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南京长江二桥预应力混凝土孔道灌浆试验研究

发布于：2015-06-17 09:32:17 来自：道路桥梁/桥梁工程 [复制转发]

一、概述
1.南京长江二桥简介
南京长江第二大桥位于现南京长江大桥下游llkm处．其南汊大桥为钢箱梁斜拉桥，索塔呈倒Y型，包括下、中、上塔柱和横梁。塔柱采用非对称六边形空心薄壁断面，上塔柱为斜拉索锚固区，采用环向预应力混凝土结构；横梁采用箱形断面，上、中、下横梁皆为预应力混凝土结构。北汊桥属后张有粘结预应力大跨度连续梁桥。主桥跨布置为：90＋ 3 x 165十叨
（m），5跨一联预应力混凝土箱形截面连续梁，箱梁采用三向预应力体系；南、北引桥上部结构各为两联预应力混凝土等截面箱梁桥，箱梁采用双向预应力体系。
整个二析预应力混凝土工程量大，预应力孔道布置复杂（超长、环形、弯曲等），施工质量要求高，施工难度大。
2.灌浆的重要性
在后张有粘结预应力混凝土结构中，预应力筋的防腐蚀问题及与结构混凝土的共同工作问题是通过压力灌浆充满预应力筋预埋孔道和预应力筋之间的空隙予以解决的，当后张预应力筋处于非水平的倾斜状态、多跨度弯曲状态和垂直状态时，水泥浆的泌水蒸发后形成无水泥浆存在的空间，使该处的预应力筋失去保护。而预应力箭在高应力（现代预应力结构中，预应力筋的应力通常在1000MPa以上）状态下对腐蚀损坏相当敏感（即应力腐蚀），造成预应力筋的腐蚀部位断面缺损，影响预应力混凝土结构的安全和耐久性。因此，灌装质量的好坏直接影响到预应力筋的防腐蚀性能、预应力构筑物的安全性能和耐久性能。
目前，预应力孔道灌浆施工中，常出现质量问题：孔道中水泥浆未充满，有空隙；水泥浆体硬化后收缩与孔道壁分离；水泥浆硬化后强度不满足规范要求。
3.二桥预应力混凝土孔道灌浆指定用外加剂JM-Ⅲ简介
JM-Ⅲ型（抗裂、防渗）混凝土高效增强剂，是江苏省建筑科学研究院建筑材料研究所研制开发的多功能产品。它不仅具有高效抗裂防渗性能，而且具有减水增强、凝结时间适中、保塑性好、施工和易性好、抗冻、防腐蚀等特点，是一种多功能抗裂防渗材料。

二、灌浆用水泥浆的室内配合比试验
1.水泥浆主要性能的测试方法
（l）水泥浆流动度测试方法
水泥浆流动度测试方法采用流锥法，流锥时间测试按美国标准CRD-C79-58进行，是通过量测一定体积（1725mL）的水泥浆从一个标准尺寸的流锥中流出的时间来确定的。对任何水泥浆至少应做两次试验。
（2）水泥浆泌水率的测试方法
采用1000mL的量筒，将调制好的水泥浆约800mL注入量筒内，记下体积数值，将量筒
上口加盖封好，从水泥浆体注入量筒时算起，每小时将上口盖打开，倾斜量筒，用吸管吸出沁
水，加以记录，泌水体积除以试样浆体的含水量即为沁水率，计算公式如下：
泌水率（%）=泌水体积/（试样浆体重量（g）*浆体含水率（%））*100%
（3）水泥浆膨胀率的测试方法
测试水泥浆的膨胀率分两部分测试：一为测水泥浆体凝结前膨胀率，一为测水泥浆中后期膨胀率。测凝结前膨胀率是结合泌水率的测试进行的，即将测试好泌水的水泥浆继续静置21h（实际上距制浆时间为24h）后量测水泥浆膨胀后的浆面高度。膨胀的体积除以水泥浆原体积即为膨胀率。计算公式如下：
膨胀率=（膨胀后的水泥浆面高度-最初填灌的水泥浆面高度）/最初填灌的水泥浆面高度*100%
测中后期膨胀率的方法为：用4cm * 4cm* 16cm水泥软练砂浆三联模，在其两端镶铜测
头，水泥浆入模后24h拆模，并量测试件长度作为试件初始长度。试验在20℃标准条件下进
行，前14d为水中养护，14～18d在湿空气中养护。分别测量试件2d，3d，7d， 14d，28d的长
度。膨胀的长度除以试件基长即为膨胀率，计算公式如下：
膨胀率=（膨胀后的长度-初始长度）/试块基长*100%
（4）水泥浆强度的测试方法
用砂浆试块模对每种配比的水泥浆都制作一组（6块）试块，标养至28d，测其抗压强度。
2.固定JM-Ⅲ掺量8％，调整水胶比测试水泥浆的性能
（1）水泥浆的流动度测试结果见表1。

结果分析：
①水胶比为 0.34～0.35之间的水泥浆的流动性符合规范要求；
②静置20min后，水泥浆的流动度损失较大，故要求浆液制好后应尽快灌浆；且每根孔道灌浆的时间不宜过长；
③在灌浆过程中不允许出现中断的情况，必须一次性不间断罐完某根孔道。
（2）水泥浆的泌水率测试结果见表2。

结果分析：
①随着水胶比（W／A）的增大，泌水率增大；
②各种配比的水泥浆在调制好灌入量筒并静置出后，均出现水泥浆体离析现象（上层为泡沫，中层为沁水，下层为实浆，只有 W／A＝0.33的浆体无沁水层），且随着 W／A的增大，沁水层逐步增大，而泡沫层能基本保持不变；
③从量筒中吸出泌水及泡沫（实际操作中只能如此进行）并重新注入量筒中，静置24h，这种泡沫及沁水的混合物分层更加明显，但下层沉淀的浆体在24h后仍能用水冲洗，说明其没有强度；
④水胶比0.33～0.35的泌水率均小于2％。
（3）水泥浆的膨胀率测试结果见表3。

结果分析：
①3h内的水泥浆的膨胀（即水泥浆凝结前的早期膨胀），因浆体与其表面的泡沫在逐步离析分层而无法测得。且当将装作表面的沁水和泡沫汲取后，浆体的体积无变化，这只是说明本方法未能测出其变化，但这不能说明其早期无膨胀；
②发现随水胶比的增大（在 0.33～0.37范围内），水泥浆体的膨胀率增大，说明随拌合水的增加，JM-Ⅲ和水泥的反应更加充分；
③随着时间的增加（在28d内），水泥浆体的膨胀率增大，说明JM-Ⅲ、水泥和水的反应是逐步进行的．且初始几天内膨胀率增长速度较快，以后逐渐变缓；
④28d的膨胀率普遍小于 14d的膨胀率，说明在28d左右时，JM-Ⅲ引起水泥浆体的膨胀增长率已小于水泥浆体的自身收缩增长率。
（4）水泥浆的强度测试结果见表4。

从表4的数据看：
①由于 JM-Ⅲ的减水增强作用，试块的强度能稳定在 70MPa左右波动；
②水胶比在 0.33～0.37之间，试块强度有随水胶比增大而稍有增大的趋势，说明随用水量的增加水泥的水化反应越充分；
③水胶比为0.36时，试块强度最高。
3.固定水胶比，调整JM-Ⅲ掺量测水泥浆体性能
由"固定 JM-Ⅲ掺量，调整水胶比例水泥浆体性能"试验结果，可知水胶比为0.35时，水泥浆体的综合性能指标最优。因此，选定水胶比为0.35，调整 JM-Ⅲ的掺量 6％，8％，10％，12％，15％测定水泥浆体的各项性能指标。
通过系列试验（试验数据不再赘述列出，只对试验结果进行归纳），我们发现，随JM-Ⅲ掺量的增加：
①水泥浆体的流锥时间逐渐减小。但掺量为15％时的流锥时间比掺量为12％时的流雄时间减小很少。且此时搅拌锅底有水泥沉淀现象；
②水泥浆体的表面泡沫层厚度增大，分层离析现象逐步严重，沁水率增大；
③水泥浆体的膨胀率逐步增大，但当掺量超过12％时，膨胀率的增大不再明显；
④水泥浆体的28d试块强度都在70MPa左右波动。
4.优化组合确定水泥浆体的外加剂掺量和水胶比
通过上述两大系列试验，我们确定灌浆用水泥浆体的优化组合配比为：JM-Ⅲ掺量8％、水胶比0.35，其综合性能如表5。

三、模拟试验
1.在南汊湖南路桥公司施工现场不同压浆方法、配比水泥浆的灌浆对比试验
（1）灌浆组织
进行了真空辅助压浆与普通压浆的对比试验。
真空压浆压注不同水泥浆的对比试验，两种不同水泥浆的配合比如表6所示。

对比试验所用的孔道材料、孔道长度、孔道内穿钢绞线的量全部相等，在同一时间压浆，灌浆3d后剖管检查。
（2）试验结果分析
①采用普通压装工艺进行灌浆的试样，掺JM-Ⅲ的水泥浆，浆体能较好地充满塑料波纹管道，由少量泌水引起的凹坑主要集中在塑料波纹管的高度5mm的凸出波形内，在两波形之间仅有少量凹陷小于2mm、形状类似气泡的指甲大凹坑。说明采用普遍压浆工艺，只要能真正严格把关亦能较好地将塑料波纹管孔道灌密实。
②采用真空辅助压浆工艺进行灌浆的试样，掺VSL公司提供配比的水泥浆，浆体亦能很好地将塑料波纹管灌满。但是真实辅助压浆的浆体早期强度高于普通压浆的浆体强度。
③当采用掺JM-Ⅲ的水泥浆，采用真空辅助压浆和普通压浆制作对比试样，经剖管作对比检查，发现在塑料波纹管的上半部分，真空辅助压浆的饱满度略好于普通压装，这是由于采用真空辅助压浆工艺时，出浆孔冒浆时间过短，管内气水混合体未排除所致。因此，判定真空辅助压浆是否成功的条件应该是：两端均冒出与进浆相同稠度的浆液，且无明显的气泡，在有压（0.7MPa）情况下持压 2min为标准。
2.在北汊山东交通工程公司施工现场的灌浆试验
（1）灌浆组织
四根波纹管道共分两组，一圆一扁搭配成一组，简称甲组和乙组。
甲组的配比为：JM-Ⅲ按量8％，水胶比0.36（考虑施工现场中制浆的效果不如实验室制浆效果），1999年12月18日下午灌浆，12月29日上午剖管检查灌浆情况。
乙组的配比为：JM-Ⅲ掺量8%，水胶比0.40，12月24日中午灌浆，12月29日上午剖管检查灌浆效果。
（2）试验结果分析
①甲组圆波纹管中的水泥浆体基本充满整个孔道，无预应力筋外露现象；在拱形的顶部表面有0.5mm左右厚的暗红色粉块层，用手捏之即散，这是由水泥浆中的泡沫聚集失水而成，说明排浆孔冒浆时间过短，水泥浆中泡沫未排除所致；同时，水泥浆体有受冻现象，说明装体在灌注后的48h内不能受冻，否则，会丧失强度或造成强度损失。
②甲组的扁波纹管中的浆体完全充满整个孔道，无预应力筋外露情况。
③乙组圆波纹管由于灌浆中的人为原因，拱形顶部有很大范围内无水泥浆压至，致使这一范围内无水泥浆包裹钢绞线。这说明灌浆过程中．任何责任心不强，操作时不按工艺执行，都会造成灌浆不密实现象，形成事故隐患。
④乙组扁波纹管的局部起拱处有长约510mm的凹陷，其中400mmn范围内最明显，其宽达60mm，深约20mm，说明水泥浆水胶比过大，泌水后形成的空隙。
3.在东南大学预应力试验中心的灌浆试验
（1）灌浆组织
水泥浆配合比为：JM－Ⅲ8％，水胶比0.35。
2000年元月25日下午灌浆，2000年2月19日开管检查。
（2）试验结果分析
①圆波纹管中，水泥浆体饱满密实，剥开时未见任何裂纹和孔隙；因灌浆时水泥浆体有限未能充分排浆，故硬化后的浆体顶部有由薄层水泥浆体封住的气泡状指甲大小的凹坑，但数量不多；剥开波纹管后的硬化浆体在空气中放置15d后，产生了肉眼可见的符合力学原理的横向裂缝，说明裸露在空气中的硬化浆体会因干缩而形成裂缝。
②扁波纹管中的浆体饱满密实，剥开时未见任何裂缝和孔隙；剥开波纹管后的硬化浆体在空气中放置15d后，产生了肉眼可见的符合力学原理的横向裂缝。

四、结论
1.由上过试验可知，JM-Ⅲ外加剂减水率较高，达到20％左右；掺入水泥重量的8％时，水泥浆体的后期膨胀率在0.2%以上；其掺量8％～10％较合适，大于10％减水效果增加不明显且表面出现大量泡沫，小于8％减水效果不够；在气温低于-2℃时，掺8％的JM-Ⅲ的水泥浆凝结时间约30～40h，所以冬季施工可结合早强剂使用。
2.灌浆施工时，JM-Ⅲ掺量要准确，搅拌时间不少于3min。由实验知，水泥浆体静置时间超过20min后，流动度损失较大，所以现场储浆罐应人工不停搅拌，以防水泥浆流动度降低。
3.施工注意事项
①JM-Ⅲ存贮时间不宜超过三个月，当其中的粉末形成块状或颗粒时，其活性会大大降低。因此，凡含有块体或颗粒的JM-Ⅲ应视为失效，在工程中不应使用。
②灌浆的所用水泥夏季宜选用非早强型的普通硅酸盐水泥，这有利于保持水泥浆体的流动性。
③掺JM-Ⅲ后的水泥浆在制成后，表面有一定厚度的泡沫层，在灌浆时必须充分地排出这部分泡沫，且待出浆口排出无泡沫的浆体后封堵排浆口。
④在现场实际施工时，还应注意根据预应力混凝土孔道的长度、施工时的温度、湿度、施工设备、拌和用水等实际情况，适当调整水泥浆的配比。
⑤每次施工前，都应对水泥浆的原材料进行检查，对水泥浆的流动度进行测定。

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预应力混凝土南京长江二桥混凝土预应力

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