全固废胶凝材料在预应力孔道压浆材料中的应用

李建永,白亚通,刁书磊,刘金山,王海微

(石家庄市易达恒联路桥材料有限公司，河北 石家庄 050000)

预应力孔道压浆材料具有高流动性、高流动保持性、微膨胀、早强、高强、无毒、防腐阻锈等特点，广泛应用于公路、铁路、市政道路的桥梁建设。随着现代桥梁工程施工技术的迅速发展，在预应力混凝土的后张法张拉施工中，孔道压浆作为一项新的技术已得到了迅速的发展并且展示出了极其关键的作用[]。尤其在高铁、大桥等重大关键工程中体现出大量需求。孔道压浆材料是由水泥、高效减水剂、微膨胀剂、矿物掺合料等多种材料干拌而成的混合料。这种混合料在实际使用过程中以适当的比例与水混合后，便可用于后张法预应力管道的填充。其作用是保护预应力钢筋不锈蚀并使其与混凝土良好结合，保证预应力的有效传递，使预应力钢筋与混凝土共同工作，提高结构的可靠度和耐久性[2]。

在整个交通领域，每公里桥梁所需要的孔道压浆材料为300～500t，按2019年新建高速3424公里，桥梁占比50%进行估算，整个2019年所需孔道压浆材料为50 ～85万t，压浆材料中水泥占比90%左右，因此水泥需求量大约为45 ～75万t，如此巨大的消耗给环境和资源带来极大的挑战。为降低资源消耗和保护环境，在保证现有基础设施建设施工顺利的同时，如何降低水泥用量成为迫切关注的问题。本文通过对钢渣、矿渣、脱硫石膏三元胶凝体系进行合理搭配使用，添加适量的掺合料、功能助剂，制备的孔道压浆材料完全满足标准要求，摆脱了压浆材料对水泥的依赖，同时解决了固体废弃物堆放造成环境污染[3]，具有深远的环境意义。

1 试验原料、仪器与方法

1.1 原材料

钢渣：辛集市澳森钢铁有限公司生产的钢渣；矿渣：辛集市澳森钢铁有限公司生产的矿渣；脱硫石膏：石家庄西柏坡电厂副产的脱硫石膏；硅灰SiO2含量≥90%，细度为18000～20000m2/kg，微珠细度为700～1000m2/kg、石粉细度为300～350m2/kg，粉体聚羧酸减水剂、缓凝剂、P803消泡剂、膨胀剂。

1.2 主要试验仪器

孔道压浆材料专用高速搅拌机(转速1000r/min)，流动度测定锥形桶，秒表，三联试模、膨胀泌水仪、水泥抗折抗压一体机，压力泌水率测定仪，充盈度测定仪。

1.3 试验方法

流动度、泌水率、压力泌水率、充盈度、强度等指标按照JTG/TF50-2011《公路桥涵施工技术规范》进行测试[4]。

2 试验结果与分析

2.1 不同掺量全固废胶凝材料对孔道压浆材料工作性能的影响

本试验采用孔道压浆材压浆料专用高速搅拌机进行搅拌，预先用潮湿的布擦拭搅拌锅和搅拌叶，首先按顺序将水倒入搅拌锅，开启搅拌缓慢加入称量好的压浆材料(配比见表1)，全部加料完成，在转速为1000r/min情况下搅拌180s。预先将流动度锥形桶润湿，待压浆材料搅拌完成后倒入锥形桶固定刻度，浆液稳定无旋转进行流动度测试，流速精确到0.1s。流动度初始值测定完毕后，迅速将压浆材料用湿毛巾布封，在30,60min依据上述搅拌速度继续搅拌，进而继续测30,60min的浆体流动度。

表1 对工作性能影响试验的压浆材料配合比 (kg/t)

图1 不同掺量全固废胶凝材料对压浆材料工作性能(流动度)的影响

从图1 可以看出胶凝材料掺入量从65%～80%变化过程中，由全固废胶凝材料配制的孔道压浆料的初始流动度先提高后降低，而30min和60min的浆体流动度随着掺量的提高是逐渐降低的。主要原因是全固废胶凝材料主要构成为磨细的钢渣、矿粉、石膏的混合物，在前期加入过程中，由于钢渣比重较高，浆体的比重随之增高，带动浆体的流动性得到提高，掺量达到一定数值后，由于胶凝的材料细度较高，需水量随之增大，而由于细度提高的影响大于比重的影响，因此在掺量大于75%时出现拐点，流动度反而降低。30min和60min的流动度随掺量提高保持呈现逐渐升高的趋势，主要原因是由于反应过程中钢渣粉开始发生水化反应，石膏作为激发剂也开始促进反应的进行，反应生成的钙矾石量随之增加，钙矾石中含有32个结晶水，在加水量一定的情况下胶凝材料掺量越高，压浆材料的后期流动度损失越大。

2.2 不同掺量全固废胶凝材料对孔道压浆材料力学性能的影响

按表1配合比配制的压浆材料搅拌成型，3,7,28d的抗折和抗压强度见图2和图3。

图2 不同掺量全固废胶凝材料的压浆材料不同龄期的抗压强度(MPa)

图3 不同掺量全固废胶凝材料的压浆材料在不同龄期的抗折强度(MPa)

由图2和图3可知，使用全固废胶凝材料配制的孔道压浆材料在不同龄期均具有一定的抗压抗折强度，并且随着掺入比例的提高强度均呈现正增长，主要原因是由于在钢渣-矿渣-石膏三元体系组成的胶凝材料中，矿渣提供了具有潜在活性的硅氧四面体和铝氧四面体，钢渣提供钙、镁等碱性物质，石膏提高足够的硫酸根离子，三者协同作用形成极低溶解度的钙矾石类复盐和非晶态的C-S-H凝胶，二者形成的针棒状复盐晶体纤维增强复合结构，成为具有一定强度的胶凝材料的主要来源[5]。在孔道压浆材料的规范中规定，水胶比限值在0.26～0.28，极低的水胶比让全固废胶凝材料的强度发展有了进一步保障。孔道压浆材料要求抗折强度3d≥5MPa，7d≥6MPa，28d≥10MPa，抗压强度要求3d≥20MPa，7d≥40MPa，28d≥50MPa。图2和图3中对比发现，全固废胶凝材料的掺量在65%及其以上抗折强度各个龄期均能满足要求，但抗压强度需要在掺量75%及以上才能满足标准要求，从性价比对比选择75%掺量为此种原材料的最佳加入量，75%掺量情况下抗折强度3d、7d、28d分别为6.5MPa、7.5MPa、13.8MPa；抗压强度3d、7d、28d分别为32.5MPa、45.6MPa、56.7MPa，符合规范要求，为最优配合比加入量。

2.3 不同掺量全固废胶凝材料对孔道压浆材料泌水率的影响

泌水率试验包括24h自由泌水率和3h钢丝间泌水率，检测指标中自由泌水率、钢丝间泌水率按照JTG/T F50—2011《公路桥涵施工技术规范》中附录C4试验，钢丝间泌水率按照附录C5进行。自由泌水率试验容器如图4所示，用有机玻璃制成，带有密封盖，高120mm，置放于水平面上。试验时，往容器内填灌浆液约100mm深，测填灌面高度并记录，然后盖严。放置3h和24h后量测其离析水水面和浆体膨胀面，然后按公式1进行计算泌水率。

1-最初填灌的浆液面；2-水面；3-膨胀后的浆液面图4 浆液泌水率和膨胀率试验示意图

(1)

式中：a1—离析水水面高度；a2—膨胀后浆体面高度；a3—最初填灌的浆体面高度

表2 不同掺量全固废胶凝材料对孔道压浆材料的泌水率的影响

从表2可以看出，加入全固废胶凝材料可以有效的降低孔道压浆材料的泌水率，改善泌水性能，提高浆体的饱满度。主要原因是全固废胶凝材料超高的比表面积，颗粒能够填充到缝隙当中起到物理填充作用。全固废胶凝材料的比表面积一般控制在550 ～650 m2/kg，大大高于水泥的比表面积350 m2/kg，降低了孔道压浆材料的泌水率，可以更有效保护钢绞线，提高了整个梁体的耐久性。

2.4 经济效益分析

按目前市场价格水泥450元/吨，全固废胶凝材料中钢渣100元/t、矿粉330元/t、石膏60元/t，三者按比例35∶50∶15进行折算后约合230元/t，按每吨孔道压浆材料加水泥750公斤进行折算，若用750公斤全固废胶凝材料进行完全替代，每吨孔道压浆材料可节约成本750×(450-230)/1000=165元/t。目前我公司年产3万吨预应力孔道压浆材料，直接经济效益495万元，在满足性能要求情况下，很大程度上降低了孔道压浆材料的成本，给企业带来极大的经济效益，同时也解决了固体废弃物的堆放造成的环境污染问题。

3 结论

(1)在一定掺量范围内，全废胶凝材料替代水泥生产的压浆材料工作性能满足标准要求，本文使用的石家庄地区周边的原材料对工作性能最优的的掺量为75%。

(2)使用全固废胶凝材料生产的孔道压浆材料，力学性能能够满足规范要求，抗压强度大于50MPa，抗折强度大于10MPa。

(3)全固废胶凝材料掺量越高泌水率越低，有利于保护钢绞线和梁体。

(4)经济和社会效益显著，为企业和社会带来巨大的经济效益，并具有显著环保价值。

综合考虑，本试验中所用的石家庄地区周边的原材料生产的胶凝材料完全能够在孔道压浆材料中使用，最佳掺量为75%，最佳配合比为全固废胶凝材料：膨胀剂∶硅灰∶微珠∶石粉∶功能助剂=750∶60∶100∶20∶50∶20，此配比生产出的孔道压浆材料初始流动度15.56s，30min流动度17.55s，60min流动度21.34s，泌水率为0，抗折强度3d、7d、28d分别为6.5MPa、7.5MPa、13.8MPa；抗压强度3d、7d、28d分别为32.5MPa、45.6MPa、56.7MPa，满足JTG/TF50-2011《公路桥涵施工技术规范》中对孔道压浆材料的要求，适宜建筑施工。