橋梁支座灌漿料工作性能試驗研究

李 慧

(中鐵二十二局集團第二工程有限公司 北京 100144)

1 研究背景及內容

(1)研究背景

近年來，我國橋梁建設事業飛速發展，支座作為連接橋梁上部結構與橋墩的傳力部件，其重要性不容忽視，而支座灌漿料的工作性能更是重中之重。針對橋梁支座對灌漿料的要求需研制出一種具有優良的技術性能、易于施工、低成本、高適應性的支座灌漿材料[1-3]。

灌漿料采用的骨料一般具有特殊性能或較大強度，加入膠凝材料做粘合劑，同時添入其它滿足灌漿料技術性能要求的外加劑或填料等，要求施工時僅加入足量拌合水，拌和均勻即可使用[4]。

(2)研究內容

水泥基灌漿料的良好性能對材料組成有很大要求，選取雙快水泥可有效保證灌漿料早強要求。采取性能良好、適配的外加劑降低灌漿料水膠比，保證強度和提高流動度，摻入聚丙烯酸乳液來提高粘度，改善灌漿料工作性能，達到自流平且不離析泌水。

研究聚丙烯酸乳液對灌漿料性能的改善效果，同時研究各因素對灌漿料強度、工作性等性能的影響，并通過正交試驗確定灌漿材料的配比[5-7]。

2 灌漿料的制備

2.1 原材料

(1)P.O72.5級硫鋁酸鈣(CSA)水泥熟料，Ⅱ級粉煤灰。

(2)Ⅱ級配中砂，級配5～10 mm粒徑碎石。

(3)自制聚丙烯酸乳液，含固量40%，做為消泡劑、減水劑、早強劑。

2.2 配合比設計

試驗中設計強度為C80，屬高強度等級混凝土范疇，設計坍落度在190 mm以上，養護制度采用干濕結合的方式。整理后得到的試驗基準配合比為:水泥∶水∶石子∶砂子∶粉煤灰 ＝1.00∶0.285∶1.561∶1.045∶0.159。

3 不同因素下灌漿料工作性能影響

混凝土的工作性是一項綜合性質。一般混凝土的工作性用坍落度及坍落擴展度來表達。

3.1 水膠比對灌漿料工作性的影響

本次試驗中，不同水膠比對灌漿料工作性的影響測試結果見表1。

表1 水膠比影響測試結果

從表1灌漿料的部分工作性能測試結果看，隨著水膠比的不斷增大，混凝土拌合物的坍落度值呈現出先增大后減小的趨勢，變化曲線見圖1；拌合物的坍落擴展度值則呈現出不斷遞增的趨勢，變化曲線見圖2。

圖1 水膠比對坍落度影響變化曲線

圖2 水膠比對擴展度影響變化曲線

從圖1～圖2可以看出，提高水膠比后的新拌混凝土坍落度值并沒有明顯增大，相反還出現了回落的趨勢。同時新拌混凝土坍落擴展度隨水膠比增大而增大，產生此種結果主要是由于拌合物隨水膠比的增大流動性上升而黏聚性及保水性降低，產生了離析；由于灌漿料中水含量超過漿體保水極限使得漿體變稀粘稠度下降，水泥漿體無法有效包裹骨料導致灌漿料各組分分離，造成粗集料沉降，坍落度隨之減小，擴展度增大[8-9]。

3.2 漿體富裕系數對灌漿料工作性的影響

本次試驗中，不同漿體富裕系數對灌漿料工作性的影響測試結果見表2。

表2 漿體富裕系數影響測試結果

從測試結果看，隨著漿體富裕系數的不斷增大，混凝土拌合物的坍落度值及0.5 h坍落度值都呈現出先增大后平緩的趨勢，變化曲線見圖3；坍落擴展度則隨富裕系數增大而增大，變化曲線見圖4。

圖3 漿體富裕系數對坍落度影響變化曲線

圖4 漿體富裕系數對擴展度影響變化曲線

從圖3可以看出，改善漿體富裕系數的新拌混凝土，在同一用水量的情況下，漿體富裕系數提高，新拌灌漿料的坍落度增大；從圖4可以看出，當坍落度不再隨富裕系數增大而增長時，坍落擴展度仍繼續增長。產生此種結果主要是漿體富裕系數增大并未改變灌漿料內部水泥漿體的稀稠程度，單位灌漿料中集料含量下降，漿體相對攜帶能力增強，表現為灌漿料整體流動性的增加。由此可見，提高漿體富裕系數對改善新拌灌漿料的工作性有一定的作用，選擇合適的富裕系數便于施工作業。

3.3 乳液摻量對灌漿料工作性的影響

不同乳液摻量對灌漿料工作性的影響測試結果見表3。

表3 乳液摻量對工作性影響測試結果

由表3可知，隨著乳液摻量的增大，灌漿料的坍落度先增后減。產生這種變化是由于在乳液摻量較少時乳液顆粒使得水泥漿體內水泥顆粒分布更均勻且整體更粘稠，表現為混合料整體流動性改善，且保水率和抗離析能力提高。但當水泥漿體中存在的乳液顆粒相對過多時，灌漿料整體的黏聚性過強，流動性能遭到破壞，表現為混凝土坍落度急速下降。

3.4 小結

通過提高水膠比來改善混凝土的工作性適得其反，反而不利于施工；一定限度內提高漿體富裕系數可以有效提高新拌混凝土的工作性；不同的乳液摻量在一定程度上改善了灌漿料的工作性。

4 多重因素下工作性與強度影響

基于混凝土基準配合比，通過試驗確定因素并選定一些水平對其進行了試驗研究，利用正交試驗確定每項指標對應的最優配合比。試驗內容包括工作性試驗、立方體抗壓強度試驗、抗折強度試驗、抗凍性試驗，然后分析并確認每項試驗指標對應的性能最優異的混凝土配比。

基于計算得到的混凝土基準配合比及各單因素試驗對混凝土性能影響的結果，各因素及水平確定如下:水膠比范圍為0.32～0.36，乳液摻量為2%～6%，漿體富裕系數確定范圍為1.15～1.25，其余外加劑摻量不變。采用正交試驗，得出影響混凝土性能單因素及水平正交表，見表4。

表4 影響混凝土性能單因素及水平正交表

4.1 工作性正交試驗結果及分析

各因素綜合作用對混凝土工作性影響測試結果見表5。

表5 多重因素下混凝土工作性測試結果

根據表5所測得數據，對初始、30 min后的坍落度及初始擴展度分別進行方差分析，可看到三個因素對灌漿料坍落度、擴展度影響都非常顯著，其中乳液摻量因素影響尤為明顯。

由極差分析得到影響灌漿料坍落度、擴展度三個因素作用由大到小順序為乳液摻量＞水膠比＞富裕系數。計算得出較優的工藝組成為水膠比0.36、乳液摻量2%、富裕系數1.20，此時灌漿料坍落度、擴展度均達到試驗極值。

4.2 混凝土力學性能測試試驗結果及分析

研究不同變量對混凝土抗壓強度的影響。

表6 多因素影響下混凝土力學性能測試試驗結果MPa

根據表6所測得數據，對2 h、1 d、28 d抗壓強度及1 d抗折強度分別進行方差分析。

根據正交試驗結果各因素對灌漿料抗壓強度影響顯著，由極差分析得到較優試驗安排為水膠比0.34、乳液摻量2%、富裕系數1.20。此時灌漿料理論測試抗壓強度預計達到試驗極值。由于此試驗同正交試驗中6號試驗組試驗安排相同，通過結果對比發現6號試驗組在正交試驗組中抗壓強度值最高，符合分析結果要求。

4.3 混凝土抗凍性能測試試驗結果及分析

抗凍試驗采用快速凍融循環機對灌漿料的抗凍性進行測定。試驗結果見表7。

表7 多因素影響下混凝土抗凍性試驗測試結果

混凝土的抗凍性采用三種標準進行衡量，分別為相對動彈性模量下降至初始值的60%、預定的凍融循環次數、質量損失達5%。但考慮到時間原因，本次試驗只采用前兩個標準來衡量。計算得到各混凝土試件的相對動彈性模量，見表8。

表8 多因素影響下混凝土相對動彈模量

正交試驗中所有灌漿料試件在經歷200次凍融后，所有試件的動彈性模量變化都不大，且相對動彈性模量都在93%以上。300次凍融結束后，結果顯示抗凍性最好試件相對動彈性模量為95.92%。

由極差分析得到對灌漿料抗凍性能影響作用由大到小分別為乳液摻量＞水膠比＞富裕系數。說明混合料中乳液摻量對灌漿料的抗凍性有較大的影響。當乳液摻量較高時，灌漿料黏聚性增大，混合料無法自密實，導致灌漿料密實度降低影響抗凍性；當乳液摻量較合適時，可起到填充硬化混凝土微細孔的作用，提高結構密實度，增強混凝土抗凍性。

由試驗結果計算得到的較優試驗安排為水膠比0.34、乳液摻量2%、富裕系數1.20。此時灌漿料抗凍性能預計最好。由于此試驗安排與正交試驗中6號試驗組試驗安排相同，通過結果對比發現6號試驗組在正交試驗組中相對動彈性模量最高，符合分析結果要求。

4.4 小結

乳液摻量越高，灌漿料整體工作性能越差，抗壓強度隨乳液摻量增大而減小。合適的乳液摻量能顯著提高灌漿料的抗凍融破壞能力，從而提高其抗凍耐久性。

5 結論

本文以灌漿料為研究對象，通過對灌漿料工作性、力學性能的一系列試驗，可得出以下結論:

(1)影響灌漿料工作性能的因素從大到小的順序為乳液摻量＞水膠比＞漿體富裕系數。

(2)當水膠比為0.34、乳液摻量為2%、漿體富裕系數為1.20時得到的灌漿料綜合性能最好。

(3)通過正交試驗進行配比優化，優化后的配比為水泥∶石子∶砂∶水∶粉煤灰 ＝1∶1.498∶1.010∶0.34∶0.155。