后张预应力混凝土结构孔道压浆用外加剂的选择

  【关键词】孔道压浆；水泥浆；水泥矿物成分；外加剂作用机理；适应性

  1 工程简介和水泥浆的技术要求

  北京至珠海国道主干线新乡至郑州高速公路，黄河特大桥北引桥七合同段K49+405.350～K53+458.77由中国路桥集团第一公路工程局第一公路工程公司承建。该合同段有后张法预应力混凝土T型梁1296片，张拉后进行预应力孔道压浆。水泥浆的技术要求如下：

  (1) 水泥，普通硅酸盐水泥或硅酸盐水泥，强度等级不低于42.5MPa；

  (2) 水胶比一般选择0.40、0.45，掺减水剂可降至0.35；

  (3) 泌水率最大不超过3%，拌合后3h控制在2%以内，24h泌水全部被浆体吸收；

  (4) 可掺入适当的膨胀剂，但不得掺入铝粉等锈蚀预应力钢筋的膨胀剂。掺入膨胀剂后，水泥浆不受约束的自由膨胀率应小于10%；

  (5) 水泥浆稠度14s～18s，强度不低于40MPa。

  后张预应力混凝土结构孔道压浆，是预应力混凝土结构施工过程中的一个重要环节，压浆质量的好坏，直接影响结构的安全性和可靠性。孔道压浆水泥浆配合比设计中各原材料(包括水泥、高效减水剂、膨胀剂等)的选择涉及到一些外加剂与水泥的适应性问题，这是本文探讨的重点。

  2 水泥和减水剂的选择

  首先考虑减水剂与水泥的适应性。减水剂与水泥不适应的主要表现：

  (1) 减水效果不足，增加流动性效果不明显；

  (2) 凝结速度异常以及保持流动性效果不好；

  (3) 泌水率较大以及强度降低。

  不适应的原因：

  (1) 减水剂方面的原因包括：减水剂品种、作用机理、磺化程度、调凝剂、分子量、反离子性质以及状态(粉剂、液剂)。

  (2) 水泥方面的原因包括：水泥矿物组成、碱含量、调凝石膏的形态、水泥的磨细程度、水泥中的混合材。

  把以上因素作为选择水泥和高效减水剂的依据，并将减水剂的减水率、拌合后水泥浆的泌水率比、收缩率比以及水泥浆流动性经时损失作为主要控制点。

  水泥最初选择了新乡水泥厂生产的平原牌P·O 42.5。高效减水剂方面，氨基磺酸盐系高效减水剂往往会产生较大的泌水，聚羧酸系高效减水剂虽然性能优良但价格昂贵，所以初步选择了UNF-lA萘系高效减水剂。试验结果见表1。

  从试验结果分析，稠度1h后损失严重。又选择中国长城铝业公司水泥厂生产的建筑牌P·O 42.5，与UNF-lA的试验结果见表2。

  试验结果表明UNF-lA对建筑牌水泥的减水效果要好于平原牌水泥。两种水泥浆都有流动度经时损失，平原牌水泥的损失较严重。

  水泥颗粒越细，其比表面积越大，则水泥颗粒对减水剂分子的吸附量也大。所以在减水剂掺量相同的情况下，对于细度大的水泥，减水剂的减水率相对要小一些。水泥熟料中四大矿物成分对减水剂分子的吸附程度大小顺序为：C3A>C4AF>C3S>C2S。许多试验结果证明，铝酸盐相对减水剂分子的吸附大于硅酸盐相。因此水泥中C3A和C4AF的比例越大，减水剂的减水效果就越差。两种水泥的矿物成分及细度见表3。

  平原牌水泥细度较大，矿物成分中C3A和C4AF含量比建筑牌水泥要大，这应该是UNF-lA高效减水剂掺量相同时，对于两种水泥出现减水率差异的原因。对于水泥的碱含量，有些文献指出，水泥中碱含量在0.5%左右时，掺加萘系高效减水剂的水泥浆的流动性最大，增加和减少碱含量都将降低水泥浆的流动性。

  水泥浆流动性损失，考虑用缓凝高效减水剂来解决。因此，选择NF-2-6缓凝萘系高效减水剂与两种水泥进行试验。试验结果见表4。

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  试验结果表明，改用NF-2-6缓凝高效减水剂，两种水泥浆流动性损失基本满足要求，收缩率比需要选择膨胀剂来改善。

  3 膨胀剂的选择

  现行国家标准《混凝土外加剂应用技术规范》GB50119所规定的混凝土膨胀剂的用途及适用范围中，未涉及“后张法预应力混凝土结构孔道压浆所用的水泥浆”这一项内容。《公路工程桥涵施工技术规范》JTJ041-2000中也未规定何品种的膨胀剂适用于孔道压浆所用的水泥浆。所以，目前适用于该项工程的膨胀剂在相应的规范中尚属空白。虽然某些厂家在其膨胀剂的产品使用说明中，对其产品的用途和适用范围中提到了后张法预应力混凝土工程孔道压浆所用的水泥浆，但尚需通过试验来确定其膨胀剂的膨胀效果。一方面存在膨胀剂的适用问题；另一方面膨胀剂膨胀效果的形成有其前提条件。

  根据北京市建委京建材[2001]363号文规定：“在混凝土工程中需要掺用氧化钙类膨胀剂时，使用前必须按产品要求的掺量做水泥净浆安定性检验，检验不合格的产品不准用于混凝土工程”。所以本试验在选择膨胀剂方面采取了慎重的态度，初步选择了UEA-HS型硫铝酸钙类膨胀剂与两种水泥浆进行试验。平原水泥与NF-2-6、UEA-H5的试验结果见表5。

  从表5的试验结果来看，UEA -H5掺量为12%时，在平原水泥浆中没有产生膨胀效果，而且泌水较大。调整UEA-H5掺量至最大掺量15%，平原水泥浆泌水率和膨胀率没有变化。根据试验过程中的观察发现，掺UEA-H5拌合的平原水泥浆，拌合后很快出现泌水，同时水泥浆面下沉，到3h基本稳定。水泥浆的泌水量刚好等于水泥浆的收缩下沉量，而且水泥浆体有分层现象。改用建筑水泥与UEA-H5和NF-2-6试验，结果见表6。

  考虑到两种外加剂可能不相容，因此拌合水泥浆时先将水泥与UEA-H5混合均匀，加水拌合后掺入NF-2-6再拌合均匀，防止两种外加剂不相容使水泥浆产生絮凝和沉淀。建筑水泥配合NF-2-6、UEA-H5拌合的水泥浆，拌合后同样很快出现泌水，同时水泥浆面下沉，泌水量等于下沉量，水泥浆体也有分层现象。改用同一厂家生产的两种外加剂即UNF-lA高效减水剂、HE-U型硫铝酸钙类膨胀剂与建筑水泥进行试验，结果见表7。

  试验结果显示B-2水泥浆同样存在以上三种水泥浆发生的现象。单就建筑水泥浆来讲，自收缩值为2.2%，掺加两种膨胀剂后，不但不能补偿水泥浆的自收缩，反而加重了水泥浆下沉现象，而且水泥浆体发生了分层。分析原因，很有可能是由于水泥浆的泌水造成了膨胀剂的膨胀效果差，它们所产生的膨胀，不足以弥补大流动性水泥浆的自收缩。高流动性下多相、多组分的水泥浆体易发生沉降分离，这是因为浆体的流动性增加，同时增加了不同密度分子的分层运动趋势，导致浆体发生沉降分离及泌水。解决这个问题必须考虑水泥浆的保水增塑组分，单纯地依靠缓凝高效减水剂加膨胀剂的方法往往很难满足孔道压浆所用水泥浆的高技术要求。

  鉴于以上两种膨胀剂和缓凝高效减水剂复掺不能满足使用要求，又选择了一种UGM高强无收缩灌浆料。UGM是一种专门用于后张法预应力结构孔道压浆的材料，这种材料只需加水拌合成灌浆料即可使用。试验结果见表8。

  由试验结果可以看出，UGM是一种比较理想的孔道压浆材料，但价格非常昂贵，因此最后选择了江苏博特新材料有限公司生产的JM-HF高性能灌浆外加剂进行试验比较。TM-HF是以β一萘磺酸盐亚甲基高级缩合物和新型有机高分子材料为主体的复合外加剂，兼具减水、缓凝、保水、保塑、增强等功能，还能使高流动状态下水泥浆体保持各相、各组分之间协调流变，有效降低泌水，并且使水泥浆体产生适当膨胀。它的膨胀组分是由硫铝酸盐类膨胀剂和特殊高效膨胀组分复配而成。JM-HF与建筑水泥试验结果见表9。试验结果表明，JM-HF配合建筑牌水泥拌制的水泥浆，各项性能指标均满足要求。

  4 结论

  水泥的碱含量、细度、C3A含量等因素影响着掺萘系(缓凝)高效减水剂水泥浆体的流变性能；膨胀剂的膨胀效果在很大程度上取决于水泥浆体的和易性；对于后张法预应力结构孔道压浆这样有特殊要求的工程，随着外加剂的发展，应当选择作用更明确的、更专用的外加剂。

  【参考文献】

  [1] 张冠伦, 王玉吉, 孙振平编著. 混凝上外加剂原理及应用[M]. 北京:中国建筑工业出版社，1996.6.

  [2] 沈旦申, 吴正严. 现代混凝上设计[Ml.上海:科技文献出版社, 1987.4.