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EPS-C防冻型水泥灌浆剂如何应用?

作者:马清浩来源:水泥混凝土外加剂550问 浏览次数: 日期:2012-08-21

(冬季施工后张预应力孔道灌浆专用外加剂)

在预应力混凝土技术中,后张预应力孔道灌浆材料是保护预应力钢筋不锈蚀、使后张预应力钢筋与整体结构连接成一体的关键性材料。当后张预应力钢筋处于非水平的倾斜部位、多跨度弯曲状态和垂直状态时,灌浆材料泌水会使泌水蒸发后的空间失去水泥的钝化保护,钢绞线的异形也会导致某些局部灌浆不饱满而失掉钝化保护。然而钢筋在应力状态下锈蚀极易发展,造成钢筋锈蚀部位断面缺损,使预应力结构的安全寿命和使用可靠性受到威胁。因此,近年来后张预应力灌浆材料的性能保证日益引起了工程技术人员的关注。

后张预应力孔道灌浆材料的主要作用是保护钢筋不外露锈蚀及保证预应力钢筋和混凝土构件之间有效的应力传递,因此需要达到以下要求:水胶比为0.36±0.02,掺入适量减水剂时,水胶比可减少到0.35。灌浆材料的最大泌水率不超过3%,拌合后3h泌水率宜控制在2%,泌水应在24h内重新全部被吸回。灌浆材料在凝固前应具备一定的膨胀性能,使浆体灌入后胀满整个孔道,特别是钢绞线的异形部位,孔道拐弯部位及竖向压浆部位,其自由膨胀率应小于10%。灌浆材料的强度应不低于30MPa,以满足预应力钢筋和混凝土构件之间的有效应力传递。

目前,国内对于灌浆材料的研究不多,工地大多采用0.36±0.02水灰比的水泥净浆灌注,或加入一些减水剂、膨胀剂配制灌注浆体,往往不能避免注浆不饱满、不密实的情况。研制一种性能优良的灌浆用材料来保证灌浆的质量是一项重要的工作,可以更好地保证预应力工程的整体质量。因此,我们研制了后张预应力孔道灌浆专用外加剂EPS-C,经试验和工程应用证明,这种外加剂能满足预应力灌浆的要求,可有效保证灌浆质量。

一、试验

(一)原材料

试验所用水泥为P·O42.5。

EPS-C外加剂主要成分包括六部分:高效塑化组分、缓凝保塑组分、膨胀组分、水溶性功能高分子材料、有机高分子材料(附加了超塑化功能,基于聚羧酸技术)及无机材料。

(二)水泥浆主要性能的测试方法

(1)水泥浆稠度测试方法:水泥浆稠度采用流锥法来测定,以通过量测一定体积(1725mL)的水泥浆,从一个标准尺寸的流锥中流出的时间来确定,试验方法参照JTJ041—2000《公路桥涵施工技术规范》附录,对任何水泥浆至少做两次试验,同时测定0min和30min的稠度值。

(2)水泥浆泌水率测试方法:将物料按规定的配比用净浆搅拌机搅拌3min,搅拌均匀,用湿布润湿容积为2L的带盖筒内表面,量取1L水泥浆体一次灌入,加盖以防止水分蒸发。自灌入后开始计算时间,分别放置3h和24h后吸水并用量筒测其泌水体积,然后按下列公式计算体积泌水率:体积泌水率=(泌水体积/水泥浆体体积) ×100%。

(3)水泥浆膨胀率测试方法:早期膨胀率测定如采用JTJ041—2000中用有机玻璃容器测膨胀面的方法来测定,当膨胀量较小时,不容易读数和测定准确,因此我们采用测定竖向膨胀率的方法来测定其早期膨胀,并测试其中、后期膨胀性能,该方法采用千分表读出数值。

(4)水泥浆强度测试方法:测定水泥硬化体抗压强度,测定试模为70.7mm×70.7mm× 70.7mm的有底砂浆试模,水泥浆搅拌均匀后成型,制作一组(6块)试件,标准养护28d,测其抗压强度。

(三)试验过程及结果

在试验室中根据需要选定6种组分,进行正交试验。每组试验分别测试流锥时间、体积泌水率、膨胀率及抗压强度,从而优选出各项性能数据优良、符合要求的配比。流锥时间比流动度测试更能直观反映水泥浆体的流动能力。在测试中采用体积泌水率替代常规泌水率测定方法,因为在灌浆管道中水泥泌水的多少和体积关系到灌浆的质量,采用体积泌水可以更贴切反映出水泥浆泌水后空隙大小。

试验结果表明,使用EPS-C配制的水泥浆体能很好地满足GB50204—2002(混凝土结构工程施工质量验收规范)及JTJ041—2000《公路桥涵施工技术规范》,对后张预应力孔道灌浆用水泥浆体性能指标的要求,掺量为9%,水灰比0.36±0.02。水泥浆稠度为16.5s,静置30min后稠度基本保持不变,这主要是针对施工中不能及时灌浆的问题。浆体无泌水并且浆体膨胀,可保持孔道饱满,使用P·O42.5拌制的水泥浆28d强度50MPa左右。

我们采用竖向膨胀率测定方法测定掺EPS-C水泥浆体的早期和中后期变形,试验在标准养护室中进行。试验表明,浆体膨胀率在3d时达到最大值,达到1.469%,而后有极小的回缩,28d仅为0.004%。在实际应用中,由于早期浆体在孔道密封环境下膨胀,因此在孔道壁产生压应力,中后期小量收缩造成这部分应力损失,由于加入了高分子材料,改善了灌浆料的应变行为,不会使浆体与基体分离,以致影响预应力筋与基体的协同作用。

国家建筑工程质量监督检验中心所做检测数据与规范要求指标相比较,可以看出各项指标均满足规范要求,30min后流锥时间小于初始流锥时间,再分散作用较好,可满足现场施工情况要求,浆体更加均匀,保水性及粘聚性好,这与水溶性功能高分子材料的加入有关,并体现出聚羧酸超塑化剂的性能优势。

二、应用

道桥箱梁的预应力灌浆中使用了EPS-C外加剂,所用水泥浆配合比为:水泥∶水∶GM外加剂=1800∶684∶162(kg/m),经现场配比试验,水灰比为0.36±0.02,水泥净浆流动度大于270mm,泌水率为0,压力灌浆,现场灌浆使用P·O52.5水泥拌制水泥浆,28d预留试块抗压强度大于55MPa。灌浆自2005年6月份开始,至目前观测,灌浆密实,无异常现象。

三、使用效果

(1)检测和应用工程证明,后张预应力孔道灌浆使用EPS-C可有效解决浆体泌水及灌浆不密实等对工程质量不利的问题,保证工程质量。

(2)引入早期塑性膨胀,使浆体充满孔道空间,使灌浆密实,不留空隙,有效传递应力和保护钢筋,中后期收缩值小。

(3)EPS-C掺量C×9%,使用方便,性价比优于一般的灌浆用外加剂。

四、水泥浆体的性能要求

灌浆浆体可分为普通水泥浆体和特殊浆体,这里只讨论普通水泥浆体。

水泥浆体由普通硅酸盐水泥、水和外加剂组成,还可加入一定数量的矿物掺合料。外加剂分为膨胀剂和非膨胀剂。膨胀剂呈粉状,可以消除水泥浆体硬化以后的收缩;非膨胀剂呈液态,功能是改善水泥浆体的流动性和泌水性。外加剂不应发生对预应力钢丝不利的腐蚀反应。外加剂的总量不应超出水泥质量的5%。灌浆材料在满足其他限制条件的前提下,应尽量降低水灰比,一般不应大于0.45。

水泥浆体的技术性能(表1)主要有流动性、泌水性、体积稳定性、强度和沉积度,并应满足下表的要求。

五、灌浆水泥浆体性能的测试方法

对浆体性能的测试试验可以分为适应性试验(SuitabilityTest) 和合格性试验(AcceptanceTest)。适应性试验是在初步研究和选择浆体材料时进行的试验,合格性试验是现场测试拌合浆体和灌浆前后对浆体的测试试验。试验的标准温度为(20±2)℃、湿度大于65%。现场试验条件与标准条件不同时,需要在试验报告中注明。

(一)流动度

浆体的流动性决定了浆体的凝结时间,现场浆体的初凝时间一般应大于3h。在试验室,浆体流动度通常用圆锥漏斗试验(ConeTest)来测试,流动度的度量单位是时间,以s为单位。具体的测试方法为:将孔径为1.5mm的筛网覆盖在圆锥漏斗顶端,将浆体通过筛网注入漏斗中,测量从漏斗底端流出1L浆体需要的时间(图1)。原则上需要三次试验来确定浆体的流动度:浆体拌合完毕一次、30min后两次。

(二)泌水率

浆体的泌水性是由浆体在圆柱筒中静置一段时间以后浆体顶部的泌水高度和浆体总高度的比例来表示的。欧洲标准的试验圆柱筒高度为1m,内径为60~80mm,内插一束7股钢丝的钢绞线,钢绞线的直径约16mm,长度需适应1m的筒高度(图2)。试验需要测试浆体3h和24h的泌水度,用泌水高度占原始浆体高度的百分比表示。

与我国现行的测试方法相比,上述试验方法采用了较大的筒体、且将钢绞线引入浆体中,更加接近浆体实际的泌水行为。

(三)体积变化率

浆体的体积稳定性反映离析、收缩或膨胀引起的体积变化。试验装置与浆体泌水性试验相同。体积变化用24h后浆体高度与初始高度的比率来表示。

(四)浆体强度

用硬化水泥浆体的7d或28d抗压强度表示。我国水泥浆试件为70mm立方体试块。

(五)沉积率

浆体沉积率表示由于浆体成分的密度差造成的浆体硬化密度的不均匀性。沉积率试验采用175mm高的透明圆柱筒,内径为50~60mm。浆体注入筒内24h以后,将硬化的浆体柱沿高度方向切割为等量的4份,顶部浆体与底部浆体的密度比被用作来表示浆体的沉积率。

(六)二次灌浆泌水率

为确定在孔管道中实施二次灌浆(压浆)的可行性,需进行二次灌浆泌水试验。英国标准推荐的试验装置,包括内径80mm、高度5m的两根透明PVC管,每根PVC管内置有12根直径约16mm的钢绞线。

两根PVC管与地面倾角为30°±2°。采用既定的灌浆工艺从1号PVC管底部的进浆口灌浆,直至顶部出浆口流出的浆体稠度与进浆相同。关闭1号管顶部出浆口,按既定工艺保持压力维持一段时间并关闭底部进浆口。从灌浆完毕开始,分别在0,30min,1h,2h和24h记录PVC管顶部的空气和泌水的高度。二次灌浆试验装置示意图如图3所示。

2号管的灌浆时间和工艺同1号管。2号管灌浆完毕以后,间隔一段时间(30min~2h) 后打开管道底部的进浆口和出浆口再次灌浆,排出顶部可能积存的空气和泌水。浆体流出出浆口以后,将顶部出浆口和底部入浆口封闭,2号管的二次灌浆完毕。记录2号管从第一次灌浆后24h的泌水率,并且记录二次灌浆以前、二次灌浆以后30min,1h和2h的空气和泌水高度。

六、灌浆的施工方法与质量控制要求

(一)灌浆和二次灌浆灌浆

材料的拌合,针对灌浆管道的容量,一次拌合的浆体量要充足,拌合在环境温度下进行,并不应低于5℃、不高于30℃。

如果需要确认既定灌浆方案的可行性,尤其了解管道中二次灌浆工艺的可行性,建议进行二次灌浆泌水试验。

(二)灌浆设备和灌浆管道系统

灌浆设备的最小要求为:浆体搅拌机、浆体贮存器、压力泵、压浆连接组件以及必要的测量器具。压浆设备中必须包括一套孔径为2mm的筛,搅拌成的浆体通过筛进入浆体存储器。压力泵应能够保持连续的浆体流,并保持浆体1MPa的压力,并具有压力释放功能使浆体压力不超过2MPa。连接浆体贮存器和预应力管道之间的压浆管尺寸应与浆体流量相匹配。

灌浆管道系统包括预应力钢绞线的套管、进浆口、出浆口、锚头、锚头封罩和预应力套管之间的连接器。在灌浆以前,要对灌浆管道系统进行气密性试验,具体方法是,在管道内充气加压至10kPa,5min内压力减低在10%以内。英国标准要求HDPE和PP套管在体内预应力体系中最小厚度为2mm,施工磨损以后的厚度不应小于1.5mm;对于体外预应力,套管的最小厚度应为4mm,并能抵抗600kPa的灌浆压力。进浆口一般设置在预应力的锚头部分和预应力管道的低点。出浆口设置在沿灌浆方向管道的高点之后。进出浆口的内径不应小于15mm,相互的间隔不宜大于15m。设在高点的出浆管应延伸到高点的500mm以上。管道的内径至少要与出浆口内径相同。

(三)适应性评价与取样方法

浆体的流动性:在适应性试验中,要求进行至少3个流动性测试:浆体拌合以后进行1次测试、拌合30min以后或拌合以后等待一个实际管道灌浆时间进行2次测试。在现场测试试验时,需要至少测试:浆体拌合以后1次、每个锚头出浆口浆体1次和灌浆完毕剩余浆体1次。

(1)浆体的泌水性:适应性试验要求在浆体拌合以后立即进行3次测试,现场测试试验要求对每1.5m浆体进行1次测试。

(2)浆体的体积稳定性:适应性试验要求在浆体拌合以后立即进行3次测试,现场测试试验要求对每1.5m浆体进行1次测试。

(3)浆体的强度:适应性试验要求在浆体拌合以后立即进行3次测试,现场测试试验要求对每1.5m浆体进行1次测试。

(4)浆体的沉积率:适应性试验要求在浆体拌合以后立即进行3次测试,现场测试试验要求至少每天1次或每次连续灌浆过程1次。

(四)灌浆方法

管道灌浆原则:管道灌浆需要对浆体进行适应性检测合格以后进行。基本的灌浆设备应包括浆体搅拌机、浆体存储器、压力泵、称量器具和现场试验设备。浆体拌合完毕后建议30min以内使用,对于加有膨胀剂的浆体,尤其要注意这个时间限制。

灌浆一般从管道的低点开始,灌浆速度宜控制在5~15m/min。灌浆过程应保证工艺的连续性,灌浆应持续到出浆口的浆体与灌入浆体相同。然后,应逐个封闭出浆口。对于处于高点的出浆口,应在封闭以后再次打开出浆口,放出积存的离析水和空气以后予以封闭。建议采用真空灌浆技术,有利于浆体充满管道的内部。

在温度低于4℃的寒冷环境中不宜进行管道灌浆,除非采取措施使构件的温度保持在5℃以上48h,并注意不能用蒸汽对管道进行加热。

根据英国标准,灌浆工艺的要点有:

(1)灌浆应在预应力钢绞线张拉后的28d以内尽早进行;

(2)保证管道内部没有积水;

(3)使用鼓入干燥空气的方法,检查每个出浆口的出浆能力;

(4)检验管道的气密性(充气500kPa,5min气压降低小于10%);

(5)灌浆从管道的底端进浆口开始,灌浆过程必须连续,灌浆速度不宜太快;

(6)在每个出浆口,灌浆应继续到流出的浆体稠度与灌入浆体相同;

(7)流出浆体达到灌入浆体的稠度后,还应放流5L浆体;

(8)满足上述条件后,沿灌浆方向逐次关闭出浆口;

(9)灌浆管道全部封闭以后,灌浆压力保持500kPa至少1min;

(10)立即打开管道高点出浆口,检查是否有泌水或空洞;如果有,需要二次灌浆。二次灌浆的操作规程与第一次相同;直到此出浆口排出浆体稠度与灌入浆体相同,并放流5L为止。二次灌浆完毕后,需维持灌浆压力500kPa1min以上;

(11)灌浆完毕后24h内应避免移动灌浆构件;

(12)管道内浆体凝结以后,打开出浆口检查空洞情况;

(13)永久封闭所有出浆口。

防冻型灌浆剂出厂检验指标见表2。

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