防凍型支座灌漿材料的研究

楊富民，張 勇，李學斌

(中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081)

支座灌漿材料以其高流動性、快硬、早強、高強而廣泛應用于鐵路橋梁架設支座安裝施工中，顯著地提高了鐵路橋梁的平順性和架設效率，而支座灌漿材料抗壓強度在較短的時間內達到20 MPa是保證施工效率的重要技術指標。支座灌漿材料的早期強度受溫度影響顯著，而且，在實際施工過程中還會遇到冬季施工，尤其在嚴寒地區，冬季進行鋪架施工，對橋梁支座和支承墊石間僅有20～30 mm的間隙進行灌漿施工，現場環境溫度處于負溫，灌注的漿體會在很短時間內將熱量傳導到支座和周邊墊石混凝土中，漿體水化熱溫度很難保證漿體硬化后達到適宜的早期強度，將降低橋梁的鋪架效率，尤為嚴重的是，還會出現漿體早期受凍，后期強度損失的病害，從而為工程帶來質量隱患。

在現行鐵路標準中，支座灌漿材料施工的環境溫度為5℃ ～35℃，對冬季橋梁鋪架施工規定為:在沒有可靠保溫措施、灌漿材料低溫性能未進行試驗驗證時，嚴禁在負溫條件下進行注漿施工［1］。

專利CN101722573A公開了嚴寒地區箱梁架設支座灌漿蒸養箱及其養護方法，CN1944798A公開了一種橋梁支座灌漿低溫施工方法，CN101545246B公開了一種支座灌漿材料冬季施工方法。于永廣［2］介紹了哈大客專第二松花江特大橋支座灌漿材料冬季施工采取的一系列保溫措施。上述措施主要是提高漿體入模溫度，營造一個正溫的小環境，使澆筑后的砂漿處于正溫環境條件。

支座灌漿材料常采用硫鋁酸鹽水泥進行配制，硫鋁酸鹽水泥具有很多優異性能［3］，如快凝、快硬、水化液相堿度低、水泥石總孔隙率低等，但對溫度敏感性比較高，隨著溫度降低其凝結時間延長，在負溫環境條件下，甚至難以凝結而凍結。

在硫鋁酸鹽水泥用于低負溫混凝土的研究中，王燕謀等［4］通過試驗認為:摻加防凍劑的快硬硫鋁酸鹽水泥混凝土幼齡受凍后，轉標養28 d和60 d的強度為不受凍標養28 d強度的108%和128%，李啟棣等［5］通過大量試驗認為;在硫鋁酸鹽水泥中摻加適當的防凍劑，可以配制在-20℃施工的混凝土。在建筑工程冬期施工規程(JGJ104—97)中規定了混凝土在負溫(-5℃～-25℃)下施工可以摻加防凍劑的用量對比值。是否通過摻加防凍劑解決支座灌漿材料負溫條件下施工的問題是急待解決的問題。本文通過試驗探討了-5℃和-10℃條件下漿體的性能，以期研制出防凍型支座灌漿材料。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

快硬硫鋁酸鹽水泥:具體性能見表1，山西省陽泉天隆工程材料有限公司生產。石英砂:0.63～1.25 mm，產地為河北承德。聚羧酸減水劑:北京凱斯美聯合化工產品有限公司生產。防凍劑，無機復合型。

表1 快硬硫鋁酸鹽水泥性能

1.2 試驗方法

1)灌漿材料樣品制備。

灌漿材料配比為，快硬硫鋁酸鹽水泥∶石英砂∶聚羧酸減水劑∶水 =499∶500∶1∶0.15，防凍劑的摻入量為灌漿材料的1% ～4%。采用JJ-5型砂漿攪拌機，慢速攪拌1 min，快速攪拌2 min后，成型40 mm×40 mm×160 mm砂漿試件。

2)試驗方法。

試模和干粉料在低溫箱中放置24 h，干粉料加水攪拌完畢迅速倒入試模后放入低溫箱中，漿體的入模溫度通過調整水溫進行改變，但水溫不超過60℃。測定小時強度時，試件從低溫箱取出即刻進行試驗，1 d、7 d和28 d齡期試件，需在20℃環境條件下放置2 h，待充分解凍后，進行強度測試。

3)試驗設備。

試驗設備包括低溫箱(最低溫度為-40℃)，無線測溫裝置，膠砂攪拌機和壓力試驗機。

2 結果與討論

2.1 未添加防凍劑支座灌漿材料在負溫條件下的性能

圖1 不同養護溫度漿體的時間—溫度曲線

在20℃，-5℃和-10℃環境溫度下，測定砂漿試件內部溫度，溫度通過在40 mm×40 mm×160 mm的鋼制試模成型的砂漿內埋置測點測定，測試結果見圖1。在20℃環境條件下，漿體在大約50 min開始凝結，并釋放水化熱，在75 min時溫度達到峰值，然后溫度開始下降。

將溫度21℃的漿體攪拌后倒入-5℃的試模內，然后立刻放入-5℃的低溫箱內進行溫度測試。從圖1中可以看出，砂漿倒入試模后漿體溫度迅速降低，10 min后漿體溫度由21℃降至0℃，未有放熱峰。

將溫度21℃的漿體攪拌后倒入-10℃的試模內，然后立刻放入-10℃的低溫箱內進行溫度測試，從圖1中可以看出，10 min后漿體溫度從21℃驟然降低到0℃，50 min內降到-10℃，亦未有放熱峰。

在-5℃和-10℃環境中，漿體在20 min內出現凍結，2 h時從低溫箱內取出試件，試件因受凍產生明顯的膨脹，立即測試抗壓強度，抗壓強度＞20 MPa;另一組試件在室溫20℃放置一段時間解凍，解凍后的試件沒有強度，說明砂漿不能正常凝結硬化，凍結的強度為“假”強度。

空氣的熱傳導系數為0.025 W/(m·k)，鋼筋混凝土的熱傳導系數為1.74 W/(m·k)，鋼板的熱傳導系數為45 W/(m·k)，鋼筋混凝土和鋼板的熱傳導系數分別是空氣的70倍、1 800倍。在負溫環境條件下，砂漿與支座鋼板和鋼筋混凝土的熱傳導十分迅速，從而漿體溫度驟然降低，不采取措施直接灌注漿體，漿體早期受凍不能正常凝結。

2.2 摻加防凍劑支座灌漿材料的性能

在-5℃環境溫度下，防凍劑摻量為1%，2%，3%和4%4個水平以及不摻加防凍劑的砂漿的負溫1 d強度和負溫1 d轉20℃1 d強度見圖2。在-10℃環境溫度下，防凍劑摻量為1%，2%，3%和4%4個水平以及不摻加防凍劑的砂漿的負溫1 d強度和負溫1 d轉20℃ 1 d強度見圖3。由圖2和圖3可知，摻加防凍劑后砂漿在相應負溫條件下均能獲得強度，當轉入正溫養護后，強度較大幅度增加，觀察試件亦發現，試件沒有出現明顯的膨脹。在-5℃和-10℃環境溫度下，防凍劑摻量分別為1%和2%時，砂漿試件強度最高，因此選擇相應摻量進行負溫小時強度試驗，試驗結果見圖4。

圖2 防凍劑摻量對砂漿強度的影響

由圖4可以看出，在-5℃環境條件下，砂漿在不采取任何養護措施的條件下能夠凝結硬化，7 h時其抗壓強度可達到20 MPa，24 h強度可以達到35 MPa。在-10℃環境條件下，砂漿在不采取任何養護措施的條件下亦能夠凝結硬化，約22 h時其抗壓強度達到20 MPa，24 h強度可以達到25 MPa。但均不能滿足2 h達到20 MPa的規范要求。

圖3 防凍劑摻量對砂漿強度的影響(-10℃)

圖4 摻防凍劑砂漿-5℃和-10℃下小時強度

持續-5℃負溫條件下砂漿的長期力學性能見圖5。由圖5可知，摻加適量的防凍劑，砂漿在 -5℃下能夠凝結硬化，并在負溫下強度持續增長，24 h內強度增長迅速，24 h強度為28 d強度的76%，之后強度緩慢增長，28 d抗壓強度達到55 MPa。

圖5 摻加防凍劑砂漿在-5℃下的長期強度

2.3 摻防凍劑灌漿材料負溫轉正溫后的力學性能

在-5℃ 7 d后，試件轉入20℃下的長期力學性能見圖6。漿體轉入正溫養護后強度迅速增加，并持續增加，-7 d+28 d抗壓強度可以達到70 MPa以上。

2.4 微觀分析

通過對負溫條件下放置的砂漿試件進行X射線衍射、掃描電鏡(SEM)分析，試驗結果見圖7和圖8。分析發現:試樣的水化礦物和水化產物種類同常溫條件下養護的試件一致，試樣界面過渡區生成的水化產物形態致密，品質較好。試驗結果說明，摻加防凍劑僅僅促進了水化進程。

2.5 預養后砂漿性能研究

圖6 -5℃ 7 d后，轉入20℃下長期強度

圖7 試樣的XRD圖譜

圖8 砂漿中的鈣礬石晶體

通過配方調整確定了防凍型支座灌漿材料配制方案，不摻加防凍劑，防凍型支座灌漿材料在5℃條件下的2 h抗壓強度達到 20 MPa，之后進行 -5℃和-10℃條件下7 d養護，再轉入標準養護條件28 d和56 d，所測抗壓強度與在標準養護28 d時砂漿的抗壓強度進行對比，試驗結果見表2。

表2 用于冬期施工的水泥基灌漿材料的力學性能指標及試驗結果

由表2數據可得，預養后，砂漿轉入負溫，強度繼續發展，-7 d強度可以達到標準養護28 d強度的70%以上，當環境溫度轉到正溫后漿體的強度繼續發展，與28 d標養強度接近，表明防凍型支座砂漿材料可以通過2 h的養護，2 h抗壓強度達到20 MPa以上，并能夠耐受負溫，從而滿足橋梁架設的需要。

3 結論和建議

1)普通灌漿材料在 -5℃條件下直接灌注，漿體會出現被“凍住”的情況，表現為試件具有一定強度的假象。受凍試件在常溫下將逐漸解凍，最終失去強度，施工中要注意杜絕此情況的發生。

2)摻加防凍劑的灌漿材料，在沒有養護措施條件下，在-5℃和-10℃條件下，砂漿強度在2 h內低于20 MPa，因此在材料中摻加防凍劑的技術手段不能夠解決負溫條件下預制梁架設施工問題，但在負溫條件下砂漿強度能夠持續發展，24 h強度可以達到28 d強度的75%，且轉入正溫后強度迅速發展，-7 d+28 d強度可以達到70 MPa以上。微觀分析亦表明，摻加防凍劑后砂漿的水化產物與常溫水化產物相同。

3)無養護措施條件下，摻加適量防凍劑的防凍型支座灌漿材料可以應用于對初凝時間要求不苛刻的負溫條件下的現澆梁支座砂漿施工和正負溫更替環境條件下的預制梁架設施工。

4)研制的防凍型支座灌漿材料，不摻加防凍劑，采取一定的預養措施，在5℃條件下2 h內抗壓強度可達到20 MPa，之后轉入負溫，砂漿能夠耐受持續負溫，轉入正溫后強度迅速發展，接近標準養護28 d砂漿強度，能夠保證冬季預制梁架設施工質量。

［1］中華人民共和國鐵道部.科技基［2005］101號 客運專線橋梁盆式橡膠支座暫行技術條件［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［2］于永廣.客運專線支座灌漿材料冬季施工控制措施［J］.低溫建筑技術，2009，31(4):73-74.

［3］刁江京，辛志軍，張秋英.硫鋁酸鹽水泥的生產與應用［M］.北京:中國建材工業出版社，2006.

［4］王燕謀，蘇慕珍，張量.硫鋁酸鹽水泥［M］.北京:北京工業大學出版社，1999.

［5］李啟棣，吳淑華.硫鋁酸鹽水泥混凝土的特性及應用［M］.北京:中國鐵道出版社，1989.

［6］仲朝明，邵正明，王曉豐，等.高速鐵路橋梁盆式橡膠支座灌漿料的研制及應用［J］.鐵道建筑，2009(10):18-21.