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摘要：本文依托南宁外环高速公路中心试验室，根据对沿线的1座特大桥（邕江特大桥）、11座大桥、9座中小桥的孔道压浆以及试验室条件下的压浆试验，分析了不同的转速对压浆液的流动度、泌水率、膨胀率、3d抗折抗压、28d抗折抗壓强度等一系列性能的影响。
Abstract: Based on the duct grouting and lab grouting experiments carried out by nanning outer ring highway center labs under both on the bridge along the way (1 super large bridge, 11 large bridge, 9 middle and small sized bridge) and in lab conditions, the article analyzes the different rotating speed’s series of influences on pressure slury’s rotating speed, bleeding, expansion, 3d flexural compressive, 28d flexural compressive strength.
关键词：转速；流动度；泌水率；膨胀率；抗折抗压强度
Key Words: rotational speed, flow degree, bleeding, expansion ratio, flexural compressive strength
中图分类号：TU757文献标示码：A 文章编号
南宁外环高速公路项目是《国家高速公路网规划》广州至昆明高速公路的重要路段，是广西壮族自治区交通建设的重大项目之一，该项目将为南宁市及周边区域经济的发展起到重要的带动作用。 南宁外环高速公路有特大桥1座，大桥11座，隧道1座，全线设安吉、高峰、五塘、那容、邕宁东、新江、那马北、玉洞西等8处互通立交，设东山、邕宁2处服务区。
我国于上世纪80年代中期至90年代中期兴建的一批预应力混凝土桥梁，由于预应力孔道压浆的问题导致工程质量问题比较突出。通过对梁体孔道部位进行破损检查，发现大多数预应力梁的孔道内存在孔隙、空洞甚至有积水，孔道压浆不密实引起的预应力钢筋锈蚀现象严重。2011年8月1日新的《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）在全国范围内推广施行。新的桥涵规范里对预应力孔道压浆部分进行了很大程度的修改，因为后张预应力孔道压浆的质量直接关系到预应力混凝土结构的耐久性和安全性，孔道压浆浆液质量的偏低、压浆的不饱满已成为预应力混凝土的主要病害。因此，新桥规提高了后张预应力孔道压浆的材料性能和设备要求、技术工艺要求和质量标准。
1.原材料的选取
1.1 水泥
水泥选用华润水泥（南宁）有限公司的普通硅酸盐水泥P.O42.5级，具体的试验数据见下表1。
表1试验用水泥各项数据统计
经检验符合GB175-2007标准要求
1.2 压浆剂
压浆剂选用湖北中桥科技有限公司的CHIDGE系列高性能管道灌浆材料，选取0.27的水胶比、1400r/min的转速来进行各项指标统计，具体数据如下表2。
表2试验用压浆剂各项性能指标
试验所用的水为南宁外环中心试验室自来水，具体水质情况如下表3。
表3 试验用水各项数据指标
2.试验过程及数据分析
由于孔道压浆直接关系着桥梁结构的耐久性和安全性，而我国传统意义上的预应力孔道压浆的浆液绝大多数为纯水泥浆，仅在施工时加入一定量的减水剂、膨胀剂及增稠剂进行现场配制，由于各种因素的影响使得浆液的质量无法得到保证，通常表现的：（1）浆液流动性差，流动度损失的快。（2）浆液泌水率大，分层离析。（3）浆体硬化后不密实、有空隙。因此，新桥规对压浆材料的品质和性能做了更进一步的要求。其中，JTG/T F50-2011中对用于孔道压浆的搅拌机转速做了明确的规定：搅拌机转速应不低于1000r/min，叶片线速度宜在10m/s-20m/s的范围内，且能满足在规定的时间内搅拌均匀的要求。到底用于搅拌压浆液搅拌机的转速对浆液的流动度、泌水率、膨胀率、3d抗折抗压、28d抗折抗压强度等一系列性能具体有什么影响、是如何影响的，文章从就以上几个方面的问题进行详细阐述。
2.1 转速对流动度的影响
选取水泥：压浆剂：水=2400:600:810的配比（即水胶比为0.27）来进行试验（试验室温度20℃，湿度86%）。试验所选流动度测试仪为标准流动度测试仪，用1725mL水来标定时水流出的时间为8.17s，在要求的8.0±0.2范围内。每次试验时量取的浆液体积都为1725Ml。对应不同转速下的初始流动度如下表4
表4 不同转速对应的初始流动度
表5 不同转速对应的30min后的流动度
表6不同转速对应的初始流动度
其数学模型如下图3
图3 不同转速下对应静置1h的流动度
从上面的模型中可以直观的看出，用于预应力孔道压浆的搅拌机的转速对浆液流动度具有本质性的影响。可以看出当搅拌速度从0r/min增加到2000r/min的过程中，浆液的流动度急剧的变化；而在3000r/min以后，浆液的流动度变化很小。这主要是以为：（1）宏观上搅拌机转速越高，浆液搅拌的越均匀，各种成分之间的混合越充分，能最大程度的发挥配合比的作用。（2）微观上在一定的范围内，随着转速的提高浆体的流动性逐渐加强，浆液随着搅拌机一起转动，由于机械原因使得浆体发热，浆液温度上升使得水泥的水化速度加快、浆体（水泥、压浆剂、水）各成分之间的化学反应速度加快，形成具有一定程度的综合性能的液体。（3）随搅拌机的高速旋转，搅拌机叶轮对浆体进行高速剪切，破坏了原浆液各成分的结构，使得粒子间的作用力变小，流动性相应的增大。（4）当搅拌机的速度达到一定程度后（3000r/min），各成分之间混合均匀程度、短时间内的化学反应程度、粒子间的作用力程度基本达到极限状况，所以转速再提高浆液的流动度也不会有大的变化。
2.2 转速对泌水率和自由膨胀率的影响
水泥的抗泌水性对于后张法预应力混凝土结构来说是很重要的。由于普通的混凝土浇筑后一般是没有密封的，所以泌出的水能够蒸发掉，对结构物的影响不是很大。但是用于预应力孔道压浆的压浆液泌出的水由于孔道是封闭的而不能蒸发掉，这样就会在孔道的最高点形成泌水透镜，这些水慢慢随着压浆液强度形成而被吸收掉，于是在孔道中便留下了空隙。并且在孔道压浆的过程中，预应力筋之间的缝隙是很难被浆液填充的，又由于水泥浆浆液完全水化后体积减缩量非常大，导致硬化后的浆体内部产生较大的收缩应力，一旦应力大于抗拉强度，则会产生收缩裂缝，加速预应力筋锈蚀。如果预应力筋在塑性阶段存在膨胀，则其在应力的作用下更容易进入钢丝间，保证浆液可以完全充填整个孔道，从而实现对预应力筋的更有效保护。压浆浆液在硬化后的适度膨胀可以抵消水泥后期自身收缩产生的收缩应力，而不至于产生收缩裂缝。因此规范中规定浆液的24h膨胀率为0-3%。
在试验室温度20℃，湿度86%的条件下，选取水胶比0.27的配合比水泥：压浆剂：水=2400:600:810，根据上面的上面流动度的不同转速用标准的浆液泌水率和膨胀率试验容器进行试验。然后根据公式：泌水率=(a1-a2)/a1,膨胀率=(a3-a1)/a1来计算浆液的泌水率和膨胀率，得数据如下：
表7 不同转速对应的3h泌水率
表8 不同转速对应的3h膨胀率
表9 不同转速对应的24h膨胀率
图6 不同转速下的3h和24h膨胀率对比
从上面的分析可以得出：（1）用于预应力孔道压浆搅拌机的转速对浆液3h的泌水率有较为显著的影响，在一定的范围（2000r/min）内,转速越低、泌水越厉害，转速达到2000r/min后基本不泌水。而在24h内泌出的水都能被吸收掉，所以搅拌速度对24h的泌水基本没有影响。这主要是因为在一定的范围（2000r/min）内随着转速的提高，除了使浆液各成分越发的混合均匀外，它们之间的化学反应也随着转速而加快速度，这就使得浆液里面的一些外掺料如粉煤灰、硅灰等较快的发挥了作用，增加了其抗泌水性。当转速达到一定程度后，各成分在短时间内的结合与化学反应已经达到了极限程度，所以从柱状图4中可以看出之后的泌水都一样。24h泌水率都为0，说明之前虽然转速慢的泌水多但到一定的时间后浆液里的亲水成份都充分的發生了化学反应，将水全部吸收完了。（2）3h的膨胀情况和3h的泌水情况基本相同，说明在一定的转速范围内转速对浆液性能有很大影响。但从上图6的曲线图中可以看出膨胀的情况在3h时和24h变化不大，这就表明转速对浆液膨胀的情况自始至终都有很大的影响，只有转速达到一定程度后才能保证浆液充分的发挥其膨胀性能，才能确保施工质量，这也是为什么JTG/T F50-2011明确规定为什么用于预应力孔道压浆的搅拌机转速不低于1000r/min的原因。
2.3 转速对抗折抗压强度的影响
转速对抗折抗压强度的影响主要也是基于浆液各成分之间的混合均匀程度和化学反应程度来进行考虑的。对应前面试验制作40mm×40mm×160mm的试件，得结果如下表10
表10 不同转速对应的抗折抗压强度
图7 不同转速下的3d、7d、28d抗折强度图8 不同转速下的3d、7d、28d抗压强度
从以上的结果可以看出，随着搅拌机搅拌速度的提升试件的3d、7d、28d抗折强度和抗压强度并没有显著的变化。
3.结论
1.在一定的温度、湿度条件下，用于预应力孔道压浆的搅拌机转速对浆液的流动度具有显著的影响。具体表现在：当搅拌机的转速从0r/min增至2000r/min的过程中，浆液的流动度会有大幅度的变化，流动性显著随转速的提升而增强。当转速达到一定的程度（2000r/min）后，由于浆液各成分之间混合均匀程度、短时间内的化学反应程度、粒子间的作用力程度基本达到极限状况，转速再提高浆液的流动度不会再有较大的变化。
2. 在一定的温度、湿度条件下，用于预应力孔道压浆的搅拌机转速对压浆液3h的泌水率和3h的膨胀率有较大的影响。表现在：当转速在一定范围（0-2000r/min）内逐渐加快时，3h的泌水率逐渐减少，3h的膨胀率逐渐增加；转速达到一定程度时（2000 r/min）时，浆液不再泌水，膨胀状况在达到某一值后基本稳定，不会再随转速的提升而增大。转速对浆液24h的泌水没有影响，24h内水份都能被浆液吸收掉；对膨胀24h的影响和3h差不多，没有大的变化，说明转速对24h的膨胀有比较大的影响。
3. 在一定的温度、湿度条件下，用于预应力孔道压浆的搅拌机转速对浆液3d、7d、28d抗折强度和抗压强度无显著的影响。
参考文献
[1] 中华人民共和国交通部.公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）.北京：人民交通出版社，2011
[2] 徐向峰.孔道压浆性能试验及施工质量的研究.东南大学硕士学位论文.南京，2005
[3] 王智丰. 预应力管道压浆质量评估试验及应用研究. 中南林业科技大学硕士学位论文.长沙 ，2009
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
Abstract: Based on the duct grouting and lab grouting experiments carried out by nanning outer ring highway center labs under both on the bridge along the way (1 super large bridge, 11 large bridge, 9 middle and small sized bridge) and in lab conditions, the article analyzes the different rotating speed’s series of influences on pressure slury’s rotating speed, bleeding, expansion, 3d flexural compressive, 28d flexural compressive strength.
关键词：转速；流动度；泌水率；膨胀率；抗折抗压强度
Key Words: rotational speed, flow degree, bleeding, expansion ratio, flexural compressive strength
中图分类号：TU757文献标示码：A 文章编号
南宁外环高速公路项目是《国家高速公路网规划》广州至昆明高速公路的重要路段，是广西壮族自治区交通建设的重大项目之一，该项目将为南宁市及周边区域经济的发展起到重要的带动作用。 南宁外环高速公路有特大桥1座，大桥11座，隧道1座，全线设安吉、高峰、五塘、那容、邕宁东、新江、那马北、玉洞西等8处互通立交，设东山、邕宁2处服务区。
我国于上世纪80年代中期至90年代中期兴建的一批预应力混凝土桥梁，由于预应力孔道压浆的问题导致工程质量问题比较突出。通过对梁体孔道部位进行破损检查，发现大多数预应力梁的孔道内存在孔隙、空洞甚至有积水，孔道压浆不密实引起的预应力钢筋锈蚀现象严重。2011年8月1日新的《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T F50-2011）在全国范围内推广施行。新的桥涵规范里对预应力孔道压浆部分进行了很大程度的修改，因为后张预应力孔道压浆的质量直接关系到预应力混凝土结构的耐久性和安全性，孔道压浆浆液质量的偏低、压浆的不饱满已成为预应力混凝土的主要病害。因此，新桥规提高了后张预应力孔道压浆的材料性能和设备要求、技术工艺要求和质量标准。
1.原材料的选取
1.1 水泥
水泥选用华润水泥（南宁）有限公司的普通硅酸盐水泥P.O42.5级，具体的试验数据见下表1。
表1试验用水泥各项数据统计
经检验符合GB175-2007标准要求
1.2 压浆剂
压浆剂选用湖北中桥科技有限公司的CHIDGE系列高性能管道灌浆材料，选取0.27的水胶比、1400r/min的转速来进行各项指标统计，具体数据如下表2。
表2试验用压浆剂各项性能指标
试验所用的水为南宁外环中心试验室自来水，具体水质情况如下表3。
表3 试验用水各项数据指标
2.试验过程及数据分析
由于孔道压浆直接关系着桥梁结构的耐久性和安全性，而我国传统意义上的预应力孔道压浆的浆液绝大多数为纯水泥浆，仅在施工时加入一定量的减水剂、膨胀剂及增稠剂进行现场配制，由于各种因素的影响使得浆液的质量无法得到保证，通常表现的：（1）浆液流动性差，流动度损失的快。（2）浆液泌水率大，分层离析。（3）浆体硬化后不密实、有空隙。因此，新桥规对压浆材料的品质和性能做了更进一步的要求。其中，JTG/T F50-2011中对用于孔道压浆的搅拌机转速做了明确的规定：搅拌机转速应不低于1000r/min，叶片线速度宜在10m/s-20m/s的范围内，且能满足在规定的时间内搅拌均匀的要求。到底用于搅拌压浆液搅拌机的转速对浆液的流动度、泌水率、膨胀率、3d抗折抗压、28d抗折抗压强度等一系列性能具体有什么影响、是如何影响的，文章从就以上几个方面的问题进行详细阐述。
2.1 转速对流动度的影响
选取水泥：压浆剂：水=2400:600:810的配比（即水胶比为0.27）来进行试验（试验室温度20℃，湿度86%）。试验所选流动度测试仪为标准流动度测试仪，用1725mL水来标定时水流出的时间为8.17s，在要求的8.0±0.2范围内。每次试验时量取的浆液体积都为1725Ml。对应不同转速下的初始流动度如下表4
表4 不同转速对应的初始流动度
表5 不同转速对应的30min后的流动度
表6不同转速对应的初始流动度
其数学模型如下图3
图3 不同转速下对应静置1h的流动度
从上面的模型中可以直观的看出，用于预应力孔道压浆的搅拌机的转速对浆液流动度具有本质性的影响。可以看出当搅拌速度从0r/min增加到2000r/min的过程中，浆液的流动度急剧的变化；而在3000r/min以后，浆液的流动度变化很小。这主要是以为：（1）宏观上搅拌机转速越高，浆液搅拌的越均匀，各种成分之间的混合越充分，能最大程度的发挥配合比的作用。（2）微观上在一定的范围内，随着转速的提高浆体的流动性逐渐加强，浆液随着搅拌机一起转动，由于机械原因使得浆体发热，浆液温度上升使得水泥的水化速度加快、浆体（水泥、压浆剂、水）各成分之间的化学反应速度加快，形成具有一定程度的综合性能的液体。（3）随搅拌机的高速旋转，搅拌机叶轮对浆体进行高速剪切，破坏了原浆液各成分的结构，使得粒子间的作用力变小，流动性相应的增大。（4）当搅拌机的速度达到一定程度后（3000r/min），各成分之间混合均匀程度、短时间内的化学反应程度、粒子间的作用力程度基本达到极限状况，所以转速再提高浆液的流动度也不会有大的变化。
2.2 转速对泌水率和自由膨胀率的影响
水泥的抗泌水性对于后张法预应力混凝土结构来说是很重要的。由于普通的混凝土浇筑后一般是没有密封的，所以泌出的水能够蒸发掉，对结构物的影响不是很大。但是用于预应力孔道压浆的压浆液泌出的水由于孔道是封闭的而不能蒸发掉，这样就会在孔道的最高点形成泌水透镜，这些水慢慢随着压浆液强度形成而被吸收掉，于是在孔道中便留下了空隙。并且在孔道压浆的过程中，预应力筋之间的缝隙是很难被浆液填充的，又由于水泥浆浆液完全水化后体积减缩量非常大，导致硬化后的浆体内部产生较大的收缩应力，一旦应力大于抗拉强度，则会产生收缩裂缝，加速预应力筋锈蚀。如果预应力筋在塑性阶段存在膨胀，则其在应力的作用下更容易进入钢丝间，保证浆液可以完全充填整个孔道，从而实现对预应力筋的更有效保护。压浆浆液在硬化后的适度膨胀可以抵消水泥后期自身收缩产生的收缩应力，而不至于产生收缩裂缝。因此规范中规定浆液的24h膨胀率为0-3%。
在试验室温度20℃，湿度86%的条件下，选取水胶比0.27的配合比水泥：压浆剂：水=2400:600:810，根据上面的上面流动度的不同转速用标准的浆液泌水率和膨胀率试验容器进行试验。然后根据公式：泌水率=(a1-a2)/a1,膨胀率=(a3-a1)/a1来计算浆液的泌水率和膨胀率，得数据如下：
表7 不同转速对应的3h泌水率
表8 不同转速对应的3h膨胀率
表9 不同转速对应的24h膨胀率
图6 不同转速下的3h和24h膨胀率对比
从上面的分析可以得出：（1）用于预应力孔道压浆搅拌机的转速对浆液3h的泌水率有较为显著的影响，在一定的范围（2000r/min）内,转速越低、泌水越厉害，转速达到2000r/min后基本不泌水。而在24h内泌出的水都能被吸收掉，所以搅拌速度对24h的泌水基本没有影响。这主要是因为在一定的范围（2000r/min）内随着转速的提高，除了使浆液各成分越发的混合均匀外，它们之间的化学反应也随着转速而加快速度，这就使得浆液里面的一些外掺料如粉煤灰、硅灰等较快的发挥了作用，增加了其抗泌水性。当转速达到一定程度后，各成分在短时间内的结合与化学反应已经达到了极限程度，所以从柱状图4中可以看出之后的泌水都一样。24h泌水率都为0，说明之前虽然转速慢的泌水多但到一定的时间后浆液里的亲水成份都充分的發生了化学反应，将水全部吸收完了。（2）3h的膨胀情况和3h的泌水情况基本相同，说明在一定的转速范围内转速对浆液性能有很大影响。但从上图6的曲线图中可以看出膨胀的情况在3h时和24h变化不大，这就表明转速对浆液膨胀的情况自始至终都有很大的影响，只有转速达到一定程度后才能保证浆液充分的发挥其膨胀性能，才能确保施工质量，这也是为什么JTG/T F50-2011明确规定为什么用于预应力孔道压浆的搅拌机转速不低于1000r/min的原因。
2.3 转速对抗折抗压强度的影响
转速对抗折抗压强度的影响主要也是基于浆液各成分之间的混合均匀程度和化学反应程度来进行考虑的。对应前面试验制作40mm×40mm×160mm的试件，得结果如下表10
表10 不同转速对应的抗折抗压强度
图7 不同转速下的3d、7d、28d抗折强度图8 不同转速下的3d、7d、28d抗压强度
从以上的结果可以看出，随着搅拌机搅拌速度的提升试件的3d、7d、28d抗折强度和抗压强度并没有显著的变化。
3.结论
1.在一定的温度、湿度条件下，用于预应力孔道压浆的搅拌机转速对浆液的流动度具有显著的影响。具体表现在：当搅拌机的转速从0r/min增至2000r/min的过程中，浆液的流动度会有大幅度的变化，流动性显著随转速的提升而增强。当转速达到一定的程度（2000r/min）后，由于浆液各成分之间混合均匀程度、短时间内的化学反应程度、粒子间的作用力程度基本达到极限状况，转速再提高浆液的流动度不会再有较大的变化。
2. 在一定的温度、湿度条件下，用于预应力孔道压浆的搅拌机转速对压浆液3h的泌水率和3h的膨胀率有较大的影响。表现在：当转速在一定范围（0-2000r/min）内逐渐加快时，3h的泌水率逐渐减少，3h的膨胀率逐渐增加；转速达到一定程度时（2000 r/min）时，浆液不再泌水，膨胀状况在达到某一值后基本稳定，不会再随转速的提升而增大。转速对浆液24h的泌水没有影响，24h内水份都能被浆液吸收掉；对膨胀24h的影响和3h差不多，没有大的变化，说明转速对24h的膨胀有比较大的影响。
3. 在一定的温度、湿度条件下，用于预应力孔道压浆的搅拌机转速对浆液3d、7d、28d抗折强度和抗压强度无显著的影响。
参考文献
[1] 中华人民共和国交通部.公路桥涵施工技术规范（JTG/T F50-2011）.北京：人民交通出版社，2011
[2] 徐向峰.孔道压浆性能试验及施工质量的研究.东南大学硕士学位论文.南京，2005
[3] 王智丰. 预应力管道压浆质量评估试验及应用研究. 中南林业科技大学硕士学位论文.长沙 ，2009
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。