桥梁支座灌浆料工作性能试验研究

李 慧

(中铁二十二局集团第二工程有限公司 北京 100144)

1 研究背景及内容

(1)研究背景

近年来，我国桥梁建设事业飞速发展，支座作为连接桥梁上部结构与桥墩的传力部件，其重要性不容忽视，而支座灌浆料的工作性能更是重中之重。针对桥梁支座对灌浆料的要求需研制出一种具有优良的技术性能、易于施工、低成本、高适应性的支座灌浆材料[1-3]。

灌浆料采用的骨料一般具有特殊性能或较大强度，加入胶凝材料做粘合剂，同时添入其它满足灌浆料技术性能要求的外加剂或填料等，要求施工时仅加入足量拌合水，拌和均匀即可使用[4]。

(2)研究内容

水泥基灌浆料的良好性能对材料组成有很大要求，选取双快水泥可有效保证灌浆料早强要求。采取性能良好、适配的外加剂降低灌浆料水胶比，保证强度和提高流动度，掺入聚丙烯酸乳液来提高粘度，改善灌浆料工作性能，达到自流平且不离析泌水。

研究聚丙烯酸乳液对灌浆料性能的改善效果，同时研究各因素对灌浆料强度、工作性等性能的影响，并通过正交试验确定灌浆材料的配比[5-7]。

2 灌浆料的制备

2.1 原材料

(1)P.O72.5级硫铝酸钙(CSA)水泥熟料，Ⅱ级粉煤灰。

(2)Ⅱ级配中砂，级配5～10 mm粒径碎石。

(3)自制聚丙烯酸乳液，含固量40%，做为消泡剂、减水剂、早强剂。

2.2 配合比设计

试验中设计强度为C80，属高强度等级混凝土范畴，设计坍落度在190 mm以上，养护制度采用干湿结合的方式。整理后得到的试验基准配合比为:水泥∶水∶石子∶砂子∶粉煤灰 ＝1.00∶0.285∶1.561∶1.045∶0.159。

3 不同因素下灌浆料工作性能影响

混凝土的工作性是一项综合性质。一般混凝土的工作性用坍落度及坍落扩展度来表达。

3.1 水胶比对灌浆料工作性的影响

本次试验中，不同水胶比对灌浆料工作性的影响测试结果见表1。

表1 水胶比影响测试结果

从表1灌浆料的部分工作性能测试结果看，随着水胶比的不断增大，混凝土拌合物的坍落度值呈现出先增大后减小的趋势，变化曲线见图1；拌合物的坍落扩展度值则呈现出不断递增的趋势，变化曲线见图2。

图1 水胶比对坍落度影响变化曲线

图2 水胶比对扩展度影响变化曲线

从图1～图2可以看出，提高水胶比后的新拌混凝土坍落度值并没有明显增大，相反还出现了回落的趋势。同时新拌混凝土坍落扩展度随水胶比增大而增大，产生此种结果主要是由于拌合物随水胶比的增大流动性上升而黏聚性及保水性降低，产生了离析；由于灌浆料中水含量超过浆体保水极限使得浆体变稀粘稠度下降，水泥浆体无法有效包裹骨料导致灌浆料各组分分离，造成粗集料沉降，坍落度随之减小，扩展度增大[8-9]。

3.2 浆体富裕系数对灌浆料工作性的影响

本次试验中，不同浆体富裕系数对灌浆料工作性的影响测试结果见表2。

表2 浆体富裕系数影响测试结果

从测试结果看，随着浆体富裕系数的不断增大，混凝土拌合物的坍落度值及0.5 h坍落度值都呈现出先增大后平缓的趋势，变化曲线见图3；坍落扩展度则随富裕系数增大而增大，变化曲线见图4。

图3 浆体富裕系数对坍落度影响变化曲线

图4 浆体富裕系数对扩展度影响变化曲线

从图3可以看出，改善浆体富裕系数的新拌混凝土，在同一用水量的情况下，浆体富裕系数提高，新拌灌浆料的坍落度增大；从图4可以看出，当坍落度不再随富裕系数增大而增长时，坍落扩展度仍继续增长。产生此种结果主要是浆体富裕系数增大并未改变灌浆料内部水泥浆体的稀稠程度，单位灌浆料中集料含量下降，浆体相对携带能力增强，表现为灌浆料整体流动性的增加。由此可见，提高浆体富裕系数对改善新拌灌浆料的工作性有一定的作用，选择合适的富裕系数便于施工作业。

3.3 乳液掺量对灌浆料工作性的影响

不同乳液掺量对灌浆料工作性的影响测试结果见表3。

表3 乳液掺量对工作性影响测试结果

由表3可知，随着乳液掺量的增大，灌浆料的坍落度先增后减。产生这种变化是由于在乳液掺量较少时乳液颗粒使得水泥浆体内水泥颗粒分布更均匀且整体更粘稠，表现为混合料整体流动性改善，且保水率和抗离析能力提高。但当水泥浆体中存在的乳液颗粒相对过多时，灌浆料整体的黏聚性过强，流动性能遭到破坏，表现为混凝土坍落度急速下降。

3.4 小结

通过提高水胶比来改善混凝土的工作性适得其反，反而不利于施工；一定限度内提高浆体富裕系数可以有效提高新拌混凝土的工作性；不同的乳液掺量在一定程度上改善了灌浆料的工作性。

4 多重因素下工作性与强度影响

基于混凝土基准配合比，通过试验确定因素并选定一些水平对其进行了试验研究，利用正交试验确定每项指标对应的最优配合比。试验内容包括工作性试验、立方体抗压强度试验、抗折强度试验、抗冻性试验，然后分析并确认每项试验指标对应的性能最优异的混凝土配比。

基于计算得到的混凝土基准配合比及各单因素试验对混凝土性能影响的结果，各因素及水平确定如下:水胶比范围为0.32～0.36，乳液掺量为2%～6%，浆体富裕系数确定范围为1.15～1.25，其余外加剂掺量不变。采用正交试验，得出影响混凝土性能单因素及水平正交表，见表4。

表4 影响混凝土性能单因素及水平正交表

4.1 工作性正交试验结果及分析

各因素综合作用对混凝土工作性影响测试结果见表5。

表5 多重因素下混凝土工作性测试结果

根据表5所测得数据，对初始、30 min后的坍落度及初始扩展度分别进行方差分析，可看到三个因素对灌浆料坍落度、扩展度影响都非常显著，其中乳液掺量因素影响尤为明显。

由极差分析得到影响灌浆料坍落度、扩展度三个因素作用由大到小顺序为乳液掺量＞水胶比＞富裕系数。计算得出较优的工艺组成为水胶比0.36、乳液掺量2%、富裕系数1.20，此时灌浆料坍落度、扩展度均达到试验极值。

4.2 混凝土力学性能测试试验结果及分析

研究不同变量对混凝土抗压强度的影响。

表6 多因素影响下混凝土力学性能测试试验结果MPa

根据表6所测得数据，对2 h、1 d、28 d抗压强度及1 d抗折强度分别进行方差分析。

根据正交试验结果各因素对灌浆料抗压强度影响显著，由极差分析得到较优试验安排为水胶比0.34、乳液掺量2%、富裕系数1.20。此时灌浆料理论测试抗压强度预计达到试验极值。由于此试验同正交试验中6号试验组试验安排相同，通过结果对比发现6号试验组在正交试验组中抗压强度值最高，符合分析结果要求。

4.3 混凝土抗冻性能测试试验结果及分析

抗冻试验采用快速冻融循环机对灌浆料的抗冻性进行测定。试验结果见表7。

表7 多因素影响下混凝土抗冻性试验测试结果

混凝土的抗冻性采用三种标准进行衡量，分别为相对动弹性模量下降至初始值的60%、预定的冻融循环次数、质量损失达5%。但考虑到时间原因，本次试验只采用前两个标准来衡量。计算得到各混凝土试件的相对动弹性模量，见表8。

表8 多因素影响下混凝土相对动弹模量

正交试验中所有灌浆料试件在经历200次冻融后，所有试件的动弹性模量变化都不大，且相对动弹性模量都在93%以上。300次冻融结束后，结果显示抗冻性最好试件相对动弹性模量为95.92%。

由极差分析得到对灌浆料抗冻性能影响作用由大到小分别为乳液掺量＞水胶比＞富裕系数。说明混合料中乳液掺量对灌浆料的抗冻性有较大的影响。当乳液掺量较高时，灌浆料黏聚性增大，混合料无法自密实，导致灌浆料密实度降低影响抗冻性；当乳液掺量较合适时，可起到填充硬化混凝土微细孔的作用，提高结构密实度，增强混凝土抗冻性。

由试验结果计算得到的较优试验安排为水胶比0.34、乳液掺量2%、富裕系数1.20。此时灌浆料抗冻性能预计最好。由于此试验安排与正交试验中6号试验组试验安排相同，通过结果对比发现6号试验组在正交试验组中相对动弹性模量最高，符合分析结果要求。

4.4 小结

乳液掺量越高，灌浆料整体工作性能越差，抗压强度随乳液掺量增大而减小。合适的乳液掺量能显著提高灌浆料的抗冻融破坏能力，从而提高其抗冻耐久性。

5 结论

本文以灌浆料为研究对象，通过对灌浆料工作性、力学性能的一系列试验，可得出以下结论:

(1)影响灌浆料工作性能的因素从大到小的顺序为乳液掺量＞水胶比＞浆体富裕系数。

(2)当水胶比为0.34、乳液掺量为2%、浆体富裕系数为1.20时得到的灌浆料综合性能最好。

(3)通过正交试验进行配比优化，优化后的配比为水泥∶石子∶砂∶水∶粉煤灰 ＝1∶1.498∶1.010∶0.34∶0.155。