预应力管道压浆剂的试验研究
杨静静
杨静静
福建省建筑科学研究院有限责任公司,福建省绿色建筑技术重点实验室
摘要 ：通过研究不同掺量的减水剂、纤维素醚和塑性膨胀剂配制管道压浆剂，对比压浆料的初始流动度和经时的流动度、自由泌水率和自由膨胀率，发现用萘系减水剂配制压浆剂的掺量宜为10%，用聚羧酸减水剂配制压浆剂的掺量宜为3.5%；纤维素醚对压浆料的浆体稳定性至关重要，适宜掺量为1.0%~1.5%；塑性膨胀剂可以补偿压浆料的硬化缩，并提供早期膨胀，但掺量不宜过大，其适宜掺量为2.5%。
关键词 管道压浆剂;压浆料;流动度;自由泌水率;自由膨胀率
引言
管道压浆剂是由掺合料、膨胀剂、减水剂及各种功能材料等经干拌而成的混合剂，在施工现场与一定比例的水泥和水通过高速搅拌均匀混合后，形成性能稳定的压浆料，用于后张法预应力管道的填充。压浆料具有以下特点：流动性好，强度高，不泌水，不分层，耐久性好，对钢筋无锈蚀，饱满早强，微膨胀，高充盈性，可一次性压浆施工。
管道压浆剂是压浆料中的功能性原材料，主要组成又可以分为四个部分：基材(掺合料、膨胀剂)，减水剂、保水材料和塑性膨胀剂。本文主要研究减水、保水和塑性膨胀三个功能组分对管道压浆剂性能的影响。
1 原材料及试验方法
1.1 原材料
(1)水泥：海螺P·O 42.5 水泥。
(2)粉煤灰：福建三友兄弟非金属有限公司生产，I级粉煤灰，需水量比92%，烧失量2.0%。
(3)减水剂：天津雍阳减水剂厂生产，UNF，粉末高浓萘系减水剂；苏州兴邦化学建材有限公司生产，PC-1030，粉末聚羧酸类减水剂。
(4)纤维素醚：广东龙湖科技股份有限公司生产， MT400PFV，低粘度羟丙基甲基纤维素醚。
(5)塑性膨胀剂：山东鸿鹄新材料技术有限公司生产，Bs，塑性膨胀剂。
(6)膨胀剂：莆田闽荔建材有限公司生产，AEA，钙矾石膨胀剂。
(7)拌合用水：自来水。
1.2试验方法
依据TB/T3192--2008《铁路后张法预应力混凝土孔道压浆技术条件》和JTG/T F50--2011（公路桥涵施工技术规范）进行管道压浆剂的性能测试。TB/T3192-2008和JTG/T F50--2011对压浆剂的主要性能要求如表2所示。
表2 TB/T 3192-2008和JTG/T F50-2011中压浆剂的主要性能要求
标准 | 水胶比 | 流动度 /s | 自由泌水率/% | 自由膨胀率/% | ||||
初始 | 30min | 60min | 3h | 24h | 3h | 24h | ||
TB/T3192-2008 | ≤0.33 | 18±4 | ≤30 | -- | ≤0.1 | 0 | -- | 0-- |
JTG/T F50-2011 | 0.26-0.28 | 10--17 | 10--20 | 10--25 | 0 | 0 | 0--2 | 0- |
测试管道压浆剂主要性能所用的压浆料配合比如下所示，压浆剂掺量为内掺10%(占水泥与压浆剂总质量分比)。水胶比为0.33和0.28的压浆料主要性能分别
TB/T 3192-2008和JTG/T F50-2011进行检验。
表3 压浆料配合比
标准 | 水泥/g | 压浆剂/g | 用水量/g | 水胶比 |
TB/T 3192-2008 | 2700 | 300 | 990 | 0.33 |
JTG/T F50-2011 | 2700 | 300 | 840 | 0.28 |
2.1减水剂对压浆剂性能的影响
减水剂品种(萘系与聚羧酸)及掺量(占压浆剂质量分比)对压浆剂的流动度、自由泌水率和自由膨胀率等性能的影响如表4和表5所示。
表4 萘系减水剂掺量对压浆剂的主要性能的影响
水胶比 | 减水剂掺量/%- | 流动度/s | 自由泌水率 /% | 自由膨胀率/% | ||||
初始 | 30min | 60min | 3h | 24h | 3h | 24h | ||
0.33 | 8 | 24.3 | 30.5 | - | 0 | 0 | - | 1.8 |
10 | 17.8 | 21.6 | - | 0 | 0 | - | 1.9 | |
11 | 19.5 | 25.7 | - | 0 | 0 | - | 1.8 | |
12 | 22.6 | 32.7 | - | 0.4 | 0.9 | - | -0.5 | |
0.28 | 10 | 25.6 | 27.5 | 32.8 | 0 | 0 | 0.3 | 0.8 |
12 | 27.8 | 31.8 | 38.7 | 0.3 | 0.7 | 0 | -0.3 | |
14 | 34.2 | 39.7 | 48.2 | 0.9 | 1.6 | -0.5 | -1.1 |
表5 聚羧酸减水剂掺量对压浆剂的主要性能的影响
水胶比 | 减水剂掺量/%- | 流动度/s | 自由泌水率 /% | 自由膨胀率/% | ||||
初始 | 30min | 60min | 3h | 24h | 3h | 24h | ||
0.28 | 2.5 | 17.6 | 23.5 | 33.5 | 0 | 0 | 0.3 | 1.8 |
3.0 | 15.9 | 21.3 | 25.4 | 0 | 0 | 0.4 | 1.9 | |
3.5 | 14.3 | 17.4 | 18.6 | 0 | 0 | 0.3 | 1.8 | |
4.0 | 15.2 | 20.2 | 24.1 | 0 | 0 | 0.3 | 1.9 | |
4.5 | 16.1 | 22.6 | 33.2 | 0.5 | 1.1 | 0 | -0.6 |
从表4和表5可以看出，随着减水剂掺量的增加，压浆剂的初始流动度和经时流动度呈现先减小后增大的趋势。 这是因为无论是萘系减水剂还是聚羧酸减水剂，对水泥颗粒分散作用都有一个适宜掺量，掺量太少无法完全分散水泥颗粒导致流动度不足；而掺量过大导致超掺，使浆体稳定性下降，水泥颗粒下沉，浆体甚至出现抓底现象，导致流动度的增大，自由泌水率的增加和浆体硬化后的收缩。
萘系减水剂掺量在10%左右时，压浆剂的性能可以满足TB/T3192-2008的要求，但继续增加掺量也无法达到ITG/TF50-2011的要求。而聚羧酸粉末减水剂由于具有更高的减水率，在掺量达到3.5%左右时，浆体流动性和稳定性良好，无泌水，微膨胀，可以满足TB/T3192-2008和JTG/TF50-2011 的要求。
因此，在下文研究纤维素醚和塑性膨胀剂对压浆剂性能影响的试验研究中，采用萘系减水剂作为减水功能组分时，参照TB/T3192-2008，使用0.33水胶比，萘系减水剂掺量选用内掺10%；采用聚羧酸粉末减水剂作为减水功能组分时，参照JTG/TF50-2011，使用0.28水胶比，聚羧酸粉末减水剂掺量选用内掺3.5%。
2.2纤维素醚对压浆剂性能的影响
纤维素醚作为压浆剂中的保水功能组分，对浆体的稳定性起到至关重要的作用。表6和表7分别为纤维素醚掺量对萘系减水剂和聚羧酸减水剂配制压浆剂的性能影响。
表6 纤维素醚掺量对萘系减水剂配制压浆剂的主要性能的影响
水胶比 | 纤维素醚掺量/% | 流动度/s | 自由泌水率 /% | 自由膨胀率/% | ||||
初始 | 30min | 60min | 3h | 24h | 3h | 24h | ||
0.33 | 0 | 16.9 | 21.5 | - | 1.6 | 2.8 | - | -1.1 |
0.5 | 17.3 | 22.9 | - | 0.6 | 1.1 | - | -0.5 | |
1.0 | 17.8 | 23.6 | - | 0 | 0 | - | 1.9 | |
1.5 | 19.5 | 24.7 | - | 0 | 0 | - | 1.8 | |
2.0 | 21.6 | 32.7 | - | 0 | 0 | - | 1.8 |
表7 纤维素醚掺量对聚羧酸减水剂配制压浆剂的主要性能的影响
水胶比 | 纤维素醚掺量/% | 流动度/s | 自由泌水率 /% | 自由膨胀率/% | ||||
初始 | 30min | 60min | 3h | 24h | 3h | 24h | ||
0.28 | 0 | 14.6 | 16.5 | 21.5 | 1.8 | 2.9 | -0.8 | -1.3 |
0.5 | 14.3 | 16.7 | 19.3 | 0.5 | 1.2 | 0 | -0.8 | |
1.0 | 14.3 | 17.4 | 18.6 | 0 | 0 | 0.3 | 1.8 | |
1.5 | 15.5 | 18.6 | 20.1 | 0 | 0 | 0.3 | 1.9 | |
2.0 | 18.1 | 22.6 | 28.2 | 0 | 0 | 0.4 | 1.8 |
从表6和表7可以看出，羟丙基甲基纤维素醚的掺量小于2.0%时，对浆体的初始流动度和经时流动度影响不大；当掺量大等于2.0%时，浆体的经时流动度损失较大。当纤维素醚掺量小等于0.5%时，无论萘系减水剂还是聚羧酸减水剂配制的压浆剂，拌制的浆体都出现不同程度的泌水现象，进而导致硬化后的浆体出现收缩。当纤维素醚掺量在1.0%o~1.5%时，浆体的稳定性良好，可以满足标准规范的要求。
这是由于纤维素醚的高分子链在水中易与水结合形成氢键，氢键使其有很高的水合作用及分子间的缠绕，从而起到稳定浆体的作用。当掺量过高时，浆体的体系粘度会增加，影响浆体的流动性。
2.3 塑性膨胀剂对压浆剂性能的影响
塑性膨胀剂作为快速膨胀源，随着浆体中水泥的水化，塑性膨胀剂可以在浆体终凝前提供不断的膨胀支撑，补充浆体硬化带来的收缩，满足 3h和24h自由膨胀率的要求，使得管道压浆的一次压满。
从表8和表9可以看出，塑性膨胀剂对浆体的流动度、自由泌水率基本没有影响，但对3h和24h自由膨胀率影响较大，随着塑性膨胀剂掺量的增加，浆体由收缩到膨胀并不断增大。管道压浆的要求仅需微膨胀即可，因此控制塑性膨胀剂掺量在2.5%o左右时，可以满足标准要求。
表8 塑性膨胀剂掺量对萘系减水剂配制压浆剂的主要性能的影响
水胶比 | 塑性膨胀剂掺量/% | 流动度/s | 自由泌水率 /% | 自由膨胀率/% | ||||
初始 | 30min | 60min | 3h | 24h | 3h | 24h | ||
0.33 | 0 | 17.6 | 23.5 | - | 0 | 0 | - | -1.0 |
1.25 | 18.0 | 22.9 | - | 0 | 0 | - | 0.5 | |
2.50 | 17.8 | 23.6 | - | 0 | 0 | - | 1.9 | |
3.75 | 17.7 | 23.7 | - | 0 | 0 | - | 2.8 | |
5.0 | 18.1 | 24.3 | - | 0 | 0 | - | 3.2 |
表9 塑性膨胀剂掺量对聚羧酸减水剂配制压浆剂的主要性能的影响
水胶比 | 塑性膨胀剂掺量/% | 流动度/s | 自由泌水率 /% | 自由膨胀率/% | ||||
初始 | 30min | 60min | 3h | 24h | 3h | 24h | ||
0.28 | 0 | 14.6 | 17.5 | 18.5 | 0 | 0 | -0.8 | -1.5 |
1.25 | 14.3 | 17.7 | 19.3 | 0 | 0 | 0 | 0.3 | |
2.50 | 14.3 | 17.4 | 18.6 | 0 | 0 | 0.3 | 1.8 | |
3.75 | 15.0 | 17.6 | 19.1 | 0 | 0 | 1.1 | 2.6 | |
5.0 | 14.8 | 17.5 | 18.8 | 0 | 0 | 1.8 | 3.3 |
3 结论
管道压浆剂中的减水、保水和塑性膨胀三个功能组分分别对应影响浆体的流动度、自由泌水率和自由膨胀率三个重要指标。
(1)萘系减水剂掺量在10%左右时，压浆剂的性能可以满足TB/T3192-2008的要求，但继续增加掺量，其流动度也无法达到JTG/TF50-2011的要求。而聚羧酸粉末减水剂由于具有更高的减水率，在掺量达到3.5%左右时，浆体流动性良好，可以满足TB/T 3192-2008和JTG/TF50-2011的用要求。
(2）羟丙基甲基纤维素醚具有良好的保水效果，掺量在1.0%e-1.5%e时，浆体的稳定性良好，无泌水，其指标可以满足标准规范的要求。
（3）塑性膨胀剂作为早期膨胀源，可以补偿浆体硬化以来的收缩，但其掺量不宜过大，在2.5%o左右时较为适宜。
参考文献
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