裝配式橋梁墩底墊層砂漿性能提升技術

王冬，張金康，祝燁然，石明建

（1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024；2.南京瑞迪高新技術有限公司，江蘇 南京 211161；3.水利部水工新材料工程技術中心，江蘇 南京 210024；4.安徽瑞和新材料有限公司安徽省院士工作站，安徽 馬鞍山 238281；5.南京市公路事業發展中心，江蘇 南京 210008）

0 前言

裝配式橋梁技術可以大大減輕環境影響和交通干擾，易于保證工程質量，還可以加快施工速度，降低橋梁生命周期成本，其技術經濟優勢顯著，因此，裝配式橋梁技術也是未來建筑業發展的必然趨勢。裝配式橋梁關鍵的技術問題在于預制構件之間的連接，這一部位是裝配式橋梁結構受力的薄弱部位。連接節點是否足夠可靠將直接影響裝配式橋梁的安全及使用性能，目前各國學者對于裝配式橋梁的研究也主要集中在其連接節點上[1-3]。

裝配式橋梁預制墩柱安裝通常在處理好的地基承臺上鋪筑墩底墊層砂漿對墩柱連接處進行封閉，再對承臺肋鋼筋插入墩柱內壁帶溝槽的套筒進行灌漿，連接成整體，連接示意與現場施工見圖1。荷載試驗表明，墩底墊層砂漿部位是加載出現破壞現象的首要部位，另外，墩底墊層砂漿部位易受到酸雨、融雪劑、地下水等環境侵蝕性物質腐蝕，侵蝕造成墩底部位鋼筋混凝土破壞問題，從而影響橋梁整體安全。

圖1 墩底墊層砂漿連接示意與現場施工

312國道南京繞越高速公路至仙隱北路段改擴建工程，是江蘇首個公路工程裝配式橋梁，是國內橋寬最寬、噸位最大的預制裝配式橋梁，預制裝配率高達93%，其中樁基897根、承臺337個、預制墩柱386根，單根墩柱最大質量115 t。墩底墊層砂漿預計400 t以上，以往對墩底墊層砂漿部位的重視不足，只使用普通砂漿墊層處理，本文結合裝配式混凝土橋梁連接部位材料性能提升關鍵技術研究對該部位性能進行提升研究，為裝配式橋梁混凝土構件的耐久壽命和整體安全性提供技術保障。

1 試驗

1.1 原材料

（1）水泥：臺泥P·Ⅱ52.5水泥。

（2）砂：池州砂，過2.36 mm篩，細度模數2.1，含水率控制<0.3%，含泥量和泥塊含量分別為3.0%和2.0%。

（3）高效活性粉HLC-MS101（以下簡稱MS101）：主要由硅粉、磨細礦渣粉、微珠粉及激發劑等經特殊工藝配制的超細礦物粉體復合材料，具有連續粒徑分布特性、填充性好，有參與并延遲水化速度作用，需水量比87%，比表面積1450m2/kg。

（4）RD-GM341A高強灌漿劑（以下簡稱GM341A）：粉體，主要由聚羧酸減水劑、塑性膨脹劑、氧化鈣-硫鋁酸鈣膨脹劑、消泡劑及保塑劑等組分構成，砂漿減水率>25%，外摻膠凝材料質量的8%～10%，漿體的3h自由豎向和7d限制膨脹率為0.5%～2.0%和0.05%～0.07%。

（5）對比墊層砂漿：市售座漿料J60-Ⅲ。

1.2 主要試驗方法

（1）力學性能：抗折和抗壓強度按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》進行測試；粘結強度按照SL 352—2006《水工混凝土試驗規程》中8.7“水泥砂漿粘結強度試驗”進行測試。

（2）吸水率：按照GB/T 15345—2003《混凝土輸水管試驗方法》標準中附錄E“PCCP保護層砂漿吸水率試驗方法（沸煮法A法）”進行。

（3）抗滲性：按照SL 352—2006中8.11“水泥砂漿抗滲性試驗”進行測試，水壓達1.5 MPa，1 h后仍未透水的試件參照4.22“混凝土相對抗滲性試驗”將試件劈開后量取滲水高度。

（4）氯離子擴散系數：按照GB/T50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》7.1“快速氯離子遷移系數法（或稱RCM法）”進行測試。

（5）抗硫酸鹽侵蝕性能：按照GB/T 749—2008《水泥抗硫酸鹽侵蝕試驗方法》中4“浸泡抗蝕性能試驗方法（K法）”進行測試。

（6）干縮性能：按照SL 352—2006中8.9“水泥砂漿干縮（濕脹）試驗”進行測試。

2 試驗結果與分析

2.1 墊層砂漿的配制

選擇不同水膠比、砂膠比、GM341A摻量（外摻，按占膠材質量計）和MS101摻量（等質量取代水泥），測試砂漿初始流動度大于290 mm時，砂漿流動度及流動度損失和抗壓強度，墩底墊層砂漿配合比見表1，測試結果見表2。

表1 配制墩底墊層砂漿的質量配比

表2 現場材料配制墩底砂漿的性能

由表2可見：

（1）對比Z1-1～Z1～3，固定水膠比為0.32，當砂膠比由1.2減小至0.8時，砂漿的初始和30 min流動度增大，其中砂膠比由1.0減小至0.8時，砂漿流動性增長放緩。

（2）對比Z1-4、Z1～2、Z1～5，固定砂膠比為1.0，當水膠比由0.30增大至0.34時，同時調整GM341A摻量控制初始流動度相近，砂漿的30 min流動度逐漸增大，抗壓強度逐漸降低，但1、28d抗壓強度均能分別滿足>30MPa和>50MPa的要求。

（3）摻加MS101對砂漿流動性及流動度損失有很好的改善作用。對比Z1-2、Z1～6～Z1～8四組試樣，固定砂膠比為1.0，隨其摻量的增加，達相同流動度時的水膠比減小，且水膠比減小后對砂漿的28d抗壓強度有明顯的提高作用。

（4）對比Z1-5、Z1～2、Z1～4，固定砂膠比為1.0，隨GM341A摻量由6%增至10%，達到相同初始流動度的水膠比逐漸減小，且GM341A在保證砂漿流動度的同時泌水率減小。

綜合以上試驗結果，在砂漿初始流動度滿足>290 mm時，從流動度和抗壓強度結果考慮，不摻高效活性粉MS101墊層砂漿配合比優選Z1-2，摻高效活性粉MS101墊層砂漿配合比優選Z1-8。

2.2 墊層砂漿性能對比

2.2.1 墊層砂漿的力學性能

選取市售座漿料J60-Ⅲ、配制的墩底墊層砂漿Z1-2、Z1-8，測試其在大流動度狀態下（初始流動度>290 mm）的施工性能及力學性能，結果見表3。

表3 3種墩底砂漿的施工性能及力學性能

由表3可見：

（1）3種砂漿的初始流動度及30 min流動度損失性能良好、無泌水、施工操作時間充分，操作性能優。

（2）3種砂漿的1 d和28 d抗壓強度分別>30 MPa和>60 MPa，28d抗折強度>10 MPa，力學性能良好。

（3）Z1-2與市售J60-Ⅲ砂漿抗壓強度相近、抗折強度略好，Z1-2因摻加GM341A高強灌漿劑，不僅具有塑性膨脹性能，還具有良好的后期膨脹性能，使得水化產物結構致密，提高了砂漿的抗折強度。

（4）添加高效活性粉MS101的Z1-8砂漿，水料比較其它2種砂漿減小了0.035，對砂漿早期抗壓強度影響較小，但28 d抗壓、抗折強度有較大提高，較Z1-2分別提高44.4%、28.5%，較市售J60-Ⅲ分別提高32.4%、49.2%。

試驗結果表明，高效活性粉MS101的比表面積大、填充性好，顆粒級配好，能減少用水量，大大提高了砂漿的整體力學性能。

2.2.2 墊層砂漿的耐久性能

對3種墩底砂漿的體積穩定性、粘結性、密實性（抗滲性、吸水率和氯離子擴散系數）及抗硫酸鹽侵蝕性能分別進行測試，結果見圖2和表4、表5。

表4 墩底砂漿的耐久性

表5 墩底砂漿的抗硫酸鹽侵蝕性能

圖2 墊層砂漿的干縮變形

由圖2可見：砂漿的90%干縮變形發生在早期（7d內），早期養護對減少砂漿干縮變形作用很大；3種砂漿干縮大小依次為：J60-Ⅲ>Z1-2>Z1-8。Z1-2、Z1-8的28d干縮率較J60-Ⅲ分別減小了4.9%、19.5%。可見，GM341A高強灌漿劑在干燥環境中對體積的穩定性得不到發揮，早期砂漿養護很重要；通過高效活性粉MS101降低用水量可以有助于減小砂漿干縮收縮。

由表4、表5可見：

（1）3種大流動度砂漿在1.5 MPa壓力下均無滲漏現象，滲透深度較小，抗滲性良好。

（2）28 d砂漿吸水率是在蒸氣環境中測得的吸水率，測試結果反映了砂漿的密實度：Z1-8>Z1-2>J60-Ⅲ；同時3種砂漿的氯離子擴散系數也呈相同規律。

（3）Z1-2與J60-Ⅲ的氯離子擴散系數均>5.0×10-12m2/s，按JGJ/T 193—2009《混凝土耐久性檢驗評定標準》劃分抗氯離子侵蝕性能等級為差，而Z1-8的氯離子擴散系數為0，抗氯離子侵蝕性能等級為很好。

（4）3種砂漿的28 d粘結強度都≥2.5 MPa，靜態粘結性能優；Z1-8砂漿的28 d粘結強度達2.8 MPa，較Z1-2與J60-Ⅲ均提高了12.0%。

（5）3種砂漿的抗蝕系數都大于1.0，抗硫酸鹽侵蝕性能優，J60-Ⅲ的抗折強度相對較低，而抗蝕系數最大，因為它的密實性較差，在浸泡過程中與硫酸鹽溶液水化產物增加了致密性，使得抗折強度明顯提高，導致抗蝕系數反而最大。

以上試驗表明，3種砂漿的早期干縮變形大，抗滲性、粘結性能和抗硫酸鹽侵蝕性能良好。高效活性粉MS101降低了砂漿的用水量，提高了砂漿致密性，進而改善墩底砂漿的體積穩定性、粘結性能和抗氯離子侵蝕等耐久性能。

3 結論

（1）選用GM341A配制的裝配式橋梁墩底墊層砂漿與市售J60-Ⅲ座漿料進行了性能測試對比，結果表明，配制的裝配式橋梁墩底墊層砂漿施工性能、力學性能、粘結性能和抗滲性能優良。

（2）市售J60-Ⅲ座漿料和摻加高強灌漿劑GM341A配制的灌漿料氯離子擴散系數>5.0×10-12m2/s，抗氯離子侵蝕性能較差。

（3）高效活性粉MS101的比表面積大、顆粒級配好，對砂漿流動性有助流作用，可大大提高砂漿的致密性，摻加MS101的砂漿較市售J60-Ⅲ砂漿的抗壓、抗折、粘結強度和干縮體積穩定性分別提高了32.4%、49.2%、12.0%和19.5%，抗氯離子侵蝕性能等級由差提升到很好，大大提高了墩底墊層砂漿的承載力破壞和受環境侵蝕的抵抗能力，為裝配式橋梁混凝土構件的耐久性能和整體安全性提供技術保障。