防冻型支座灌浆材料的研究

杨富民，张 勇，李学斌

(中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所，北京 100081)

支座灌浆材料以其高流动性、快硬、早强、高强而广泛应用于铁路桥梁架设支座安装施工中，显著地提高了铁路桥梁的平顺性和架设效率，而支座灌浆材料抗压强度在较短的时间内达到20 MPa是保证施工效率的重要技术指标。支座灌浆材料的早期强度受温度影响显著，而且，在实际施工过程中还会遇到冬季施工，尤其在严寒地区，冬季进行铺架施工，对桥梁支座和支承垫石间仅有20～30 mm的间隙进行灌浆施工，现场环境温度处于负温，灌注的浆体会在很短时间内将热量传导到支座和周边垫石混凝土中，浆体水化热温度很难保证浆体硬化后达到适宜的早期强度，将降低桥梁的铺架效率，尤为严重的是，还会出现浆体早期受冻，后期强度损失的病害，从而为工程带来质量隐患。

在现行铁路标准中，支座灌浆材料施工的环境温度为5℃ ～35℃，对冬季桥梁铺架施工规定为:在没有可靠保温措施、灌浆材料低温性能未进行试验验证时，严禁在负温条件下进行注浆施工［1］。

专利CN101722573A公开了严寒地区箱梁架设支座灌浆蒸养箱及其养护方法，CN1944798A公开了一种桥梁支座灌浆低温施工方法，CN101545246B公开了一种支座灌浆材料冬季施工方法。于永广［2］介绍了哈大客专第二松花江特大桥支座灌浆材料冬季施工采取的一系列保温措施。上述措施主要是提高浆体入模温度，营造一个正温的小环境，使浇筑后的砂浆处于正温环境条件。

支座灌浆材料常采用硫铝酸盐水泥进行配制，硫铝酸盐水泥具有很多优异性能［3］，如快凝、快硬、水化液相碱度低、水泥石总孔隙率低等，但对温度敏感性比较高，随着温度降低其凝结时间延长，在负温环境条件下，甚至难以凝结而冻结。

在硫铝酸盐水泥用于低负温混凝土的研究中，王燕谋等［4］通过试验认为:掺加防冻剂的快硬硫铝酸盐水泥混凝土幼龄受冻后，转标养28 d和60 d的强度为不受冻标养28 d强度的108%和128%，李启棣等［5］通过大量试验认为;在硫铝酸盐水泥中掺加适当的防冻剂，可以配制在-20℃施工的混凝土。在建筑工程冬期施工规程(JGJ104—97)中规定了混凝土在负温(-5℃～-25℃)下施工可以掺加防冻剂的用量对比值。是否通过掺加防冻剂解决支座灌浆材料负温条件下施工的问题是急待解决的问题。本文通过试验探讨了-5℃和-10℃条件下浆体的性能，以期研制出防冻型支座灌浆材料。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

快硬硫铝酸盐水泥:具体性能见表1，山西省阳泉天隆工程材料有限公司生产。石英砂:0.63～1.25 mm，产地为河北承德。聚羧酸减水剂:北京凯斯美联合化工产品有限公司生产。防冻剂，无机复合型。

表1 快硬硫铝酸盐水泥性能

1.2 试验方法

1)灌浆材料样品制备。

灌浆材料配比为，快硬硫铝酸盐水泥∶石英砂∶聚羧酸减水剂∶水 =499∶500∶1∶0.15，防冻剂的掺入量为灌浆材料的1% ～4%。采用JJ-5型砂浆搅拌机，慢速搅拌1 min，快速搅拌2 min后，成型40 mm×40 mm×160 mm砂浆试件。

2)试验方法。

试模和干粉料在低温箱中放置24 h，干粉料加水搅拌完毕迅速倒入试模后放入低温箱中，浆体的入模温度通过调整水温进行改变，但水温不超过60℃。测定小时强度时，试件从低温箱取出即刻进行试验，1 d、7 d和28 d龄期试件，需在20℃环境条件下放置2 h，待充分解冻后，进行强度测试。

3)试验设备。

试验设备包括低温箱(最低温度为-40℃)，无线测温装置，胶砂搅拌机和压力试验机。

2 结果与讨论

2.1 未添加防冻剂支座灌浆材料在负温条件下的性能

图1 不同养护温度浆体的时间—温度曲线

在20℃，-5℃和-10℃环境温度下，测定砂浆试件内部温度，温度通过在40 mm×40 mm×160 mm的钢制试模成型的砂浆内埋置测点测定，测试结果见图1。在20℃环境条件下，浆体在大约50 min开始凝结，并释放水化热，在75 min时温度达到峰值，然后温度开始下降。

将温度21℃的浆体搅拌后倒入-5℃的试模内，然后立刻放入-5℃的低温箱内进行温度测试。从图1中可以看出，砂浆倒入试模后浆体温度迅速降低，10 min后浆体温度由21℃降至0℃，未有放热峰。

将温度21℃的浆体搅拌后倒入-10℃的试模内，然后立刻放入-10℃的低温箱内进行温度测试，从图1中可以看出，10 min后浆体温度从21℃骤然降低到0℃，50 min内降到-10℃，亦未有放热峰。

在-5℃和-10℃环境中，浆体在20 min内出现冻结，2 h时从低温箱内取出试件，试件因受冻产生明显的膨胀，立即测试抗压强度，抗压强度＞20 MPa;另一组试件在室温20℃放置一段时间解冻，解冻后的试件没有强度，说明砂浆不能正常凝结硬化，冻结的强度为“假”强度。

空气的热传导系数为0.025 W/(m·k)，钢筋混凝土的热传导系数为1.74 W/(m·k)，钢板的热传导系数为45 W/(m·k)，钢筋混凝土和钢板的热传导系数分别是空气的70倍、1 800倍。在负温环境条件下，砂浆与支座钢板和钢筋混凝土的热传导十分迅速，从而浆体温度骤然降低，不采取措施直接灌注浆体，浆体早期受冻不能正常凝结。

2.2 掺加防冻剂支座灌浆材料的性能

在-5℃环境温度下，防冻剂掺量为1%，2%，3%和4%4个水平以及不掺加防冻剂的砂浆的负温1 d强度和负温1 d转20℃1 d强度见图2。在-10℃环境温度下，防冻剂掺量为1%，2%，3%和4%4个水平以及不掺加防冻剂的砂浆的负温1 d强度和负温1 d转20℃ 1 d强度见图3。由图2和图3可知，掺加防冻剂后砂浆在相应负温条件下均能获得强度，当转入正温养护后，强度较大幅度增加，观察试件亦发现，试件没有出现明显的膨胀。在-5℃和-10℃环境温度下，防冻剂掺量分别为1%和2%时，砂浆试件强度最高，因此选择相应掺量进行负温小时强度试验，试验结果见图4。

图2 防冻剂掺量对砂浆强度的影响

由图4可以看出，在-5℃环境条件下，砂浆在不采取任何养护措施的条件下能够凝结硬化，7 h时其抗压强度可达到20 MPa，24 h强度可以达到35 MPa。在-10℃环境条件下，砂浆在不采取任何养护措施的条件下亦能够凝结硬化，约22 h时其抗压强度达到20 MPa，24 h强度可以达到25 MPa。但均不能满足2 h达到20 MPa的规范要求。

图3 防冻剂掺量对砂浆强度的影响(-10℃)

图4 掺防冻剂砂浆-5℃和-10℃下小时强度

持续-5℃负温条件下砂浆的长期力学性能见图5。由图5可知，掺加适量的防冻剂，砂浆在 -5℃下能够凝结硬化，并在负温下强度持续增长，24 h内强度增长迅速，24 h强度为28 d强度的76%，之后强度缓慢增长，28 d抗压强度达到55 MPa。

图5 掺加防冻剂砂浆在-5℃下的长期强度

2.3 掺防冻剂灌浆材料负温转正温后的力学性能

在-5℃ 7 d后，试件转入20℃下的长期力学性能见图6。浆体转入正温养护后强度迅速增加，并持续增加，-7 d+28 d抗压强度可以达到70 MPa以上。

2.4 微观分析

通过对负温条件下放置的砂浆试件进行X射线衍射、扫描电镜(SEM)分析，试验结果见图7和图8。分析发现:试样的水化矿物和水化产物种类同常温条件下养护的试件一致，试样界面过渡区生成的水化产物形态致密，品质较好。试验结果说明，掺加防冻剂仅仅促进了水化进程。

2.5 预养后砂浆性能研究

图6 -5℃ 7 d后，转入20℃下长期强度

图7 试样的XRD图谱

图8 砂浆中的钙矾石晶体

通过配方调整确定了防冻型支座灌浆材料配制方案，不掺加防冻剂，防冻型支座灌浆材料在5℃条件下的2 h抗压强度达到 20 MPa，之后进行 -5℃和-10℃条件下7 d养护，再转入标准养护条件28 d和56 d，所测抗压强度与在标准养护28 d时砂浆的抗压强度进行对比，试验结果见表2。

表2 用于冬期施工的水泥基灌浆材料的力学性能指标及试验结果

由表2数据可得，预养后，砂浆转入负温，强度继续发展，-7 d强度可以达到标准养护28 d强度的70%以上，当环境温度转到正温后浆体的强度继续发展，与28 d标养强度接近，表明防冻型支座砂浆材料可以通过2 h的养护，2 h抗压强度达到20 MPa以上，并能够耐受负温，从而满足桥梁架设的需要。

3 结论和建议

1)普通灌浆材料在 -5℃条件下直接灌注，浆体会出现被“冻住”的情况，表现为试件具有一定强度的假象。受冻试件在常温下将逐渐解冻，最终失去强度，施工中要注意杜绝此情况的发生。

2)掺加防冻剂的灌浆材料，在没有养护措施条件下，在-5℃和-10℃条件下，砂浆强度在2 h内低于20 MPa，因此在材料中掺加防冻剂的技术手段不能够解决负温条件下预制梁架设施工问题，但在负温条件下砂浆强度能够持续发展，24 h强度可以达到28 d强度的75%，且转入正温后强度迅速发展，-7 d+28 d强度可以达到70 MPa以上。微观分析亦表明，掺加防冻剂后砂浆的水化产物与常温水化产物相同。

3)无养护措施条件下，掺加适量防冻剂的防冻型支座灌浆材料可以应用于对初凝时间要求不苛刻的负温条件下的现浇梁支座砂浆施工和正负温更替环境条件下的预制梁架设施工。

4)研制的防冻型支座灌浆材料，不掺加防冻剂，采取一定的预养措施，在5℃条件下2 h内抗压强度可达到20 MPa，之后转入负温，砂浆能够耐受持续负温，转入正温后强度迅速发展，接近标准养护28 d砂浆强度，能够保证冬季预制梁架设施工质量。

［1］中华人民共和国铁道部.科技基［2005］101号 客运专线桥梁盆式橡胶支座暂行技术条件［S］.北京:中国铁道出版社，2009.

［2］于永广.客运专线支座灌浆材料冬季施工控制措施［J］.低温建筑技术，2009，31(4):73-74.

［3］刁江京，辛志军，张秋英.硫铝酸盐水泥的生产与应用［M］.北京:中国建材工业出版社，2006.

［4］王燕谋，苏慕珍，张量.硫铝酸盐水泥［M］.北京:北京工业大学出版社，1999.

［5］李启棣，吴淑华.硫铝酸盐水泥混凝土的特性及应用［M］.北京:中国铁道出版社，1989.

［6］仲朝明，邵正明，王晓丰，等.高速铁路桥梁盆式橡胶支座灌浆料的研制及应用［J］.铁道建筑，2009(10):18-21.