國外預填骨料混凝土簡介
2005-07-01 00:00
摘 要：預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：修補承受應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) 。
關鍵詞： 預填骨料； 水泥砂漿； 外加劑； 體積變化
1 前言
用預填骨料法生產(chǎn)混凝土是美國工程師在1937年修復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，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，在模板中鋪設級配骨料，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，預填骨料混凝土的用途僅限于修補橋梁和隧道里襯。經(jīng)過廣泛的試驗，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11 m。另一項大工程是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 之內連續(xù)泵送作業(yè)，把骨料灌滿漿。
這項工程證明此方法可用于大型的工程項目。1951 年美國陸軍工兵部隊開始允許在渦輪機的渦殼和其他結構中使用預填骨料混凝土。1954～1955 年間在馬克基納克(Mackinac) 大橋34個橋墩的施工中，使用了380000m3預填骨料混凝土。1950 年日本的工程公司購買了這種方法的使用權，建造了一些橋墩。到了20 世紀70 年代，日本的本州—四國橋梁管理局進行了廣泛的研究，在大型橋梁的施工中達到了頂點。
澳大利亞的雪山管理局在其水電站工程中，用預填骨料混凝土填充了渦輪機的渦殼和尾水管。在核反應堆和X 射線設備的周圍澆筑生物防護屏蔽中，也廣泛使用了這種方法。
2 預填骨料混凝土的性能
預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。因為粗骨料是直接填在模板中的，粗骨料之間是點對點接觸，而不是包含在流動性的塑性拌和物中，所以預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 抗壓強度
預填骨料混凝土的強度取決于材料的質量、比例和處理的情況。28 d 或90 d 的抗壓強度可達41MPa ，取決于水- 膠結料比，這是很容易達到的。90d抗壓強度為62 MPa 和1年的抗壓強度為90MPa已有報道。看來通過采用高效減水劑、硅灰和其他外加劑，其抗壓強度還能提高。
2. 2 粘結力
預填骨料混凝土對原有的表面粗糙的混凝土之粘結力是極好的。原因為: (1) 用于固結預填骨料的砂漿貫入到不規(guī)則的表面和空隙中，建立了初期的粘結力： (2) 在可能發(fā)生干燥的地方，預填骨料混凝土的干縮率較少，從而把面際應力減少到最低限度。據(jù)尚未公開發(fā)表的試驗數(shù)據(jù)，緊貼著普通混凝土澆筑的預填骨料混凝土之斷裂模量(抗彎強度) ，比舊混凝土的整澆梁高80 %。從一種混凝土粘結在另一種混凝土中鉆取了無數(shù)次芯樣，并進行了彎曲試驗，幾乎總是在界面的一邊或另一邊破壞，而不是在粘結面上破壞。
2. 3 耐久性
許多年來在預填骨料混凝土的生產(chǎn)中，除了木質素和砂漿的液化劑之外，從來不用加氣劑。然而用于修補的預填骨料混凝土(通常暴露在惡劣的氣候環(huán)境中) ，證明其耐久性是極好的。一個典型的實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，修補前損壞嚴重，而修補后26 年仍完好無損。另一實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，有一道閘墻是用預填骨料混凝土重做面層的，在35 年齡期時，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的水道試驗站實驗室，對預填骨料混凝土進行了一系列的試驗，結果表明，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。美國陸軍工兵部隊對比預填骨料混凝土的現(xiàn)行規(guī)范，要求在灌漿混合完成后15 min ，根據(jù)美國材料試驗學會(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4.5～7.0℃) 是很容易達到的。
2. 5 密集的鋼筋
預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，因為粗骨料是惰性的，當模板圍著鋼筋架立起來時即可填入骨料，而灌漿則仍可進行。當骨料填好時，即可灌筑成一個整體的預填骨料混凝土構件。
2. 6 高(重) 密度混凝土
預先填入重的粗骨料，即可避免離析的危險。砂漿中也可采用重的細骨料。
2. 7 整體澆筑
整體澆筑高度的唯一限制就是包圍預填骨料所需要的模板強度。這也是從灌漿作業(yè)開始到結束，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
預填骨料混凝土的粗骨料是預先填在模板中的，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度不高時就去掉，或是在模板拆除后進行噴砂處理，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 預填骨料混凝土的材料
3. 1 粗骨料
粗骨料應為清潔的碎石或天然礫石，表面沒有灰塵和細末，其細度范圍應在表1 的規(guī)定之內。為了經(jīng)濟節(jié)約和使溫度的升高為最少，粗骨料的空隙率應盡可能小。一般說來，當粗骨料的級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骨料的最大粒徑是互相關聯(lián)的。表1中的級配1或級配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%(級配1) 。這些級配并非總是可用的，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 ，用這種間斷級配進行試驗，空隙率可低達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中的級配3粗骨料。
3. 2 細骨料
天然砂或人工砂都可使用，但應是堅硬、密實、耐久、清潔的巖石顆粒。并應符合表1中的級配要求。
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，會造成含氣量過多，從而影響其強度。為了提高凍- 融耐久性而需要加氣的地方，加氣劑應單獨加入。劑量由試驗確定，并用實際試驗予以核實，以求現(xiàn)場砂漿的含氣量。關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 級或N 級粉煤灰和天然火山灰均可使用。F級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間。火山灰為預填骨料混凝土提供的性能，同普通混凝土是一樣的。C 級粉煤灰和高爐礦渣也有少量使用，但是關于砂漿的配合比、性能和施工經(jīng)驗尚缺乏資料。在預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- 膠結料比，以提供需要的流動度，并能延遲硬化，以便在拌和- 泵送循環(huán)和貫入粗骨料實體的空隙中提供較長的工作時間。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?shù)亩〞r反應。
鋁粉反應產(chǎn)生氫氣，在砂漿液化時引起膨脹，并在硬化砂漿中留下微小的氣泡。鋁粉在反應中消耗掉了，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料(水泥或水泥加火山灰) 總重量的1 %。
對于Na2O 當量為0.8 %以上的水泥，試驗室中1 %液化劑所產(chǎn)生的膨脹率多達7 %～ 14 %： 對于Na2O 當量為0. 3 %以下的水泥，則其膨脹率可低達3%～5%。液化劑中鋁粉的種類和級別應予選擇，以便使全部膨脹過程發(fā)生在4 h 之內。細骨料- 膠結料比不符合液化劑質量規(guī)定的現(xiàn)場拌和砂漿，膨脹時可能產(chǎn)生過多的泌水。泌水量不得大于膨脹量?，F(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，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填骨料混凝土，在水泥水化時釋放的熱量會大大提高混凝土的內部溫度，致使砂漿中的液化劑不能很好地發(fā)揮作用。所以說砂漿注入時的環(huán)境溫度應高于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度產(chǎn)生了不良的影響，那就得調整配合比，但其含氣量必須能保證足夠的耐久性。
3. 7 化學外加劑
在特殊情況下可考慮采用化學外加劑。例如一種D型減水和緩凝劑(木質磺酸鈣) ，已成功地用于工廠拌和的“無收縮”砂漿，把液態(tài)砂漿的硬化時間從15min 延長到60 min。工程中使用的材料最好預先進行全面試驗。
3. 8 樹脂系砂漿
如果挨著舊混凝土澆筑，在要求粘結強度與混凝土的強度相等，而且早期強度要求較高的地方，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)氧樹脂硬化時會產(chǎn)生大量的熱，為了防止蒸氣的產(chǎn)生，預填骨料必須是完全干燥的。
在表面修補時要把厚度限制到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。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
為了獲得最佳結果，泌水量應小于0. 5 % ，但是在任何情況下膨脹率應超過現(xiàn)場溫度時的泌水率。不推薦只試驗砂漿立方體或圓柱體來計算預填骨料混凝土的強度，因為這種試驗沒有說明泌水的不利影響，而這種試驗可對砂漿拌和物的潛在性能提供有用資料。
4. 1 細骨料
抗壓強度、可泵性和對空隙貫穿能力的要求，限制了砂漿中所用細骨料(砂子) 的數(shù)量。對于梁、柱和薄壁構件中的預填骨料混凝土，其膠結料與砂子的重量比通常為1∶1 (級配1) 。對于大體積混凝土構件，粗骨料的最小公稱粒徑為19 mm ，其灰砂比可提高到1∶1. 5 。用級配3 的骨料和泵送砂漿的相應設備，膠結料與砂子的比例可提高到1∶3 。
4. 2 膠結料
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填骨料混凝土所提供的抗壓強度，與膠結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 抗壓強度，通常與膠結料比例相同的普通混凝土28 d 的抗壓強度相等。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40 %：對與超高強混凝土之比率則低達10 %。偶爾也有完全不用火山灰的。
5 砂漿的稠度
當采用100 %通過8 # 篩網(wǎng)(2.36 mm) 的細骨料時，例如表1 中的級配1 和級配2 ，可用圖1 所示的流動度錐體來確定砂漿的稠度。試驗方法就是把1725mL的砂漿注入一個漏斗中，下面有一根<12.7 mm 的卸料管，并觀測砂漿流出的時間。水的流出時間為(8.0 ±0. 2) s。對于大多數(shù)工程來說，例如墻體和結構修補，砂漿的流出時間為(22 ±2)s時，一般就能滿足要求。
對于大體積構件和水下工程，粗骨料的上限粒徑很大，最好是用流出時間為18～26 s 的稠度。在強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間可長達35～40 s。當采用級配3 的細骨料時就不能用流動度錐體了，要用流動度試驗臺或其他設施來測定適當?shù)某矶龋员闵皾{能充分流進粗骨料的空隙中。如果采用美國材料試驗學會的C230 規(guī)程中所述的流動度試驗臺，在3 s 內落下5 滴后，測定的流動度約為150 % ，所得砂漿就能流進預填骨料的空隙中。
參考文獻：
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