预应力缓凝浆配合比及制浆工艺的研究与应用

胡安

摘要：在采用核电P·N水泥的前提下，通过试验确定其他原材料的种类和掺量，研制出符合灌浆技术要求的预应力浆体配合比；通过试验固化制浆工艺流程和过程参数，选出满足实际施工工况的制浆工艺。

关键字：预应力；配合比；制浆工艺；缓凝浆

1. 概述及背景

国内某核电站采用双层安全壳，其内壳为带钢衬里的后张拉预应力钢筋混凝土结构，分布有水平管、竖向管和Gamma管3种预应力管道。管道内贯穿有54根张拉钢束，需要灌注水泥浆以隔绝空气，避免氧化锈蚀影响性能。

2. 原材料选择

2.1水泥

采用华润漳平P·N水泥，无假凝，有害物质检测情况如下：

项目	Cl-	S2-	NO3-
指标	≤ 200mg/kg	100mg/kg	500mg/kg
结果	30mg/kg	0.04mg/kg	5mg/kg

2.2 拌合水

采用现场官网水，符合混凝土用水标准，有害物质检测情况如下：

项目	S2-	NO3-
指标	100mg/L	500mg/L
结果	0.005mg/L	5mg/L

2.3 外加剂

采用科之杰的Point-400高效减水剂和Point-H2缓凝剂。

3. 浆体性能要求

根据以往工程实践经验，浆体最主要的性能为流动性、泌水率、缓凝性主要性能参数如下：

缓凝浆	流动度			泌水率		凝结时间
	即时	6h	10h	3h	24h	20℃初凝	5℃终凝
	9~13s	≤14s	＜25s	≤2%	全吸收	＜50h	＜80h

4. 浆体配合比设计

4.1 缓凝浆设计

4.1.1水灰比的确定

为研究单一变量水灰比与缓凝浆性能的关系，不考虑其他因素对浆体性能的影响，初步固定其他变量如下：

环境 温度	原材料 温度	试验室 搅拌工艺	搅拌器	水泥 加入量	减水剂 掺量	缓凝剂 掺量	浆体 温度
20±2℃	冷却 至室温	二次搅拌工艺 一次搅拌4min 静置0.5h 二次搅拌3min	手持式 1200r/min	10kg	2.0%	0.3%	20±2℃

表1

试验得到结果如下：

水灰比	即时流动度(s)	泌水率
		3h	24h
0.29	12.92	0%	全吸收
0.31	12.30	0%	全吸收
0.33	11.98	0%	微量残留
0.35	10.78	0.6%	少量残留

可知：①随着水灰比增大，浆体流动度秒数明显减小。②考虑泌水率指标，在满足流动性要求的前提下，确定水灰比为0.31。

4.1.2 缓凝剂掺量的确定

在水灰比为0.31时，研究缓凝剂掺量与浆体性能的关系，结果如下：

缓凝剂掺量%	流动度(s)			泌水率		20℃初凝时间
	即时	6h	10h	3h	24h
0.1	12.89	21.34	39.38	0%	全吸收	11h：17min
0.2	12.69	17.41	28.35	0%	全吸收	22h：55min
0.3	12.30	16.02	22.19	0%	全吸收	34h：32min
0.4	12.25	14.47	16.68	0.6%	全吸收	41h：12min
0.5	11.80	13.51	14.13	0.6%	全吸收	49h：35min

可知：①缓凝剂掺量对浆体即时流动性影响较小，但对后期流动性影响较大。②缓凝剂掺量对浆体泌水率有一定影响，从泌水率出发，选取缓凝剂掺量范围为0.1%~0.3%。③缓凝剂掺量对浆体凝结时间有显著影响。从凝结时间应选取缓凝剂掺量范围为0.2%~0.5%。综上，建议缓凝剂掺量选取范围为0.2%~0.3%。

4.1.3 减水剂掺量的确定

在水灰比为0.31时，研究减水剂掺量与浆体性能的关系，结果如下：：

减水剂掺量%	流动度(s)			泌水率		20℃初凝时间
	即时	6h	10h	3h	24h
2.0	12.30	16.02	22.19	0%	全吸收	34h：32min
2.1	12.17	14.76	20.53	0%	全吸收	34h：52min
2.2	11.50	13.59	18.51	0%	全吸收	35h：41min
2.3	11.16	12.96	16.07	0%	全吸收	36h：38min
2.4	10.67	12.54	14.56	0%	全吸收	37h：45min
2.5	10.09	12.09	13.94	0.6%	微量残留	39h：08min
2.6	9.52	11.98	13.68	1.2%	少量残留	41h：07min

可知：①减水剂掺量对浆体流动度存在显著影响，但均满足要求。②减水剂掺量对泌水率存在较大影响。随着减水剂掺量的提高，浆体泌水率逐渐增加。③减水剂掺量对浆体凝结时间也存在一定影响，但影响程度不如缓凝剂显著。综上，建议减水剂掺量选取范围为2.0%~2.4%。

4.1.4 减水剂、缓凝剂最优掺量的确定

确定水灰比、缓凝剂和外加剂参量，经验证，试验结果如下：

序号	减水剂 掺量%	缓凝剂 掺量%	流动度(s)			泌水率		20℃初凝时间
			即时	6h	10h	3h	24h
1	2.2	0.27	11.79	13.22	14.56	0%	全吸收	33h：17min
2	2.3	0.25	11.17	13.84	15.58	0%	全吸收	30h：23min
3	2.4	0.23	10.47	12.97	15.16	0%	全吸收	28h：04min

经过不同批次水泥的大量试验，配合比3的复现性优于1、2，最终确定减水剂最优掺量为2.4%，缓凝剂最优掺量为0.23%。

4.1.5 缓凝浆配合比

确定缓凝浆质量比为：

水灰比	水泥	减水剂	缓凝剂
0.31	1	0.024	0.0023

5.制浆工艺

5.1 制浆设备

采用中建机械有限公司的预应力搅拌设备，主要技术参数如下表：

5.2 搅拌时长的确定

经验证，上机二次搅拌装置(功率4×4kw，转速1490r/min)搅拌2min即可达到试验室二次搅拌3min的浆体效果。

一次搅拌时长分别设为2min、3min、4min，试验结果如下：

组别	水胶比	实际质量比kg	水泥下料时长 s	一次搅拌 时长min	二次搅拌时长min	出机温度 ℃	出机流动度s
a	0.31	696:216:16.65:1.61	229	2	2	19.8	12.12
		695:217:16.69:1.61	226			20.5	11.66
		694:215:16.99:1.61	212			21.2	10.53
b		694:219:16.64:1.61	210	3		20.2	10.61
		696:216:16.64:1.61	220			20.5	10.37
		695:215:16.78:1.61	212			20.5	10.63
c		694:215:16.64:1.61	230	4		21.4	10.48
		694:216:16.64:1.61	221			21.0	10.77
		693:217:16.65:1.61	229			22.0	10.29

试验结果表明：a组出机流动度普遍较差（未搅拌充分），且波动较大；b组、c组浆体出机流动度较稳定，且差距不大，基本一致。

确定缓凝浆搅拌时长为一次搅拌时长3min、二次搅拌时长2min。

5.3 验收试验

按照已确定的缓凝浆配合比和搅拌工艺进行验收试验，试验结果如下：

序号	水灰比	实际质量比kg （水：水泥：减水剂：缓凝剂）
1	0.31	215.5	695.3	16.64	1.61
2		217.1	693.1	16.67	1.61
3		216.7	694.1	16.64	1.61

序号	出机温度℃	流动度s			20℃初凝	5℃终凝	泌水率
		即时	6h	10h			3h	24h
1	21.9	10.48	13.02	18.97	21h:02min	51h:22min	0	全吸收
2	20.3	10.58	13.12	19.25	21h:06min	51h:28min	0	全吸收
3	19.9	10.74	13.26	19.44	21h:11min	51h:13min	0	全吸收

6.总结与分析

①预应力浆体性能的影响因素较多，环境温度、原材料温度、搅拌工艺和时长的变化，都会导致浆体流动性能、凝结时间等发生较大波动，试验时应严格控制影响因素，研究出单一变量与浆体性能变化之间的关系。

②泌水率和流动性是预应力浆体的两个重要性能，但试验过程中会发现这两个性能是矛盾的：追求最佳流动性势必会造成泌水率的提高，而追求最低泌水率则必然会损失浆体的流动性能。两者之间的平衡是配合比设计的关键。

③减水剂和缓凝剂均能改善缓凝浆的流动性，根据流动性限定减水剂的掺量范围时，应充分考虑到缓凝剂对流动性的影响。

④水灰比和减水剂掺量均能影响缓凝浆泌水率，但相比之下，减水剂的影响更大。可以适当提高水灰比、降低减水剂掺量，从而在保证流动性的前提下，降低浆体泌水率。

⑤缓凝浆上机试验流动度损失较试验室快，凝结时间同样有所缩短，造成这一现象的原因主要在于原材料计量偏差控制。工程应用上通常采取计量负偏差，误差较大时还能通过补充投料保证质量。而外加剂的微量减少会造成浆体后期流动性损失略快，前期试验可考虑该方面影响。

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