粉煤灰-矿粉基预应力孔道压浆料制备及性能研究.pdf

742023年5月试验与研究江西建材粉煤灰一矿粉基预应力孔道压浆料制备及性能研究谢宇尚，李永铃，姚晓军1，舒本安2*，杨腾宇，任彦飞1.佛山市建盈发展有限公司，广东佛山528000;2.佛山市交通科技有限公司，广东佛山528000摘要：文中研究了不同掺量粉煤灰、矿粉对预应力孔道压浆料流动性、泌水性及力学性能的影响。研究表明，粉煤灰的掺入可大幅度提高压浆料的流动性，适当掺入矿粉可大幅度提高压浆料的力学性能和泌水性，粉煤灰、矿粉复掺比例为3：2，整体掺量为30%的情况下，可制备得到流动性、泌水性、密实性、力学性能优异的粉煤灰一矿粉基预应力孔道压浆料。关键词：预应力孔道压浆料；粉煤灰；矿粉；流动性；泌水性；力学性能中图分类号：U444文献标识码：B文章编号：10 0 6-2 8 90（2 0 2 3）0 5-0 0 7 4-0 3Study on the Influence of Fly Ash and Mineral Powder on thePerformance of Prestressed Duct Grouting MaterialXie Yushang,Li Yongling,Yao Xiaojun,Shu Benan*,Yang Tengyu,Ren Yanfei?1.Foshan Jianying Development Co.Ltd.,Foshan,Guangdong 528000;2.Foshan Transportation Science and Technology Co.Ltd.,Foshan,Guangdong 528000Abstract:In this paper,the effects of different amounts of fly ash and mineral powder on the fluidity,bleeding and mechanical propertiesof pre-stressed duct grouting materials are studied.The research shows that the addition of fly ash can greatly improve the fluidity of thegrouting material,and the appropriate addition of mineral powder can greatly improve the mechanical properties and bleeding properties of thegrouting material.When the ratio of fly ash and mineral powder is 3:2,and the overall content is 30%,the fly ash-mineral powder basedprestressed duct grouting material with excellent fluidity,bleeding,compactness and mechanical properties can be prepared.Key words:Prestressed duct grouting materials;Fly ash;Mineral powder;Mobility;Hydrophobicity;Mechanical property0引言随着对桥梁强度、耐久性等要求日渐提高，后张法预应力技术的应用也日益增多。预应力孔道压浆料是由水泥、矿物掺合料搭配多种外加剂混合而成，在桥梁结构中主要起包裹保护预应力筋的作用，提高预应力结构的耐久性，同时，连接预应力筋与主体混凝土，以保证结构的整体性及强度1-4。因此，压浆料在具备良好的力学性能的同时，需具备优异的流动性、充盈性、微膨胀等。传统的预应力孔道压浆料普遍存在以下问题：浆体流动性欠佳，流动损失较快，孔道难以达到饱满状态，对预应力筋包裹不密实；浆体保水性不好，容易泌水沉底，影响材料强度及孔道填充密实性；浆体凝结后易产生自收缩及微裂缝，影响结构强度及耐久性5。有研究表明，矿物掺合料的掺人可有效改善预应力孔道压浆料的性能，粉煤灰的掺人有利于提高流动性，矿粉、硅灰的掺人可有效改善其泌水性、保水性，石灰石粉的掺人可改善其致密性，矿物掺合料的适当复掺对压浆料性能的提升更为显著6-9。作者简介：谢宇尚（198 0-），男，广州花都人，硕士，工程师，主要研究方向为道路与桥梁工程。通信作者：舒本安（1992-），男，安徽安庆人，博士，工程师，主要研究方向为新型建筑材料。基金项目：交通运输行业重点科技项目特大跨径宽幅钢-UHPC轻型化组合箱梁斜拉桥关键技术研究及应用（项目编号：2 0 2 0-MS1-003)。本文根据JTG/T36502020公路桥涵施工技术规范对预应力孔道压浆料的性能及测试方法要求，研究粉煤灰、矿粉对压浆料关键性能的影响，得到粉煤灰、矿粉最优掺量，并配合一定的外加剂，研究制备得到工作性能、力学性能优异的粉煤灰-矿粉基预应力孔道压浆料。1原材料（1）水泥。广东某水泥厂生产的P042.5R水泥，3d抗压强度为2 6.4MPa，2 8 d 抗压强度为46.7 MPa。（2）粉煤灰。广东珠海市某发电厂I级粉煤灰，需水量比93%，烧失量3.2%，2 8 d活性指数8 8%。（3）矿粉。广东某材料公司生产的S95级矿粉，流动度比101%，2 8 d 活性指数98%。（4）外加剂。广东某外加剂公司生产的减水剂、消泡剂、塑性膨胀剂、稳定剂。2试验方法根据JTG/T36502020公路桥涵施工技术规范对预应力孔道压浆料的性能要求，开展相关试验。（1）搅拌方法。按照JTG/T36502020公路桥涵施工技术规范的规定进行搅拌。（2）工作性能。按照JTG34202020公路工程水泥及水泥混凝土试验规程进行流动度、压力泌水率测试。（3）力学性能。按照GB/T176712021水泥胶砂强度检验方法（ISO法）进行测试。（4）试验过程中，外加剂在压浆料中约占1%，减水剂、消泡剂、塑性膨胀剂、稳定剂相对含量分别为40：5：8：1，根据水泥、752023年5月试验与研究江西建材粉煤灰、矿粉掺量的改变，对外加剂各组分相对含量作微小调整。3粉煤灰、矿粉对预应力孔道压浆料性能的影响研究不同掺量粉煤灰、矿粉对压浆料性能的影响如表1、表2所示。表1不同掺量粉煤灰对压浆料性能的影响粉煤灰流动度/s压力泌水率/%抗压强度/MPa抗折强度/MPa掺量/%初始30min1h0.22MPa0.36MPa3d7d28d3d7d28d016.819.323.61.01.836.857.278.18.811.613.21016.318.722.50.81.335.556.077.38.411.012.72015.618.021.10.51.034.254.975.87.810.212.13014.516.919.40.71.332.753.573.17.29.311.34013.215.717.81.21.928.649.769.66.17.910.25012.314.616.11.93.023.445.165.54.66.58.6表2不同掺量矿粉对压浆料性能的影响矿粉流动度/s压力泌水率1%抗压强度/MPa抗折强度/MPa掺量/%初始30min1h0.22MPa0.36MPa3d7d28d3d7d28d016.819.323.61.01.836.857.278.18.811.613.21016.318.823.10.51.038.762.584.39.612.214.52016.118.622.90.20.542.071.491.811.113.816.73017.220.324.50.10.243.674.993.211.514.517.54018.522.127.00.00.142.471.889.710.713.917.05020.324.830.70.00.039.367.685.99.613.116.43.1粉煤灰、矿粉对压浆料流动性的影响由表1、表2 可知，粉煤灰和适量矿粉的掺人能有效提高压浆料的流动性能。随着粉煤灰掺量的增加，压浆料流动性呈提高趋势。掺量为30%时，压浆料的初始、30 min、1h 流动度均减小至16 s、17 s、2 0 s 以内，且具备优异的流动性能。随着矿粉掺量的增加，压浆料流动性先提高后降低。在矿粉掺量为0 2 0%时，随着掺量的增加，压浆料流动性逐渐提高；在矿粉掺量为2 0%50%时，随着掺量的增加，压浆料流动性逐渐降低，掺量为30%时，压浆料的初始、30 min、1h 流动度分别为17.2 s、2 0.3s、2 4.5s，流动性已不能满足规范要求。3.2粉煤灰、矿粉对浆液泌水性的影响粉煤灰、矿粉能有效提高压浆料的泌水性能。随着粉煤灰掺量的增加，压浆料的泌水性能先提高后降低。在粉煤灰掺量为0 2 0%时，随着掺量的增加，压浆料的压力泌水率逐渐减小。掺量为2 0%时，压浆料在0.2 2 MPa、0.36 M Pa 压力下的泌水率分别从初始的1.0%、1.8%减小至0.5%、1.0%；在粉煤灰掺量为2 0%50%时，随着掺量的增加，压浆料的压力泌水率逐渐增大；掺量为50%时，压浆料在0.2 2 MPa、0.36 M Pa 压力下的泌水率分别为1.9%、3.0%，泌水性能已不能满足规范要求。随着矿粉掺量的增加，压浆料的泌水性能逐渐提高。掺量为30%时，压浆料在0.2 2 MPa、0.36 M Pa 压力下的泌水率分别减小至0.1%、0.2%；掺量为50%时，压浆料在0.2 2 MPa、0.36 M Pa压力下的泌水率均降低为0。3.3粉煤灰、矿粉对压学性能的影响粉煤灰的掺人会降低压浆料的抗折强度，适当矿粉的掺入可有效提高压浆料的抗折强度。粉煤灰的掺人会降低压浆料的抗压强度，适当矿粉的掺人可提高压浆料的抗压强度。随着粉煤灰掺量的增加，压浆料抗折强度呈降低的趋势。掺量为40%时，压浆料的3d、7 d、2 8 d 抗折强度分别为6.1MPa、7.9MPa、10.2 M Pa，2 8 d 抗折强度已接近规范的限值；随着粉煤灰掺量的增加，压浆料抗压强度呈降低的趋势。其掺量为50%时，压浆料的3d、7 d、2 8 d 抗压强度分别从初始的36.8 MPa、57.2MPa、7 8.1M Pa 降低至2 3.4MPa、45.1M Pa、6 5.5M Pa。随着矿粉掺量的增加，压浆料抗折强度、抗压强度均呈先提高后降低。在矿粉掺量为0 30%时，随着掺量的增加，压浆料的抗折、抗压强度逐渐提高。矿粉掺量为30%时，压浆料的3d、7 d、2 8 d 抗折强度分别从初始的8.8 MPa、11.6 M Pa、13.2MPa提高至11.5MPa、14.5M Pa、17.5M Pa；压浆料的3d、7 d、28d抗压强度分别从初始的36.8 MPa、57.2 M Pa、7 8.1M Pa 提高至43.6MPa、7 4.9M Pa、93.2 M Pa。在矿粉掺量为30%50%时，随着掺量的增加，压浆料的抗折、抗压强度有所降低。基于上述试验与分析，得到以下结论：（1）粉煤灰的掺人有利于制备得到粉煤灰基高流动性预应力孔道压浆料，在满足泌水性及力学性能的同时，若优先考虑流动性，建议其最优掺量为30%。（2）矿粉的掺人有利于制备得到矿粉基高强预应力孔道压浆料，在满足泌水性及流动性的同时，若优先考虑力学性能，建议最优掺量为2 0%4粉煤灰矿粉及性能研究本章对粉煤灰-矿粉基预应力孔道压浆料进行试验与分析，研究矿物掺合料取代率为0、10%、2 0%、30%、40%、50%时，对预应力孔道压浆料流动性、泌水性、力学性能的影响。根据单掺粉煤灰、矿粉对预应力孔道压浆料性能的影响结果，粉煤灰与矿粉的比例取3：2。不同掺量矿物掺合料对压浆料性能的影响如表3所示。表3不同掺量矿物掺合料对压浆料性能的影响矿物掺合流动度/s压力泌水率/%抗压强度/MPa抗折强度/MPa料掺量/%初始30min1h0.22MPa0.36MPa3d7d28d3d7d28d016.819.323.61.01.836.857.278.18.811.613.21016.418.722.60.71.238.961.782.69.512.414.02016.117.921.30.50.841.465.586.910.213.315.33015.817.320.40.30.542.367.388.810.513.715.94015.617.019.80.20.341.265.086.59.912.815.05015.516.619.50.10.238.560.980.68.511.313.5762023年5月试验与研究江西建材4.1粉煤灰、矿粉复掺对压浆料流动性的影响表3显示，粉煤灰和矿粉的复掺能有效提高压浆料的流动性能。随着矿物掺合料掺量的增加，压浆料流动性呈提高的趋势，掺量为40%时，压浆料的初始、30 min、1h 流动度分别从16.8s、19.3s、2 3.6 s 减小至15.6 s、17.0 s、19.8 s，压浆料流动性能优异。4.2粉煤灰、矿粉复掺对压浆料浆液泌水性的影响表3显示，粉煤灰和矿粉的复掺能有效提高压浆料的泌水性能。随着矿物掺合料掺量的增加，压浆料的泌水性能逐渐提高。掺量为2 0%时，压浆料在0.2 2 MPa、0.36 M Pa 压力下的泌水率分别从初始的1.0%、1.8%减小至0.5%、0.8%；掺量为50%时，压浆料在0.2 2 MPa、0.36 M Pa 压力下的泌水率分别减小至0.1%、0.2%，趋近于0。4.3粉煤灰、矿粉对压浆料力学性能的影响表3显示，粉煤灰和矿粉的复掺可有助于提高压浆料的抗压抗折强度。随着矿物掺合料掺量的增加，压浆料抗折、抗压强度先提高后降低。在矿物掺合料掺量为0 30%时，随着掺量的增加，压浆料的抗折、抗压强度逐渐提高。矿物掺合料掺量为30%时，压浆料的3d、7 d、2 8 d 抗折强度分别从初始的8.8MPa、11.6 M Pa、13.2 M Pa 提高至10.5MPa、13.7 M Pa、15.9M Pa;压浆料的3d、7 d、2 8 d 抗压强度分别从初始的36.8 MPa、57.2MPa、7 8.1M Pa 提高至42.3MPa、6 7.3M Pa、8 8.8 M Pa。在矿物掺合料掺量为30%50%时，随着掺量的增加，压浆料的抗折强度、抗压强度有所降低，且掺量越大降低越明显。4.4粉煤灰矿粉基预应力孔道压浆料SEM结果分析粉煤灰、矿粉以3：2 的比例复掺，矿物掺合料掺量为30%的情况下，2 8 d水化产物的SEM形貌如图1所示。(a)500C-S-HAFtFlyash(b)5000图1粉煤灰-矿粉基预应力孔道压浆料28d龄期水化产物的SEM形貌从图1（a）可知，粉煤灰-矿粉基预应力孔道压浆料具有密实的微观形貌，无明显孔洞、裂纹等缺陷；从图1（b）可知，粉煤灰-矿粉基预应力孔道压浆料水化反应生成了大量水化硅酸钙凝胶及钙矾石，粉煤灰表面附着大量水化硅酸钙凝胶及钙矾石，说明其发生了二次水化反应，因此，粉煤灰-矿粉基预应力孔道压浆料具有良好的强度与密实性。5结论（1）粉煤灰的掺入可大幅度提高压浆料的流动性，但会降低压浆料的力学性能，并且掺入量过高会影响压浆料的泌水性，为保证压浆料具有良好的力学性能和泌水性，建议掺量不超过30%。（2）矿粉的适当掺人可大幅度提高压浆料的力学性能和泌水性，尤其对7 d、2 8 d 抗压抗折强度有明显的提升效果，但掺人量过大会影响压浆料的流动性能，建议其掺量不超过2 0%。（3）单掺粉煤灰的情况下，在满足泌水性及力学性能的同时，若优先考虑流动性，建议最优掺量为30%；单掺矿粉的情况下，在满足泌水性及流动性的同时，若优先考虑力学性能，建议其最优掺量为2 0%。（4）粉煤灰、矿粉在3:2 的比例复掺情况下，矿物掺合料的最佳掺量为30%，可制备得到流动性、泌水性、力学性能均优异的粉煤灰-矿粉基预应力孔道压浆料，其相关性能远高于JTG/T36502020公路桥涵施工技术规范对预应力孔道压浆料的性能要求，且具备密实的微观形貌。参考文献1 Jan Christopher Hesse,Markus Schedel,Ralf Diedel,Ingo Sass.Influence of swelling and non-swelling clays on the thermal propertiesof grouting materials for borehole heat exchangers J.Applied ClayScience,2021（2 10):10 6-154.2Zhou S,Yang Z,Zhang R,et al.Preparation,characterization andrheological analysis of eco-friendly road geopolymer grouting materialsbased on volcanic ash and metakaolin J.Journal of CleanerProduction，2 0 2 1,312（12):12 7 8 2 2.3陈凌伟.预应力混凝土梁施工技术的应用J.江西建材，2 0 2 2(5):141-142.4弓张丹丹，谢记鑫.压浆材料中氯离子检测方法探讨J.江西建材,2 0 19（5)：38,40.【5方喜生，陈鹏，陈茜，等.预应力压浆料流动度保持及耐久性能研究J】.建材世界，2 0 2 2,43（2）：2 3-2 5.【6】周涛，谢雷.粉煤灰在混凝土中应用的现状及展望【J】.江西建材,2 0 2 2(3):9-11.7朱文成，覃金忠.混凝土中粉煤灰与矿粉双掺的应用J.江西建材,2 0 19（7)：30-31.8 Sha,Fei,Li,et al.Experimental study on performance of cement-based grouts admixed with fly ash,bentonite,superplasticizer andwater glass J.Construction&Building Materials,2018（10):282-291.9 Xiang J,Liu L,Cui X,et al.Effect of limestone on rheological,shrinkage and mechanical properties of alkali-Activated slag/fly ashgrouting materials J.Construction and Building Materials,2018(191):1285-1292.