預填集料混凝土研究

周孝軍，羅 霞，丁慶軍，謝 琳，牟廷敏，彭健秋

(1.西華大學建筑與土木工程學院， 成都 610039；2.四川省鋼管混凝土橋梁工程技術研究中心，成都 610041；3.武漢理工大學材料學院，武漢 430070;4.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司,成都 610041)

預填集料混凝土(Preplaced Aggregate Concrete,PAC)是先在模板內放置粗集料并振搗均勻、再向粗集料空隙內直接或泵送注入灌漿料而形成的混凝土，也稱“灌漿骨料混凝土”、“兩階段混凝土”或“升漿混凝土”[1,2]。PAC的制備只需拌制高流動性灌漿料，可不用在拌合站內生產，灌漿可免振搗，減少了施工工序與能耗，勞動強度與施工條件明顯改善[3-5]。常規混凝土需在粗集料表面包裹一定厚度漿體以保證其流動性，成型后集料懸浮于漿體之中，而PAC灌漿料的體積幾乎與粗集料的空隙率相當，相同情況下可節約水泥用量15%～20%[4-5]。由于PAC粗集料含量高且分布均勻，特別是粗集料點對點接觸形成嵌鎖型骨架，其力學性能、體積穩定性與耐久性很大程度上優于常規混凝土[6]。但由于灌漿工藝、灌漿料性能、粗集料特性等多因素影響PAC的組成、結構與性能，且灌漿質量檢測困難，理論研究還很薄弱，尚無相應的技術標準，導致其難以在實際工程中大規模推廣應用，亟需開展應用基礎的研究。為此，該文系統總結了預填集料混凝土的發展與應用歷程，闡述了其施工工藝與制備方法特點，分析了灌漿料的組成與性能、粗集料級配和特性等對PAC的影響，探討了PAC研究與應用存在的問題與發展展望。

1 PAC發展及應用現狀

PAC在美國、日本等發達國家應用研究較早，最初運用于橋梁、隧道等基礎設施的修補加固[1]。1937年加利福尼亞州圣菲鐵路隧道修復工程中，首次使用預填集料工藝，施工人員在澆筑拱頂混凝土時，用粗集料填塞大空隙，以減少水泥漿用量。1941年在美國胡佛壩溢洪道上用預填集料工藝施工回填了大面積的沖刷區；1964年，在巴克壩迎水面擴建工程中也用此工藝修復了水壩面層。1950年日本率先將其應用到橋墩的建造，到20世紀70年代，日本國內橋梁管理局對預填集料混凝土制備技術進行了系統的研究，使PAC在橋梁施工中應用廣泛。此外，由于PAC集料分布均勻，灌漿方便，不存在混凝土離析，其在水電站渦輪機的渦殼結構、混凝土軌道施工中也有良好應用。

在國內，PAC常用于水下工程。1994年，大連中遠6萬噸級船塢工程施工首次應用了PAC技術方案。由于缺乏成熟的專業設備和相應的規范標準，該工程PAC沒有作為結構混凝土使用，只作為船塢底板的止水及配重[7]。隨后，大連造船重工30萬t級船塢工程采用了預填集料工藝，有效解決了基礎淤泥層的填充問題、二次升漿混凝土界面的浮漿處理問題和圍堰沉箱基礎的止水問題。此后PAC陸續在大連香爐礁港區新建造船塢、大連大船海工鉆井平臺和大連星海灣跨海大橋主橋中應用[8]。20世紀50年代后，國內開始在一些修補加固工程中采用預填集料施工工藝，例如舟山市的惠生出運碼頭、青島港第一碼頭的加固工程和葫蘆島防波堤的修補工程均采用了預填集料混凝土施工工藝。

2 PAC施工工藝

預填集料混凝土的灌漿方法主要有重力灌漿和泵送灌漿兩種，其中重力灌漿是直接在粗集料的上表面澆筑水泥砂漿，依靠砂漿自重填滿粗集料的空隙。Kunal等[9]在研究重力灌注時提出，對于粗集料的尺寸通常要求達20 mm以上，重力法方可實現良好的灌漿效果。為提升重力灌漿質量，有時會加上機械振動輔以成型。振動過程提高了粗集料的聯鎖率，砂漿也能更充分填充粗集料顆粒空隙，使混凝土更加均勻和密實。因此振動成型的混凝土強度有所提高。

泵送灌漿是通過泵送工藝形成預填集料混凝土，利用泵送壓力從下到上將水泥砂漿頂升填充粗集料空隙。常用的升漿方案有斜升和平升兩種(圖1、圖2)。采用斜升方案時，灌漿料始終保持一個傾斜角度向上升起，第一排孔首先升漿，當漿體灌注淹沒到第二排壓漿管一定埋深時，再開始下一排孔升漿，依次類推，保證隔斷中的水和氣體充分排出，基床升漿飽滿[7]。斜升方案中，不同升漿管不能同時進行升漿，施工過程較復雜，灌注時間長且對施工人員技術要求高。而平升方案中，所有壓漿管一起壓漿，漿面保持水平，其施工速度快且灌注密實度高。因此，在滿足要求的情況下，盡可能選擇平升工藝。不管是斜升還是平升方案，都要設置水下止漿隔板[7]。分段預填粗集料后泵送灌漿料，每個隔斷單元的大小應結合工程規模和泵送能力設置。采用分段泵送，減少了單次升漿量，可以最大程度保障升漿連續性和灌注密實性。施工過程中，通過預留的觀測孔或水下監測器來監測灌注是否密實。灌漿完成后，可通過現場鉆芯取樣觀察漿料是否填充密實。若存在不密實的部分，必須采取二次灌漿。此外也可利用分段累計灌漿量與設計漿量的差別，合理地推斷骨料壓漿的密實度[7]。

3 灌漿料對PAC的影響

3.1 灌漿料流動性

灌漿料作為預填骨料混凝土的重要組分，決定著硬化后混凝土的密實性、均質性和力學性能。評價灌漿料性能的重要指標之一是漿液的流動性。李廣森等[10]指出，為保證灌漿材料順利注入PAC粗集料空隙，其流動度一般控制在(18±2)s。采用流動性較好的灌漿料灌注得到的PAC，其密實性和普通混凝土差別不大；而當流動性不足時，漿液難以滲透集料顆粒之間的空隙，導致混凝土內形成蜂窩狀結構，甚至包含無灌漿區，從而形成潛在的薄弱區域，而且在泵送過程中很容易堵塞升漿管[3]。

3.2 灌漿料水灰比與灰砂比

灌漿料力學性能對PAC強度影響顯著，而水灰比、灰砂比是影響灌漿料力學性能的主要因素。與常規混凝土一樣，水灰比越高，產生的預填集料混凝土抗壓強度越低。研究表明[5,8,11]，水灰比從0.45增加到0.6，PAC抗壓強度最大降低幅度達30%。分析認為，隨水灰比增大，其用水量增加而導致混凝土內部分層加劇，在粗集料下方會形成大氣泡，水化產物結晶體受到的約束較小，不斷生長造成界面過渡區孔隙增多，進而使得PAC強度降低；而膠砂比降低，會加劇漿體的收縮，導致混凝土內部的初始應力和裂隙增多，粗集料與砂漿介質界面粘結力減低，使得混凝土在承受荷載時，粗集料更易發生位移或是偏轉，導致砂漿和粗集料之間的界面全面受拉，造成PAC強度降低。

4 粗集料對PAC的影響

4.1 粗集料含量

PAC中粗集料體積分數超過67%，采用振動成型的混凝土粗集料聯鎖率達34%。高體積含量、相互嵌鎖的粗集料構成混凝土的支撐骨架，能提升力學性能，其收縮率可降至常規混凝土一半左右。而且粗集料是不透水單元，介質的擴散需要繞過集料才得以傳輸。摻有粉煤灰時預填集料混凝土氯離子滲透系數在100×10-14～500×10-14m2/s之間，明顯低于普通混凝土[6]。此外，在PAC的灌注形成過程中，干燥狀態的粗集料能吸收漿料中的水分，降低粘結界面處的水灰比，從而改善界面過渡區密實度，減小內部微缺陷，提高耐久性。總之，隨著粗集料含量的增加，其有效地抵抗了混凝土內部裂縫的擴展，阻隔離子傳輸，PAC強度、彈性模量也隨之增加[12]，斷裂能、體積穩定性和耐久性等都有不同程度的改善。

4.2 粗集料粒型

Cheng等[13]通過數值模擬研究發現，在PAC處于受壓狀態時粗集料單元產生的應力最大，但較大應變則位于砂漿與粗集料接觸界面處，因此PAC受壓破壞時粗集料顆粒會發生斷裂，且漿體與集料界面會脫粘。主要是因為碎石上有較多棱角，粗集料是點對點硬接觸，在傳力時發生應力集中，從而導致部分粗集料斷裂。可見，粗集料顆粒形狀對預填集料混凝土破壞有較大影響。Stempkowska等[14]研究還發現，粗集料顆粒的排列和形狀對硬化預填混凝土的性能有顯著影響。在相同水灰比條件下，由100%規則顆粒成型的混凝土強度較非規則顆粒成型混凝土強度約提高10%。Hakim[15]對比了圓形、碎石以及混合集料的差異，認為碎石或者混合集料在集料顆粒間產生的接觸點更多，機械咬合作用與骨料互鎖性強于純圓形集料，制備的PAC強度可提高12 MPa左右。因此，粗骨料的顆粒形貌與類型會影響灌漿料的粘結度和PAC性能。

4.3 粗集料粒徑與級配

康松濤[3]在PAC施工過程中發現，粗集料的最小粒徑影響漿液在粗骨料中的流速與灌注密實度。粒徑過小則灌漿料填充慢、填充密實性差甚至出現局部空洞。宋承哲[16]進行了31.5～37.5 mm、37.5～53 mm、31.5～63 mm三種粒級粗集料對預填集料混凝土性能的影響試驗，提出不同粒級骨料達到90%灌入密實度時所需的最小砂漿流動度要求，同時指出粒級組成和砂漿強度同時影響著預填集料混凝土強度，空隙率小、堆積緊密的混凝土強度高。因此，合理的級配與空隙率影響著砂漿的填充度和密實度，在滿足經濟和其他施工條件的情況下，空隙率應盡可能小。

5 存在問題與發展展望

總體來看，目前PAC的研究已取得較多成果，但還存在以下幾方面問題，需進一步研究：

1)灌漿料強度低、體積穩定性差，導致PAC強度較低。PAC的粗集料之間是呈拱架式接觸，由于拱架間砂漿的強度與模量低于周圍粗骨料的強度與模量，致使在軸向壓力作用下，砂漿與骨料粘結面處于受拉狀態；此外PAC中粗集料相互嵌鎖，當漿體收縮時，粗骨料變形小，也導致粗骨料與漿體界面產生較大的拉應力，影響PAC強度。因此，需研究高強低收縮灌漿料設計與制備方法，提升灌漿料強度與體積穩定性，改善集料與漿體界面過渡區力學性能，提高PAC強度。

2)缺乏漿體性能與粗集料組成特性之間的關聯性研究。不同粗集料組成的PAC，其空隙率與空隙分布不同，對灌漿料的流動性、體積變形性能要求不同，需要系統研究不同級配組成粗集料對漿體性能指標的要求，建立漿體流動度與粗集料空隙率之間的合理匹配關系，提升灌注密實度與界面粘結狀況。

3)密實灌注工藝與灌注質量檢查方法需系統研究。PAC的灌漿過程是一個隱蔽工程，粗集料顆粒間隙可能存在局部漿體不飽滿的現象，從而形成局部蜂窩、空洞的預填集料混凝土，影響灌注質量。常用的泵壓灌漿，其一次灌漿范圍、進漿管與排漿管的設計與布置、排漿的數量等對灌注密實度的影響還需深入研究和探討，以提升灌注密實度。同時，可以引入超聲波無損檢測法，將無損檢測與鉆芯取樣相結合，評估灌漿料的填充效果。