國外預(yù)填骨料混凝土簡介
2005-07-01 00:00
摘 要：預(yù)填骨料混凝土就是先把粗骨料填在模板中，然后注射水泥砂漿來填滿空隙(水泥砂漿中一般都摻有外加劑) ，國外也稱“灌漿骨料混凝土”或“注射骨料混凝土”。這種混凝土在下列工程中應(yīng)用效果很好：水下施工：在鋼筋密集的地方澆筑混凝土：在緊靠頂部的空穴中施工：修補(bǔ)承受應(yīng)力的混凝土和磚石砌體：高密度的重混凝土：高度很大的整體斷面(一般要求混凝土的體積變化較少) 。
關(guān)鍵詞： 預(yù)填骨料； 水泥砂漿； 外加劑； 體積變化
1 前言
用預(yù)填骨料法生產(chǎn)混凝土是美國工程師在1937年修復(fù)加里福尼亞州的圣菲(Santa Fe) 鐵路隧道工程期間想出來的。在拱頂區(qū)混凝土灌漿時(shí)，施工人員在灌漿前用粗骨料填塞較大的間隙，用以減少水泥砂漿的耗用量。下一步自然就是在要重新澆筑混凝土的地方，在模板中鋪設(shè)級(jí)配骨料，并在骨料中灌漿。所得的混凝土證明是很有前途的。
起初由于缺乏使用經(jīng)驗(yàn)，預(yù)填骨料混凝土的用途僅限于修補(bǔ)橋梁和隧道里襯。經(jīng)過廣泛的試驗(yàn)，美國農(nóng)墾局在胡佛壩(Hoover Dam) 的溢洪道上回填了大面積的沖刷區(qū)，其工程量為34 m(長) ×10 m(寬) ，深度達(dá)11 m。另一項(xiàng)大工程是1964 年在美國科羅拉多州尼德蘭(Nederland) 的巴克壩(Barker Dam) 迎水面的擴(kuò)建工程，在52 m 高的壩上重做面層，就要在壩的前面1.8m 左右處錨固預(yù)制混凝土板，在冬季水庫的枯水期用粗骨料填滿1.8m 的間隙，第二年春季的水庫豐水期，10d 之內(nèi)連續(xù)泵送作業(yè)，把骨料灌滿漿。
這項(xiàng)工程證明此方法可用于大型的工程項(xiàng)目。1951 年美國陸軍工兵部隊(duì)開始允許在渦輪機(jī)的渦殼和其他結(jié)構(gòu)中使用預(yù)填骨料混凝土。1954～1955 年間在馬克基納克(Mackinac) 大橋34個(gè)橋墩的施工中，使用了380000m3預(yù)填骨料混凝土。1950 年日本的工程公司購買了這種方法的使用權(quán)，建造了一些橋墩。到了20 世紀(jì)70 年代，日本的本州—四國橋梁管理局進(jìn)行了廣泛的研究，在大型橋梁的施工中達(dá)到了頂點(diǎn)。
澳大利亞的雪山管理局在其水電站工程中，用預(yù)填骨料混凝土填充了渦輪機(jī)的渦殼和尾水管。在核反應(yīng)堆和X 射線設(shè)備的周圍澆筑生物防護(hù)屏蔽中，也廣泛使用了這種方法。
2 預(yù)填骨料混凝土的性能
預(yù)填骨料混凝土與普通混凝土的不同之處，就在于前者的粗骨料百分率較高。因?yàn)榇止橇鲜侵苯犹钤谀０逯械模止橇现g是點(diǎn)對點(diǎn)接觸，而不是包含在流動(dòng)性的塑性拌和物中，所以預(yù)填骨料混凝土的性能更加取決于粗骨料。其彈性模量略高于普通混凝土，而干縮率則低于普通混凝土的一半。
2. 1 抗壓強(qiáng)度
預(yù)填骨料混凝土的強(qiáng)度取決于材料的質(zhì)量、比例和處理的情況。28 d 或90 d 的抗壓強(qiáng)度可達(dá)41MPa ，取決于水- 膠結(jié)料比，這是很容易達(dá)到的。90d抗壓強(qiáng)度為62 MPa 和1年的抗壓強(qiáng)度為90MPa已有報(bào)道?？磥硗ㄟ^采用高效減水劑、硅灰和其他外加劑，其抗壓強(qiáng)度還能提高。
2. 2 粘結(jié)力
預(yù)填骨料混凝土對原有的表面粗糙的混凝土之粘結(jié)力是極好的。原因?yàn)? (1) 用于固結(jié)預(yù)填骨料的砂漿貫入到不規(guī)則的表面和空隙中，建立了初期的粘結(jié)力： (2) 在可能發(fā)生干燥的地方，預(yù)填骨料混凝土的干縮率較少，從而把面際應(yīng)力減少到最低限度。據(jù)尚未公開發(fā)表的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，緊貼著普通混凝土澆筑的預(yù)填骨料混凝土之?dāng)嗔涯Ａ?抗彎強(qiáng)度) ，比舊混凝土的整澆梁高80 %。從一種混凝土粘結(jié)在另一種混凝土中鉆取了無數(shù)次芯樣，并進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，幾乎總是在界面的一邊或另一邊破壞，而不是在粘結(jié)面上破壞。
2. 3 耐久性
許多年來在預(yù)填骨料混凝土的生產(chǎn)中，除了木質(zhì)素和砂漿的液化劑之外，從來不用加氣劑。然而用于修補(bǔ)的預(yù)填骨料混凝土(通常暴露在惡劣的氣候環(huán)境中) ，證明其耐久性是極好的。一個(gè)典型的實(shí)例是在美國賓夕法尼亞州伊利市( Erie) 西大街第六高架橋的柱子，修補(bǔ)前損壞嚴(yán)重，而修補(bǔ)后26 年仍完好無損。另一實(shí)例是在美國賓夕法尼亞州匹茲堡市上游的莫諾加哈拉(Monongahela) 河上，有一道閘墻是用預(yù)填骨料混凝土重做面層的，在35 年齡期時(shí)，從很低的上游低水位到閘墻的頂上，混凝土的目測情況良好。
然而美國陸軍工兵部隊(duì)的水道試驗(yàn)站實(shí)驗(yàn)室，對預(yù)填骨料混凝土進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，結(jié)果表明，為了同普通的加氣混凝土具有同樣的耐久性，加氣處理是必要的。美國陸軍工兵部隊(duì)對比預(yù)填骨料混凝土的現(xiàn)行規(guī)范，要求在灌漿混合完成后15 min ，根據(jù)美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM) 的C230 規(guī)程測量的含氣量為(9±1) %。
2. 4 水化熱的控制
在必須考慮水化熱的地方，預(yù)填骨料混凝土非常適合于冷卻模板中的骨料。于是采用冷卻的砂漿(現(xiàn)場的初溫低達(dá)4.5～7.0℃) 是很容易達(dá)到的。
2. 5 密集的鋼筋
預(yù)填骨料混凝土的施工方法特別適用于鋼筋間距很小，不能插入振搗器的地方，如果采用普通混凝土，即使摻有高效減水劑也必須使用振搗器，因?yàn)榇止橇鲜嵌栊缘?，?dāng)模板圍著鋼筋架立起來時(shí)即可填入骨料，而灌漿則仍可進(jìn)行。當(dāng)骨料填好時(shí)，即可灌筑成一個(gè)整體的預(yù)填骨料混凝土構(gòu)件。
2. 6 高(重) 密度混凝土
預(yù)先填入重的粗骨料，即可避免離析的危險(xiǎn)。砂漿中也可采用重的細(xì)骨料。
2. 7 整體澆筑
整體澆筑高度的唯一限制就是包圍預(yù)填骨料所需要的模板強(qiáng)度。這也是從灌漿作業(yè)開始到結(jié)束，連續(xù)泵送稀漿和混合骨料所需要的。
2. 8 暴露的骨料表面
預(yù)填骨料混凝土的粗骨料是預(yù)先填在模板中的，所得混凝土的粗骨料百分率同用普通方法澆筑的混凝土相比較，前者的粗骨料要多70%左右。如果表面的砂漿在強(qiáng)度不高時(shí)就去掉，或是在模板拆除后進(jìn)行噴砂處理，大約有25%以上的粗骨料可以暴露出來。這種方法已被用來提供優(yōu)美的建筑裝飾。
3 預(yù)填骨料混凝土的材料
3. 1 粗骨料
粗骨料應(yīng)為清潔的碎石或天然礫石，表面沒有灰塵和細(xì)末，其細(xì)度范圍應(yīng)在表1 的規(guī)定之內(nèi)。為了經(jīng)濟(jì)節(jié)約和使溫度的升高為最少，粗骨料的空隙率應(yīng)盡可能小。一般說來，當(dāng)粗骨料的級(jí)配從最小到最大的允許粒徑符合于斷面厚度和鋼筋間距的常用范圍，最小空隙率就達(dá)到了。
在大體積混凝土中，粗骨料最大粒徑的唯一限制就是在施工中的經(jīng)濟(jì)性。粗骨料的最小粒徑?jīng)Q定了砂漿必須通過的空隙尺寸。因此，粗骨料的最小粒徑和細(xì)骨料的最大粒徑是互相關(guān)聯(lián)的。表1中的級(jí)配1或級(jí)配2 粗骨料通常用于美洲和亞洲國家。一般說來，通過19mm篩孔的不大于10% ，通過12.5mm 篩孔的為0～2 %(級(jí)配2) 。有大量鋼筋密集的地方，或是在較淺的溝槽中鋪填， 通過12. 5 mm 篩孔的最小10% ，小于9.5 mm 的不大于2%(級(jí)配1) 。這些級(jí)配并非總是可用的，也可能需要特殊的方法。
粒徑在19 mm 與150～200 mm 之間、級(jí)配良好的粗骨料，其空隙率為35 %左右，而粒徑均勻的粗骨料之空隙率高達(dá)50 %。一半骨料的粒徑為12～38mm ，另一半骨料的粒徑為200～250 mm ，用這種間斷級(jí)配進(jìn)行試驗(yàn)，空隙率可低達(dá)25 %。
在某些歐洲國家，通常的做法是用最小粒徑為37. 5 mm 或更大的粗骨料，以便使細(xì)骨料更接近于普通混凝土所用的粒徑。也有這樣的情況，即勞動(dòng)力很便宜，可用人工選取和鋪填粗骨料。在這種情況下可用表1中的級(jí)配3粗骨料。
3. 2 細(xì)骨料
天然砂或人工砂都可使用，但應(yīng)是堅(jiān)硬、密實(shí)、耐久、清潔的巖石顆粒。并應(yīng)符合表1中的級(jí)配要求。
3. 3 水泥
任何非加氣型水泥均可用于制備砂漿。加氣水泥同形成氣泡的液化劑一起使用，會(huì)造成含氣量過多，從而影響其強(qiáng)度。為了提高凍- 融耐久性而需要加氣的地方，加氣劑應(yīng)單獨(dú)加入。劑量由試驗(yàn)確定，并用實(shí)際試驗(yàn)予以核實(shí)，以求現(xiàn)場砂漿的含氣量。關(guān)于水硬性混合水泥的使用，尚無數(shù)據(jù)可供利用。
3. 4 火山灰
F 級(jí)或N 級(jí)粉煤灰和天然火山灰均可使用。F級(jí)粉煤灰已在許多工程中使用了，因其能提高液態(tài)砂漿的可泵性和延長砂漿的適用時(shí)間?；鹕交覟轭A(yù)填骨料混凝土提供的性能，同普通混凝土是一樣的。C 級(jí)粉煤灰和高爐礦渣也有少量使用，但是關(guān)于砂漿的配合比、性能和施工經(jīng)驗(yàn)尚缺乏資料。在預(yù)填骨料混凝土的砂漿中使用硅灰的資料也還沒有。
3. 5 砂漿液化劑
砂漿液化劑常用于砂漿中以防止泌水的影響，這種泌水往往發(fā)生在粗骨料顆粒的下面。砂漿液化劑還能降低水- 膠結(jié)料比，以提供需要的流動(dòng)度，并能延遲硬化，以便在拌和- 泵送循環(huán)和貫入粗骨料實(shí)體的空隙中提供較長的工作時(shí)間。砂漿液化劑通常是市場上購買的混合材料，由減水劑、懸浮劑、鋁粉和一種化學(xué)緩沖劑所組成，用以保證硅酸鹽水泥中的堿金屬同鋁粉發(fā)生適當(dāng)?shù)亩〞r(shí)反應(yīng)。
鋁粉反應(yīng)產(chǎn)生氫氣，在砂漿液化時(shí)引起膨脹，并在硬化砂漿中留下微小的氣泡。鋁粉在反應(yīng)中消耗掉了，留下極少量的金屬鋁。砂漿液化劑的常規(guī)劑量為砂漿拌和物中的膠結(jié)料(水泥或水泥加火山灰) 總重量的1 %。
對于Na2O 當(dāng)量為0.8 %以上的水泥，試驗(yàn)室中1 %液化劑所產(chǎn)生的膨脹率多達(dá)7 %～ 14 %： 對于Na2O 當(dāng)量為0. 3 %以下的水泥，則其膨脹率可低達(dá)3%～5%。液化劑中鋁粉的種類和級(jí)別應(yīng)予選擇，以便使全部膨脹過程發(fā)生在4 h 之內(nèi)。細(xì)骨料- 膠結(jié)料比不符合液化劑質(zhì)量規(guī)定的現(xiàn)場拌和砂漿，膨脹時(shí)可能產(chǎn)生過多的泌水。泌水量不得大于膨脹量。現(xiàn)場要用工地材料求出泌水量和膨脹率。
在溫度低于4. 4 ℃時(shí)，砂漿中液化劑的膨脹作用就停止了。在大體積混凝土中，或是包圍在木模板中的預(yù)填骨料混凝土，在水泥水化時(shí)釋放的熱量會(huì)大大提高混凝土的內(nèi)部溫度，致使砂漿中的液化劑不能很好地發(fā)揮作用。所以說砂漿注入時(shí)的環(huán)境溫度應(yīng)高于4.4 ℃。
3. 6 加氣劑
加氣劑必須能提供凍- 融耐久性。然而使用時(shí)必須記住，硬化砂漿中的總含氣量是液化劑中鋁粉產(chǎn)生的氫氣和加氣劑產(chǎn)生的氣體之總和。如果總的含氣量對強(qiáng)度產(chǎn)生了不良的影響，那就得調(diào)整配合比，但其含氣量必須能保證足夠的耐久性。
3. 7 化學(xué)外加劑
在特殊情況下可考慮采用化學(xué)外加劑。例如一種D型減水和緩凝劑(木質(zhì)磺酸鈣) ，已成功地用于工廠拌和的“無收縮”砂漿，把液態(tài)砂漿的硬化時(shí)間從15min 延長到60 min。工程中使用的材料最好預(yù)先進(jìn)行全面試驗(yàn)。
3. 8 樹脂系砂漿
如果挨著舊混凝土澆筑，在要求粘結(jié)強(qiáng)度與混凝土的強(qiáng)度相等，而且早期強(qiáng)度要求較高的地方，可采用雙組份的環(huán)氧樹脂。最佳的配方應(yīng)具有較少的放熱量和較低的粘滯度，而且適用期不少于30 min。環(huán)氧樹脂硬化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，為了防止蒸氣的產(chǎn)生，預(yù)填骨料必須是完全干燥的。
在表面修補(bǔ)時(shí)要把厚度限制到50 mm 左右，或是在大體積混凝土中安裝循環(huán)水管，以便排除所產(chǎn)生的熱量，這在某種程度上可以減輕其他的熱效應(yīng)。用一種壓縮的或液態(tài)氣體(如液氮) 來冷卻現(xiàn)場的骨料，也有助于降低所產(chǎn)生的熱量。
4 配合比的要求
為了獲得最佳結(jié)果，泌水量應(yīng)小于0. 5 % ，但是在任何情況下膨脹率應(yīng)超過現(xiàn)場溫度時(shí)的泌水率。不推薦只試驗(yàn)砂漿立方體或圓柱體來計(jì)算預(yù)填骨料混凝土的強(qiáng)度，因?yàn)檫@種試驗(yàn)沒有說明泌水的不利影響，而這種試驗(yàn)可對砂漿拌和物的潛在性能提供有用資料。
4. 1 細(xì)骨料
抗壓強(qiáng)度、可泵性和對空隙貫穿能力的要求，限制了砂漿中所用細(xì)骨料(砂子) 的數(shù)量。對于梁、柱和薄壁構(gòu)件中的預(yù)填骨料混凝土，其膠結(jié)料與砂子的重量比通常為1∶1 (級(jí)配1) 。對于大體積混凝土構(gòu)件，粗骨料的最小公稱粒徑為19 mm ，其灰砂比可提高到1∶1. 5 。用級(jí)配3 的骨料和泵送砂漿的相應(yīng)設(shè)備，膠結(jié)料與砂子的比例可提高到1∶3 。
4. 2 膠結(jié)料
火山灰與硅酸鹽水泥的比例通常為重量的20 %～30 %。水泥用量較多的富拌和物為預(yù)填骨料混凝土所提供的抗壓強(qiáng)度，與膠結(jié)料比例相同的普通混凝土不相上下。水泥用量較少的貧拌和物所提供的60～90 d 抗壓強(qiáng)度，通常與膠結(jié)料比例相同的普通混凝土28 d 的抗壓強(qiáng)度相等。對于大體積的貧混凝土(水化熱較少) ，其火山灰與水泥之比率可高達(dá)40 %：對與超高強(qiáng)混凝土之比率則低達(dá)10 %。偶爾也有完全不用火山灰的。
5 砂漿的稠度
當(dāng)采用100 %通過8 # 篩網(wǎng)(2.36 mm) 的細(xì)骨料時(shí)，例如表1 中的級(jí)配1 和級(jí)配2 ，可用圖1 所示的流動(dòng)度錐體來確定砂漿的稠度。試驗(yàn)方法就是把1725mL的砂漿注入一個(gè)漏斗中，下面有一根<12.7 mm 的卸料管，并觀測砂漿流出的時(shí)間。水的流出時(shí)間為(8.0 ±0. 2) s。對于大多數(shù)工程來說，例如墻體和結(jié)構(gòu)修補(bǔ)，砂漿的流出時(shí)間為(22 ±2)s時(shí)，一般就能滿足要求。
對于大體積構(gòu)件和水下工程，粗骨料的上限粒徑很大，最好是用流出時(shí)間為18～26 s 的稠度。在強(qiáng)度要求較高和施工要求特別小心的地方，已用過的砂漿流出時(shí)間可長達(dá)35～40 s。當(dāng)采用級(jí)配3 的細(xì)骨料時(shí)就不能用流動(dòng)度錐體了，要用流動(dòng)度試驗(yàn)臺(tái)或其他設(shè)施來測定適當(dāng)?shù)某矶?，以便砂漿能充分流進(jìn)粗骨料的空隙中。如果采用美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)的C230 規(guī)程中所述的流動(dòng)度試驗(yàn)臺(tái)，在3 s 內(nèi)落下5 滴后，測定的流動(dòng)度約為150 % ，所得砂漿就能流進(jìn)預(yù)填骨料的空隙中。
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