壓下漿體出現(xiàn)泌水。由于組成漿體的材料密度不同,產(chǎn)生分層時,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,影響了漿體對預應力筋的保護效果。(2)漿體與預應力筋接觸的地方,容易形成毛細現(xiàn)象,而產(chǎn)生泌水。插入鋼絲束模擬現(xiàn)場情況,進行毛細泌水率試驗。(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。充盈度試驗采用內徑為40mm的透明有機玻璃管,兩端的直管夾角為120°,每部分長度為0.5m,兩部分通過黏結劑密封黏結。按規(guī)定的方法拌制好漿體后,靜置1min,通過流動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,充盈度試驗見示意圖1。工作性能試驗結果見表1。從試驗結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準要求。在摻加10%的TK-G壓漿劑后壓漿料流動度增加,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,能夠滿足標準要求。(2)力學性能試驗:采用7、28d抗壓強度和抗折強度判定力學性能,由于現(xiàn)場施工所選水泥廠家與品種不同,水泥本身性能有差異,其力學性能也有差異。試驗結果見表2,結果表明:7d抗壓強度為45.6~61.3MPa,7d抗折強度為6.8~10.7MPa,28d抗壓強度為60.2~86.5MPa,28d抗折強度為10.9~13.9MPa,不同水泥的強度波動較大,但均能滿足TB/T3192要求。(3)膨脹變形性能試驗: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、化學收縮等綜合因素,因此會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)部分來自蒸發(fā),部分來自水化(化學收縮)。隨著水化的進行,水化結晶體達到某一臨界尺寸,此時水化產(chǎn)物相互支撐在一起。晶體任何進一步的生長均會引起基體的膨脹,水化消耗的水分亦會在基體內造成孔隙的形成。管道壓漿料在凝結前塑性階段必須產(chǎn)生足夠的膨脹驅動力,才能有效補償塑性階段的收縮。試驗在多元復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)定性的指標采用24h自由膨脹率表示,24h自由膨脹率試驗結果見圖3(水膠比0.33,摻量為10%的編號為GPZ01和摻量為15%的編號為GPZ02),結果表明24h內漿體具有較好的自由膨脹率,能達到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標準中雖然沒有28d限制膨脹率這個指標,本項目也進行了研究。28d限制膨脹性能結果見圖4(水膠比:0.33,摻量為10%的編號為CPQ1,摻量為15%的編號為CPQ2),28d限制膨脹率在14d達到0.12%左右的膨脹率后基本保持穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。試驗結果表明,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。預應力筋銹蝕是后張梁結構遭到破壞的主要原因。為保證管道壓漿料對預應力筋的保護作用,材料中不應摻加含有對預應力筋有害的外加劑,氯離子含量不得超過膠凝材料總量的0.06%,不得加入UEA和鋁粉等物質或其他對預應力筋有腐蝕作用的外加劑,同時采用降低水膠比、加入阻銹成分等技術手段。由電位-時間試驗結果曲線分析可知,管道壓漿材料的陽極鋼筋電位值未下降,表明電位-時間曲線為鈍化曲線,即陽極鋼筋表面鈍化膜完好無損,所測管道壓漿劑對鋼筋是無害的。通過以上系列試驗研究,項目組成功開發(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)標準要求,可以有效提高管道壓漿的質量,保護預應力鋼筋以確保橋梁的正常使用壽命。產(chǎn)品在2009年獲得國家發(fā)明專利一項“一種高性能水泥基無收縮防腐蝕灌漿劑(專利號:2007101438121)”。2經(jīng)濟效益分析目前,研制生產(chǎn)的TK-G管道壓漿劑已廣泛應用于合武鐵路客運專線、膠濟鐵路客運專線、武廣鐵路客運專線、溫福鐵路客運專線、福廈鐵路客運專線、哈大鐵路客運專線、京滬高鐵、鄭西鐵路客運專線、昌九城際鐵路、太中銀鐵路、南昌西環(huán)線、海南東環(huán)線等十多個國內鐵路項目中,各使用單位反應產(chǎn)品質量穩(wěn)定、使用方便,產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益。產(chǎn)品近1年的抽檢結果見表3,其性能指標均滿足TB/T3192—2008技術要求,氯離子含量均小于0.02%,產(chǎn)品質量穩(wěn)定。3抗壓強度測試在室內試驗分析研究的基礎上,選用編號2和編號3配合比生產(chǎn)強度等級分別為C15與C20的大摻量工業(yè)廢渣混凝土防滲U型渠槽;在現(xiàn)場取樣做抗壓強度試件,試件與生產(chǎn)的混凝土防滲U型渠槽同條件養(yǎng)護;定期觀察U型槽表面,看是否有裂紋。強度等級為C15和C20試塊在同等條件下養(yǎng)護至90d時,測試抗壓強度分別為22.4、26.1MPa,能夠達到C15和C20等級的要求;對U型槽表面定期觀察,U型槽內外表面均無裂紋,內表面光滑,表觀質量合格,產(chǎn)品見圖4。4鋼渣微粉的制備(1)用水泥、III級粉煤灰、鋼渣微粉作為膠凝材料時,鋼渣微粉所占