粉煤灰对孔道压浆料稳定性的影响分析

高江涛 王军 王静波 何玉涛

摘  要：粉煤灰是孔道压浆料中应用最广泛的矿物掺合料。该文通过对孔道压浆料生产过程中不同批次粉煤灰配比调整过程进行研究，并通过试验总结粉煤灰掺量、密度对孔道压浆料性能影响。结果表明，粉煤灰对孔道压浆料流动性有促进作用，掺量越高流动度促进效果越强；粉煤灰掺量过高会导致孔道压浆料凝结时间增长，强度降低，最大掺量不宜大于25%；粉煤灰掺量过高或过低会导致在孔道压浆料浆液中部分上浮或沉淀，影响孔道压浆料浆液稳定性；粉煤灰的密度影响在孔道压浆料中的适宜掺量，密度越大，适宜掺量越低。

关键词：孔道压浆料；粉煤灰；稳定性；掺量；密度

中图分类号：TU528      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）05-0057-04

Abstract： Fly ash is the most widely used mineral admixture in pore grouting. By studying the process of adjusting the proportion of different batches of fly ash in the production process of channel grout， this paper summarizes the influence of fly ash content and density on the performance of channel grout. The results show that fly ash can promote the fluidity of channel grout， and the higher the content of fly ash is， the stronger the fluidity is; too high content of fly ash will increase the setting time， decrease the strength， and the maximum content should not be more than 25%; too high or too low amount of fly ash will lead to partial floating or precipitation in the channel grouting slurry， affecting the stability of the channel grouting slurry. The density of fly ash affects the suitable amount of fly ash in the channel grouting material， and the higher the density is， the lower the suitable content is.

Keywords： pore grout; fly ash; stability; content; density

预应力孔道压浆是预应力混凝土梁整体质量的重要保证措施，是预应力混凝土结构中防止钢筋锈蚀的最后一道防线。有效的孔道压浆，可以保护预应力筋不致锈蚀，同时在结构混凝土与预应力筋之间提供黏结力，使得预应力混凝土结构完整，保证梁体应力传递的完整性。而对压浆质量起决定作用的因素就是孔道压浆料的性能。孔道压浆一旦出现质量问题，将严重影响预应力结构的安全性、耐久性和可靠性。受施工设备与环境要求，孔道压浆料必须要有足够的流动性与流动性保持效果，为保证施工后梁体质量，孔道压浆料充盈度、膨胀性、泌水、强度等也做出相应要求。

目前，孔道压浆料已统一为工厂化生产，主要由水泥、矿物掺合料、各类外加剂以一定配比均匀混合而成，影响孔道压浆料质量的主要因素为原材料的种类与稳定性。国内已有众多学者对孔道压浆料配比优化做出研究。马正先等[1]通过石膏等量代替矿物掺合料提高孔道压浆料的物理性能。张鹤译[2]通过使用沉珠、微硅粉、矿粉作为矿物掺合料研究其对孔道压浆料流动度与强度影响，并给出复配使用最佳掺量。孙长征等[3]研究了超细硅灰、超细粉煤灰通过单掺以及复掺对孔道压浆料流动度、抗沉降性、体积稳定性、强度的影响。

已有研究结果表明，原材料的多样性是影响孔道压浆料性能的主要因素，通过合理选取原材料种类进行配比调整，可对孔道压浆料的性能做出一定优化。其中矿物掺合料对孔道压浆料浆液性能影响最为明显[4-5]，但目前研究大多研究为选择适宜的矿物掺合料种类进行配比确定，对孔道压浆料生产过程中确定的矿物掺合料自身性能与配比相关性研究较少。本文以粉煤灰作为固定矿物掺合料，进行粉煤灰性能与孔道压浆料生产配比相关性研究，指导企业在粉煤灰性能存在波动下对孔道压浆料生产过程中的配比进行准确调整。

1  试验

1.1  原材料

1.1.1  水泥

水泥为孔道压浆料中主要胶凝材料，掺量通常为80%～90%，本文以单一批次祁连山水泥P·O42.5进行试验。其物理力学性能见表1。

1.1.2  粉煤灰

粉煤灰在孔道压浆料中作用主要体现为填充补强、增加流动度、延长凝结时间等方面，由于孔道压浆料高流动性要求，粉煤灰掺量不适容易导致浆液不能均匀保持，出现浮浆或沉积现象，试验用粉煤灰为甘肃某电厂产品JC（孔道壓浆料生产使用粉煤灰），并通过该厂不同批次粉煤灰JC（1—5）进行对比试验。其物理指标见表2。

1.1.3  外加剂

试验用外加剂由聚羧酸减水剂、塑性膨胀剂、消泡剂、抗沉降剂按固定比例组成，为孔道压浆料生产中使用材料。其配比组成见表3。

1.2  试验方法

按照JT/T 946—2022《公路工程预应力孔道压浆材料》进行压浆料浆液制备与检测，水胶比取0.28，搅拌方式为慢速搅拌2 min，高速搅拌5 min，然后进行浆液测试与试件成型。

2  结果与分析

2.1  粉煤灰掺量对压浆料性能影响

以单一批次粉煤灰JC1进行孔道压浆料配比调整，控制压浆料总质量为3 000g，参考材料生产经验，通过分别改变粉煤灰掺量与外加剂用量，观测孔道压浆料浆液变化，确定合适的生产配比。部分试验配比与浆液性能测试结果见表4。

对表4中各配比孔道压浆料进行试件成型与力学性能测试，试验结果如图1—图3所示。

2.1.1  粉煤灰掺量对浆液状态影响

表4中A1—A4配比为外加剂掺量不变下，逐步增加粉煤灰掺量，从测试结果可以看出，随着粉煤灰掺量由5%增加至25%，浆液流动度由18.94 s降至14.56 s，流动性能增加，压力泌水由0.21%增至1.74%，泌水量增多，泌水性变差。其原因一方面因为粉煤灰自身微粒结构可以增加浆液的流动性；另一方面由于粉煤灰在浆液初期几乎与水不产生水化反应，随着粉煤灰掺量提高，水泥用量相应降低，在用水量与减水剂用量不变的情况下，可以增加浆液中自由水含量，进一步增加浆液流动性能。同时自由水含量的增多，导致浆液在压力作用下，渗出泌水量也增多。

表4中A4—A6配比为保持粉煤灰掺量为25%不变，根据浆液状态逐步降低外加剂掺量，可以看出，外加剂用量减少，浆液流动度数值增大，流动性降低，同时伴随着浆液稳定性增加，其直接因素为外加剂掺量降低造成的减水剂用量减少。

表4中A6—A8配比为在上述调整配比基础上，进一步增加粉煤灰掺量至35%，从浆液测试结果分析，随着粉煤灰掺量进一步增大，其浆液稳定性降低，压力泌水持续增大，在试验配比A7—A9粉煤灰掺量为30%～35%时，浆液出现自由泌水。

2.1.2  粉煤灰掺量对凝结时间影响

图1为各配比孔道压浆料凝结时间测试结果，从图1曲线变化趋势可以发现，在配比A1—A4粉煤灰掺量由5%增加至25%过程中，凝结时间随粉煤灰掺量增加而增长，且随着粉煤灰掺量增加，初、终凝时间差也在增大，在配比A4-A6粉煤灰掺量保持25%不变时，单独调整外加剂掺量，曲线接近水平，凝结时间变化较小，当配比调整至A7粉煤灰掺量达到30%时，终凝时间超过24 h。

在压浆料凝结过程中，粉煤灰的水化活性远低于水泥，主要与水泥水化产物进行二次水化反应，其反应过程缓慢。随着掺入粉煤灰量增多，水泥的量相应减少，在水化前期生成的水化产物也越少，从而延缓了水泥的凝结时间；另一方面在粉煤灰掺量增加时，相对水泥的水胶比增大，浆液变稀，增加了凝结时间。在粉煤灰掺量过高时，由于其缓慢的水化反应，仅靠水泥水化反应凝结无法使压浆料试件达到终凝时的硬度，在压浆料达到初凝后持续较长时间保持表面无法硬化，在测试过程中表现为终凝时间延长且初终凝时间间隔明显增长。

综合图1凝结时间曲线变化，为保证孔道压浆料正常凝结，满足施工指标要求，生产过程中粉煤灰掺量不宜大于25%。

2.1.3  粉煤灰掺量对强度影响

图2和图3为孔道压浆料A1—A9配比强度测试结果，粉煤灰的使用，在增强水泥和易性的同时会对降低硬化后强度。由图2和图3可以看出，孔道压浆料各龄期抗折、抗压强度随粉煤灰掺量增加呈降低趋势，在粉煤灰掺量一定时（A4—A6），各龄期强度基本接近，可见水胶比不变条件下，粉煤灰掺量是调节孔道压浆料强度的措施。在A8、A9配比中粉煤灰掺量为35% 时，28 d抗折强度（10.6 MPa、10.9 MPa）、28d抗压强度（53.1 MPa、54.3 MPa）强度接近JT/T 946—2022《公路工程预应力孔道压浆材料》中对孔道压浆料最低强度要求（28d抗折强度大于10 MPa、28 d抗压强度大于50 MPa）。

综合图中数据，结合孔道压浆料实际生产质量稳定性要求，孔道压浆料各龄期强度需有一定富余值，要使强度始终满足要求，粉煤灰掺量宜小于35% 。

2.2  粉煤灰密度对压浆料性能影响分析

从表4中的结果可以看出，粉煤灰与外加剂是调节孔道压浆料流动性与浆液稳定性的措施，现选取粉煤灰掺量为20%的A3配比，对进场不同批次粉煤灰JC（1～5）进行浆液性能测试，分析粉煤灰密度对孔道压浆料浆液性能影响。测试结果见表5。

图4为不同批次粉煤灰JC（1—5）在外加剂/水泥比例不变下，经调整配比后各批次粉煤灰粉煤灰在孔道压浆料生产中的最佳掺量。

从测试结果可以看出，粉煤灰最佳掺量与粉煤灰密度有相关性，在压浆料浆液均匀的前提下，粉煤灰密度越大，适宜掺量越低，由于各批次粉煤灰化学成分基本相同，试验结果在物理状态下可总结为粉煤灰密度与粉煤灰在浆液中悬浮状态相关。粉煤灰相同掺量下，粉煤灰密度不同，在压浆料浆液中分别表现为部分上浮或下沉，导致浆液分层。

在压浆料生产过程中，对新进场粉煤灰，可通过对比新旧粉煤灰密度，确定粉煤灰掺量增加或降低。

3  结论

1）粉煤灰对压浆料流动性有促进作用，粉煤灰掺量越高高流动性促进效果越强，但会导致压力泌水增大；粉煤灰掺量过高达到30%时，压浆料浆液出现自由泌水。

2）粉煤灰掺量会影响压浆料凝结时间与强度，粉煤灰掺量过高会导致孔道压浆料凝结时间增长，各龄期强度降低，最大掺量不宜大于25%。

3）粉煤灰的密度影响在孔道压浆料中的适宜掺量，密度越大，适宜掺量越低。

4）粉煤灰掺量会过高或过低会影响孔道压浆料浆液稳定性，具体表现为在孔道压浆料浆液中部分上浮或沉淀。

参考文献：

[1] 马正先，许东，逄鲁峰，等.石膏对预应力孔道压浆料性能的影响[J].混凝土，2021（8）：155-159.

[2] 张鹤译.矿物掺合料对压浆料性能研究[J].水利科学与寒区工程，2020，3（1）：29-32.

[3] 孙长征，李磊，赵同峰，等.超细矿物掺合料对后张法预应力管道壓浆材料的影响[J].新型建筑材料，2015，42（7）：14-17.

[4] 马悦.常用矿物掺合料对水泥基材料的性能影响研究[D].合肥：安徽建筑大学，2015.

[5] 袁伟，田晓航，杨辉，等.超细矿物掺合料对超细灌浆料性能的影响[J].混凝土世界，2022（1）：65-68.