CG-100高性能管道灌浆

材料应用报告

一、前言

随着我国基础建设设施的蓬勃发展，预应力混凝土结构因其显著的技术经济优势而在大型工程如桥梁、港口、隧道、电站、高层房建等大跨、高耸、巨型结构广泛应用。

预应力混凝土结构的所有优势，都必须建立在预应力筋与结构混凝土粘结完好的基础上。预应力混凝土结构体系中，孔道灌浆的作用主要有三点：一是保护预应力钢筋不外露而遭锈蚀，保证预应力混凝土结构的安全；二是使预应力钢筋与混凝土有良好的粘结，保证它们之间预应力的有效传递，使预应力钢筋与混凝土共同作用；三是消除预应力混凝土结构在反复荷载作用下应力变化对锚具造成的疲劳破坏，延长锚具的使用寿命，提高结构的可靠性^{[1]。因此，孔道灌浆质量的好坏，将直接影响整个预应力混凝土结构的安全性和可靠性，孔道灌浆已是预应力混凝土结构施工过程中的一道关键工序。}

实际工程中，因预应力孔道灌浆质量造成桥梁坍塌事故的报道屡见不鲜。1985年l2月位于英国南威尔士的Ynys-y-Gwas桥在清晨突然倒塌^{[2]。桥梁倒塌时，中间的9根I梁全部损坏，纵向接缝和横向缝处的预应力钢索严重锈蚀。事后英国运输与道路研究实验室(TRRI)对倒塌原因做了深入调查。检查的I梁中24根纵向管道，其中的18根管道灌浆密实或只有小孔隙，4根管道存在使钢丝束}

暴露在空气中的大孔隙，还有两根管道在一定长度内中空，**大的孔隙通常出现在曲线管道的锚固端；检查的14根横向预应力管道中，8根管道灌浆密实或只有小孔隙，3根管道存在使钢丝束暴露在空气中的大孔隙，另外三根管道几乎全部是空的。调查还发现，虽然在每根梁段内仅含有微量的氯化物，但在纵向接缝和横向接缝处氯化物的含量要高得多，使得纵向和横向接缝处的预应力钢丝束锈蚀严重。由于孔道压浆质量差，特别是对于横向管道存在着大量的孔隙，导致接缝处的锈蚀在灌浆不饱满的管道内沿梁宽方向延伸开，钢丝束大面积锈蚀，承载截面损失，当钢丝束截面面积减小到无法承受外荷载时桥梁突然倒塌。类似倒塌的桥梁还有英国汉普郡的Bickton Meadows人行桥和比利时Schelde河上的一座桥梁^[3]。

国内，在对钱江三桥随机抽检的35根管道检查中发现，管道内无浆高达72%，不饱满占11.42%，开孔流水达40%。这基本代表了我国孔道灌浆的质量现状——孔道灌浆质量普遍很差，孔道灌浆不实。这给我国预应力混凝土结构的质量和耐久性埋下了巨大隐患。导致我国预应力混凝土结构孔道灌浆质量普遍很差的主要原因有以下几点：

(1)思想上重视不够：在具体施工质量控制中，业主、监理、施工单位往往将预应力工程的质量重点放在预应力钢筋的张拉上，很少人关注灌浆的质量。

(2)缺乏对灌浆质量的优劣进行评价的有效检测手段：缺少有效的检测手段致使预应力孔道灌浆质量得不到有效的监督。由于灌浆质量从表面看来只影响预应力筋的使用效率及寿命，一般不会导致构件短时间内被破坏。因此，该问题一直没有引起足够的重视，但到了一定时间，隐疾突发，后果将不堪设想。

(3)灌浆材料：灌浆用的水泥浆质量好坏将直接关系到孔道灌浆质量的好坏，目前国内市场上充斥着良莠不齐的灌浆料产品，由于没有专门的质量要求及检测方法，很难考证其质量的优劣，更无法判定其对预应力筋耐久性的影响。

(4)灌浆工艺：由于缺乏系统试验资料，目前灌浆工艺较为简单，设备要求及工艺等很不规范，灌浆中存在的隐患较多。

(5)孔道灌浆技术规范：我国现行的孔道灌浆技术规范对灌浆材料、灌浆设备和灌浆工艺要求都十分低，同时对一些关键技术指标缺乏相应规定，如灌浆材料的耐久性指标，这也间接导致了我国所用的灌浆材料品质差，灌浆工艺落后。

二、应用背景

在国内，预应力孔道灌浆所使用的传统灌浆料一般为纯水泥浆，施工时，采用水泥、水、减水剂、膨胀剂、增稠剂等进行现场配制。现场配制的灌浆料必须满足：水灰比为0.40-0.45，掺入适量的减水剂，可以减小到0.35；灌浆料**大泌水率不得超过3%，泌水应在24小时内重新被灰浆吸收；灌浆料的粘稠度应控制在14-18s；灌浆料在凝固前具备一定的膨胀作用；灌浆料试块的抗压强度不低于30MPa。现场采用水泥、各种外加剂和水配制灌浆料，通常存在各种外加剂兼容性不良、水泥与减水剂适应性差等问题，造成孔道灌浆存在以下严重问题：(1)浆体质量稳定性差、流动性差、流动性损失快，体积稳定性不良；(2)新拌浆体泌水大，易离析分层，浆体中微沫多，流动性不好，凝结时间不适中，浆体压浆时往往不顺畅，易堵管，施工速度慢，孔道也很难成饱满状态等；(3)硬化后浆体不密实，气泡、针隙类空隙多，与预应力筋粘结不实，浆体中甚至有断纹，孔道不饱满，高点处浆体起粉等。上述问题不仅影响施工，而且直接关乎桥梁结构的耐久性及安全使用。

近年来，国内对现场配制的传统灌浆料进行了一定的改善，采用水泥、水和外加剂包进行配制，有效解决现场各种外加剂兼容性不良的问题，但由于我国地缘辽阔，各个地方用于生产水泥的原料性不同，生产出来的水泥差异很大，因而水泥与外加剂包适应性差的问题仍然存在。

    在国外，孔道灌浆现场使用的灌浆料通常为预拌商品灌浆料，预拌商品灌浆料是工厂化的产品，事先通过试验设计，然后在工厂配成均匀的粉体，包装成袋，在施工现场只需按说明加水搅拌成浆体即可。采用预拌商品灌浆料可以有效解决各种外加剂兼容性不良、水泥与减水剂适应性差等问题。

目前，对预拌商品灌浆料的研究主要集中在灌浆料的改性，而采用超细水泥对水泥灌浆料进行改性是目前研究的热点。

美国的工程实践表明超细水泥灌浆是一种极好的方法，可以灌入细砂和细裂缝的岩石与混凝土中，其可灌性能与化学浆材相当^{[4]。德国的P.Noske指出超细水泥可以制成悬浮液应用于岩土灌浆工程，成为化学灌浆材料的替代物，并且有不污染环境的优点[5]。加拿大K.Salen和T.Mirzx在论文中指出200年以来灌浆浆液的特性己发生很大变化，由简单泥浆悬浮液到水泥浆悬浮液、化学浆液(聚氨脂、环氧树脂等)和超细水泥新品种。对于浮动裂隙或低温下进行灌浆还要保持结构完整性，则推荐使用超细水泥[6]。瑞典P.Borchardt指出超细水泥及其添加剂的生产，使灌浆工艺获得了新的可行方法，很多化学浆材耐久性差，并对环境有污染[7]。T.A.Melbye指出超细水泥有许多优点，可以用普通水泥的灌浆技术和设备，比普通水泥具有更好的可灌性，可以代替化学浆材，具有良好的工作环境、耐久性好、强度高、比化学浆材更经济[8]。}

    在国内，高校、科研机构同样对灌浆材料的改性做了大量研究工作。同济大学混凝土材料国家重点试验室对掺矿物微粉的水泥浆体进行了一系列的研究。他们主要考察了矿物微粉颗粒特征及掺量与水泥浆体流变性能之间的关系。并且在几个颗粒群特征参量中，分别确定其一，变化其它参量进行对比试验，以确定水泥浆体流变性能的变化规律^{[9]。张雄等人在这一方面也进行了一些研究。他们在研究中发现，特殊混合材的掺量对水泥浆的屈服应力与粘度有着很大的影响。并且不同的混合材对浆体流变性能的影响也有着很大的差异[10]。长江水利委员会的陈明祥针对目前国内外出现大坝基础灌浆帷幕衰减和失效的事例，认为对于水泥灌浆存在的问题应从材料本身来解决，并对灌浆水泥的原材料选择提出了建议[11]。国家建材研究院在研究灌浆材料过程中，探索了不同矿物掺和料对材料可灌性的影响，得出了很多工程上的实际数据[12]。他们认为，矿物掺和料的细度是对水泥浆体流变性能影响的主要因素，不同掺量时对浆体的流变性能影响有很大的差异。重庆大学材料学院的张驰等人利用磨细粉煤灰、磨细矿渣和硅灰作为矿物掺和料，分别研究了矿物掺合料、高效减水剂以及它们的复合作用对水泥浆体流变性能的影响情况。他们在研究中发现：矿物掺合料和高效减水剂双掺时，大大提高了水泥浆体的流动性[13]。}

对比国内外孔道灌浆料应用和研究现状可知，国内孔道灌浆料应用水平较国外差，这直接导致国内孔道灌浆质量差。因此，尽快与国际接轨，发展预拌商品灌浆料是我国孔道灌浆料的发展方向。

中桥CHIDGECG-100预应力孔道灌浆料是湖北中桥科技有限公司生产的商品预拌灌浆料：用于后张法预应力结构管道灌浆，由交通部公路科学研究院监制，具有高流动性、低粘度、无泌水、微膨胀的特性。

三、灌浆料性能检测

预应力孔道灌浆料的主要作用是为预应力筋和周围混凝土之间提供可靠的粘结力确保混凝土与预应力筋的协同工作，传递预应力并保护预应力筋免受腐蚀。孔道灌浆料质量是保证后张预应力混凝土结构安全性和耐久性的关键因素。为保证预应力混凝土结构质量和耐久性，本项目按照孔道灌浆的相关行业标准对孔道灌浆料进行流动度、凝结时间、强度、泌水率和膨胀率，以检验现场应用的产品性能。

制备灌浆材料时，采用高速搅拌机搅拌，见图3-1。搅拌前搅拌锅和搅拌叶先用湿布擦过，将搅合用水加入搅拌锅，低速搅拌并缓缓加入灌浆材料。形成均匀的浆体后，高速搅拌5min。低速搅拌时搅拌叶片圆周切线速度不低于2.5ms，高速搅拌时搅拌叶片圆周速度不低于10.0 ms。

图3-1 实验室灌浆料高速搅拌

A）流变性能

浆体的流变性如何直接决定着浆体的工作性和压浆质量。对于某些灌浆料而言，由于其具有高粘度，流动性不好，导致灌浆速度小于浆体在管道中自流速度，使得浆体在管道中流动较慢，流动情况如图3-2所示，这样在施工中由于排气孔设置不合理以及排气不充分，很容易造成空洞。但如果浆体流动性好，灌浆速度很快，浆体在管道中流动流动情况如图3-3所示，则更容易排气，保证灌浆质量。

图3-2  灌浆速度较小时浆体的流动情况

图3-3  灌浆速度较大时浆体的流动情况

PTGS规定流动性能试验方法参照 ASTM C939-97，用1725ml 新拌浆体从流锥中流下的时间即流动度来表示浆体的流动性能。

（1） 试验仪器：流锥、秒表。

流动度测试仪—流动锥，尺寸如图3-4所示。

流动锥的校准：1725mL±5 mL水流出的时间应为8.0s±0.2s。

（2） 试验方法

先将漏斗调整放平，关上底口活门，将搅拌均匀的浆体注入漏斗内，直至浆体液面触及点规下端（1725mL±5 mL浆体）。开启活门，使浆体自由流出，记录浆体全部流程时间（s），现场测试如图3-5所示；

图3-5 现场测试灌浆料流动度

出机流动度测试完毕，将所有浆体转入搅拌锅，静置30min。在1500rmin下搅拌1min，测试其30min流动度；

B）自由泌水率和自由膨胀率

根据《公路桥涵施工技术规范》（2000）要求，用于后张预应力孔道灌浆的水泥浆，3h后泌水率不宜超过2%，24h后，泌水应能够被水泥浆完全吸收。但实际上，及时泌水经过24h被水泥浆完全吸收，也会在硬化后的水泥石中留下空隙或孔洞。同样，灌浆料灌入孔道后若收缩也会在孔道中产生孔隙或孔洞，这种空隙或孔洞不但会影响水泥石与预应力筋的粘结性能，也会使腐蚀物质深入并接触到预应力筋，因此，灌浆料配制关键的是不泌水、微膨胀。

自由泌水率和自由膨胀率试验方法参照ASTM C940-98a，但作了少许修改，试验见图3-6。往1000mL的量筒内慢慢注入(800±10) mL新拌浆体，记录浆料液面所到达的刻度( V0) ;把预应力索插入量筒，并用一个圆塑料薄片套在量筒口，用于对预应力索的取中固定，使预应力索的轴向与量筒的垂直轴线保持平行，并防止水分蒸发，同时再次记录灌浆料液面到达的刻度( V1)；开始的1h内每15min读取一次浆体和泌水液面分别到达的刻度(分别为Vg，V2) ，此后每小时记一次，整个过程共持续3h；3h结束时，倾斜量筒，把泌水用吸管吸出来，放到25mL的量筒中，读数为Vw。

图3-6  灌浆料自由泌水率和自由膨胀率测试

用以下公式计算各阶段相应的体积膨胀率和泌水率:

Vp = ( Vg - V1 )PV1 ×100 %------------- (1)

Vc = ( V2 - V1 )PV1 ×100 % -------------(2)

B = ( V2 - Vg)PV1 ×100 % ---------------(3)

B3 = Vw×PV0 ×100 %------------------- (4)

式中：Vp为膨胀率，Vc为联合膨胀率， B为泌水率， B3为3h 泌水率。此试验方法更好地模拟了灌浆料的真实工作环境，测量得到的数据更具意义。

C）凝结时间

凝结时间试验参照GBT 1346 水泥标准稠度、安定性、凝结时间检验方法，测试见图3-7：

图3-7  灌浆料凝结时间测试

D）抗折强度与抗压强度

抗压强度和抗折强度试验方法参照GBT 17671-1999水泥胶砂强度试验方法。

实验室灌浆料检测结果见表3-1。

表3-1 预应力灌浆料性能检验

四、现场应用

荆岳长江公路大桥位于湖北、湖南两省交界处的长江城螺（湖南岳阳城陵矶----湖北荆州监利白螺）河段上，大桥主体工程为跨南汊深泓主桥和跨北汊滩桥：主桥为主跨816米混合梁斜拉桥，跨度布置为（100+298）m+816m+（80+2×75）m，桥塔为 H型，南塔高224.5m，承建方为湖南路桥有限公司；北塔高267m，承建方为四川路桥有限公司；北滩桥为100 m＋5×154m+100m七孔预应力砼连续梁桥，承建方为中交二公局。

自2009年10月14日起，CG-100预应力管道灌浆料用于荆岳长江公路大桥预应力管道灌浆，已成功应用于二公局18^{#~24#墩箱梁灌浆，应用效果良好。}

湖南路桥：在荆岳长江大桥主桥南边跨N14＃～N38＃、南引桥全线预应力管道灌浆施工中使用。

四川路桥：我项目部自2009年10月14日起，在荆岳长江大桥20＃～26＃墩箱梁预应力管道灌浆施工中采用了湖北中桥科技有限公司生产的 CHIDGE CG－100预应力管道高性能灌浆材料，与传统材料相比，该材料水灰比0.27，比传统灌浆料的水灰比低、流动性好、无泌水、微膨胀，性能稳定，施工效果好。

灌浆料储备

 边跨箱梁孔道灌浆