王浩， 楊亞彬， 王坤， 呂藝生， 尚鵬然,4， 李風(fēng)蘭,4

(1.河南省富臣管業(yè)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453400； 2.華北水利水電大學(xué) 黃河流域水資源高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450046； 3.華北水利水電大學(xué) 土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045； 4.華北水利水電大學(xué) 河南省生態(tài)建材工程國際聯(lián)合實驗室，河南 鄭州 450045)

預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管(Prestressted Concrete Cylinder Pipe,PCCP)的保護層砂漿，通過高速旋轉(zhuǎn)的輥射輪輥射至管芯預(yù)應(yīng)力鋼絲之間及外側(cè)成型，砂漿中水泥提供的高堿環(huán)境會在預(yù)應(yīng)力鋼絲外表面形成一層鈍化膜。這層鈍化膜能夠有效保護預(yù)應(yīng)力鋼絲，延緩或阻止鋼絲在外界侵蝕環(huán)境下發(fā)生腐蝕，并通過其與鋼絲間的黏結(jié)力防止鋼絲斷裂后PCCP立即失效而發(fā)生爆管的事故[1-4]。因此，保護層砂漿的質(zhì)量對PCCP的使用和安全尤為重要。

研究表明[5]，輥射機參數(shù)(如輪旋轉(zhuǎn)速度、管芯旋轉(zhuǎn)和移動速度、輸料速度等)不同，保護層砂漿性能會出現(xiàn)較大差異。同時，由于輥射的砂漿呈干硬性狀態(tài)，其配合比設(shè)計不能直接采用建筑砂漿的設(shè)計方法。規(guī)范GB/T 19685—2017[6]對于輥射砂漿配合比設(shè)計的規(guī)定中僅限制了最大的砂灰比。實際工程采用的砂漿配合比以試配和經(jīng)驗數(shù)據(jù)為主，缺少系統(tǒng)的研究成果。在砂漿生產(chǎn)過程中，砂漿的含水率會因氣候環(huán)境的影響而出現(xiàn)變化，最終影響輥射砂漿的成型質(zhì)量[7]。

為此，本文基于系列試驗，分析了輥射系統(tǒng)參數(shù)、砂灰比、新拌砂漿含水率等因素對砂漿保護層的厚度、抗壓強度和吸水率的影響規(guī)律。該分析研究成果可為PCCP生產(chǎn)過程中保護層砂漿的質(zhì)量控制提供依據(jù)。

1 原材料與配合比

本試驗采用的水泥為P·O 52.5，其具體物理指標(biāo)見表1。

表1 水泥物理指標(biāo)

水泥膠砂試件的3、7 d抗壓強度分別為31.7、56.3 MPa，抗折強度分別為5.5、8.3 MPa。

根據(jù)規(guī)范GB/T 19685—2017[6]的要求，保護層砂漿中的砂宜選用細(xì)度模數(shù)為1.6～2.2、含泥量不大于1%的天然細(xì)砂。本試驗用砂的細(xì)度模數(shù)為2.1，含泥量為0.9%，表觀密度為2 540 kg/m3，堆積密度為1 410 kg/m3。

砂漿配合比依據(jù)規(guī)范GB/T 19685—2017并結(jié)合工程經(jīng)驗進行設(shè)計及試配[6-8]。配合比設(shè)計見表2，其中，砂灰比為砂與水泥的質(zhì)量之比，水灰比為水與水泥的質(zhì)量之比。

表2 輥射砂漿配合比

2 試驗方法

2.1 砂漿輥射

PCCP保護層砂漿使用立式砂漿輥射機輥射成型的過程為：混凝土管體固定于回轉(zhuǎn)平臺后轉(zhuǎn)動，砂漿拌合料被輥射輪離心甩出至管體表面，隨著輥射小車的提升，砂漿由下而上鋪滿管體表面。本試驗中考慮到皮帶輸料、輥射小車提升和回轉(zhuǎn)平臺參數(shù)設(shè)計了6種工況。皮帶輸料和回轉(zhuǎn)平臺的參數(shù)值為操作面板上顯示的數(shù)值，輥射小車升降單動速度參數(shù)的基準(zhǔn)值為50 Hz，升降參數(shù)見表3。

皮帶輸料參數(shù)、回轉(zhuǎn)平臺參數(shù)和輥射小車升降速度系數(shù)這3個參數(shù)的共同作用將影響輥射系統(tǒng)整體運行的功率大小，進而影響整體輥射系統(tǒng)的運行速度。輥射輪嚙合狀態(tài)為兩輪外表面相切狀態(tài)，輥射距離設(shè)定為30 cm。砂漿各材料質(zhì)量之比為水泥∶砂∶水=1.0∶2.6∶0.3。

表3 輥射系統(tǒng)參數(shù)

除輥射系統(tǒng)參數(shù)外，由于輥射輪采用富有彈性的聚氨酯橡膠材料，砂漿被吸入輥射輪的瞬間受到一定的擠壓力，兩輥射輪嚙合的緊密程度會對砂漿輥射至管壁表面的擠壓力產(chǎn)生影響，進而影響輥射砂漿的性能。為了探究輥射輪狀態(tài)以及輥射距離對保護層砂漿性能的影響，兩輥射輪狀態(tài)設(shè)定為內(nèi)嵌、相切和相離3種工況(輥射輪內(nèi)嵌重合部分長度為8 mm，相離狀態(tài)齒輪外表面距離為10 mm)，輥射距離分別設(shè)定為30、40、50 cm，共有9種工況，具體見表4。

表4 輥射輪狀態(tài)及輥射距離

由于輥射工藝采用的是干硬性砂漿，砂漿輥射至管體表面會有部分砂漿受到反作用力而產(chǎn)生回彈，回彈掉落的砂漿與輥射整根管所需砂漿的質(zhì)量比稱為回彈率。整根管輥射完成后進行砂漿回彈率的測定，回彈料質(zhì)量不應(yīng)超過總用料的25%。

PCCP保護層砂漿的厚度(砂漿外表面到鋼絲外表面的距離)不得小于25 mm[6]，在剛輥射完畢的砂漿板中間位置自下而上等間距取3個點，采用鋼針插入砂漿層的方法測量保護層厚度(鋼針插入深度與鋼絲直徑7 mm的差值即為保護層厚度值)。

2.2 砂漿取樣

根據(jù)規(guī)范GB/T 15345—2017[9]規(guī)定，結(jié)合工程現(xiàn)場實際情況，設(shè)計制作了適合現(xiàn)場取樣檢測用的模板，取樣時需要用液壓設(shè)備將模板固定在管體表面，隨著管體的轉(zhuǎn)動和輥射的持續(xù)進行，砂漿就會鋪滿整個模板。模板及取樣砂漿分別如圖1(a)和圖1(b)所示。

圖1 模板及取樣砂漿

砂漿取樣結(jié)束后在自然條件下保持表面濕潤養(yǎng)護4 d，然后轉(zhuǎn)至標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護28 d。到期后，將砂漿試塊切割為邊長25 mm的立方體試塊，再進行砂漿的抗壓強度與吸水率試驗。

2.3 抗壓強度和吸水率試驗

砂漿試塊切割完成后，從中挑選出10個立方體試塊，用游標(biāo)卡尺測量其尺寸，計算出試塊實際的受壓面積，并進行抗壓強度試驗。取10個強度值中較大的6個的平均值作為抗壓強度值。吸水率試驗所用試塊規(guī)格與抗壓強度試驗的相同，采用沸煮法進行吸水率試驗[9]。每組測定3個試塊的吸水率值。根據(jù)規(guī)范GB/T 19685—2017[6]要求，砂漿試塊的28 d抗壓強度須不小于45 MPa，吸水率最大值不超過10%、平均值不超過9%。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 輥射參數(shù)的影響

不同輥射系統(tǒng)參數(shù)時的各工況試驗結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：CS4和CS6工況的砂漿試塊的強度和吸水率的最大值和平均值均滿足要求，抗壓強度分別高于規(guī)范GB/T 19685—2017要求值的2.2%和11.1%，其他工況的輥射砂漿試塊的抗壓強度均不達(dá)標(biāo)；CS5工況試塊的吸水率最大值滿足限值要求，但平均值大于規(guī)范中平均值的限值；抗壓強度和吸水率之間有一定的關(guān)系，抗壓強度高的試塊吸水率偏低；在CS1、CS2、CS3工況下，砂漿保護層的厚度分別比限值高了80%、44%、20%；在CS4、CS5工況下，砂漿保護層的厚度均低于限值要求；在CS6工況下，砂漿保護層的厚度符合限值要求。

圖2 不同輥射參數(shù)的試驗結(jié)果

輥射系統(tǒng)參數(shù)不同會影響系統(tǒng)整體的運行速度，回轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速參數(shù)與輥射小車升降速度系數(shù)較小時將導(dǎo)致砂漿流在同一位置的堆疊，使成型的砂漿層過厚，并且后續(xù)砂漿流對前面已經(jīng)敷設(shè)到管體表面的砂漿層進行二次沖擊，導(dǎo)致管體表面的砂漿層變得疏松，造成砂漿保護層的抗壓強度和吸水率不達(dá)標(biāo)?；剞D(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)速參數(shù)與輥射小車升降速度系數(shù)較大時，砂漿流對管體表面輥射不充分導(dǎo)致砂漿保護層厚度過薄，保護層厚度達(dá)不到要求。因此，需要合理設(shè)置輥射參數(shù)，在試驗中發(fā)現(xiàn)，CS6為最佳工況。

選取CS6工況的輥射系統(tǒng)參數(shù)進行輥射輪狀態(tài)和輥射距離試驗，結(jié)果如圖3所示。兩輥射輪為內(nèi)嵌或相切狀態(tài)，且輥射距離不超過40 cm時，砂漿28 d抗壓強度均超過45 MPa，對應(yīng)的吸水率最大值與平均值均符合要求；砂漿的回彈率雖偏高，但未超過25%?？傮w而言，輥射距離越大、輥射輪外緣相距越遠(yuǎn)，砂漿保護層的抗壓強度越低，吸水率越高。

圖3 不同輥射輪狀態(tài)和距離的試驗結(jié)果

分析其原因，兩輥射輪咬合緊密程度決定了砂漿離心甩出瞬間獲取動能的大小。相同條件下，兩輪嚙合越緊密，兩輪之間儲存的勢能越大，勢能轉(zhuǎn)化成的動能越大[10]，砂漿離心的瞬時速度越大，輥射到管體表面形成的砂漿層越密實，砂漿保護層的抗壓強度越高，吸水率越低，產(chǎn)生的回彈料越多。此外，輥射距離也會影響砂漿的致密性。距離越遠(yuǎn)，砂漿流在空氣中的累計動能損失越大，使砂漿入射速度減小，致密程度降低。

綜合考慮抗壓強度和吸水率以及回彈率指標(biāo)，選擇XQ40工況(兩輪外緣相切、輥射距離為40 cm)進行砂漿配合比試驗。這樣既能保證管體表面砂漿保護層質(zhì)量，又能減少材料的回彈量，減少浪費。

3.2 砂灰比的影響

將輥射系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置為CS6工況，輥射輪調(diào)整至相切的狀態(tài)，輥射距離固定為40 cm，進行砂灰比變化對PCCP保護層砂漿性能影響的相關(guān)試驗。

3.2.1 外觀質(zhì)量

PCCP保護層砂漿除了要滿足強度和吸水率的要求，還應(yīng)滿足外觀質(zhì)量要求。目前大多以觀察法判斷砂漿層是否平整，本文從砂漿配合比的角度分析其對管體外觀質(zhì)量的影響。不同配合比、實測含水率及管體外觀質(zhì)量的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：砂灰比大于2.4，且新拌砂漿含水率(水質(zhì)量與干料質(zhì)量的比值)低于8.2%時，管體外觀平整規(guī)則；砂灰比過低，新拌砂漿含水率偏高，管體外觀會出現(xiàn)圈狀凹凸不平整現(xiàn)象。

圖4 新拌砂漿含水率、砂灰比與外觀質(zhì)量的關(guān)系

砂灰比、新拌砂漿含水率對保護層砂漿外觀質(zhì)量的影響機理需結(jié)合輥射工藝進行分析。砂漿的黏聚狀態(tài)影響輥射輪輸出砂漿流的連續(xù)穩(wěn)定性，砂漿的砂灰比高、攪拌形成的砂漿相對干硬，進入輥射輪嚙合區(qū)不會堵塞和黏附在出料口的位置，有利于砂漿均勻穩(wěn)定輸出；反之，會造成輥射輪在單位時間內(nèi)出料量不同，導(dǎo)致砂漿在管體表面形成凹凸形狀。拌合料的黏聚狀態(tài)也會影響砂漿瞬時敷設(shè)至管體表面的形態(tài)，砂子在拌合料中起到骨架支撐的作用，砂灰比低的砂漿較為黏滯，在輥射力強大的沖擊作用下，砂漿在管體表面會出現(xiàn)較大的蠕動變形，形成的表面存在不同程度的凹凸形狀。

3.2.2 砂漿試塊的抗壓強度和吸水率

砂漿的抗壓強度和吸水率隨齡期變化的情況如圖5所示。

圖5 不同砂灰比砂漿的抗壓強度和吸水率隨齡期的變化情況

分析圖5可得到如下結(jié)論：1)砂漿強度隨齡期呈增加的趨勢，其中砂灰比相對低的砂漿(PHB1、PHB2、PHB3工況)在各個齡期的抗壓強度值偏高，齡期14 d時砂漿的抗壓強度達(dá)到要求值，除了PHB6工況，其余工況砂漿在齡期28 d時的抗壓強度均滿足要求。

2)吸水率變化曲線隨齡期的增加有逐漸下降的趨勢，28 d齡期時PHB1與PHB2工況的砂漿吸水率的最大值和平均值均超過了規(guī)范要求的限值，PHB3—PHB6工況砂漿的吸水率符合規(guī)范要求[6]。砂灰比過低會導(dǎo)致砂漿抗壓強度達(dá)標(biāo)而吸水率不達(dá)標(biāo)。這是由于較大的水泥用量容易引起砂漿產(chǎn)生較大的收縮，導(dǎo)致砂漿基體內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)微裂縫[8,10-11]，進而導(dǎo)致砂漿的吸水率偏高；砂灰比增大至2.4(PHB3工況)時，砂漿的吸水率顯著降低，砂灰比進一步增大至2.5，砂漿的吸水率均降低至規(guī)范要求。因此，砂灰比在一定范圍增大有利于降低砂漿的吸水率，砂灰比超出該范圍后繼續(xù)增加則會提高砂漿的吸水率。

3.3 新拌砂漿含水率的影響

PCCP保護層砂漿屬于干硬性砂漿，含水量偏低。在氣溫較高的環(huán)境中，水分蒸發(fā)較快，砂漿的含水率會產(chǎn)生較大的變化。為此，選擇PHB3工況下砂漿的配合比，在攪拌倉實測出4種新拌砂漿的含水率，分別為5.8%、6.6%、7.8%和8.3%，在齡期為7、14、28 d測試各砂漿試塊的抗壓強度和吸水率。圖6為不同含水率砂漿試塊的切面情況。由圖6知：含水率分別為5.8%和6.6%時，砂漿試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔；含水率為7.8%時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已經(jīng)較為密實，但是存在一些可見的細(xì)小孔洞；含水率為8.3%時，砂漿試塊切面幾乎看不到孔洞，砂漿的內(nèi)部結(jié)構(gòu)密實。

圖6 不同含水率新拌砂漿試塊切面

新拌砂漿含水率對砂漿試塊的抗壓強度和吸水率的影響試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 新拌砂漿含水率對砂漿強度和吸水率的影響

由圖7可知：砂漿試塊的抗壓強度隨含水率的增大而提高；含水率分別為5.8%和6.6%的砂漿試塊的抗壓強度隨齡期的增大均有一定幅度的提高，但28 d齡期時試塊的抗壓強度未達(dá)到45 MPa；新拌砂漿含水率為7.8%時，28 d齡期時試塊的抗壓強度高于規(guī)范中限值的4.4%；含水率為8.3%時砂漿試塊的抗壓強度進一步提高，28 d齡期時的抗壓強度高于規(guī)范中限值的13.3%。砂漿試塊的吸水率最大值與平均值變化曲線隨齡期的增加呈下降的趨勢，且隨含水率的增加而降低；含水率分別為5.8%和6.6%的砂漿試塊的吸水率最大值與平均值在不同齡期均不滿足規(guī)范要求；含水率為7.8%的砂漿試塊28 d齡期時的吸水率最大值低于規(guī)范中限值的10.0%，吸水率平均值低于規(guī)范中限值的9.0%，符合規(guī)范要求；含水率為8.3%的砂漿試塊28 d齡期時的吸水率最大值和平均值低于規(guī)范中限值的7.8%，滿足要求。

分析原因，新拌砂漿含水率過低會導(dǎo)致砂漿中水泥漿體少，不能完全包裹住砂子，砂漿整體的黏聚性差，輥射到管體表面時造成試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松多孔，且由于含水率低，水泥水化作用不充分，產(chǎn)生的各種水化產(chǎn)物不能完全填充砂粒之間的空隙，導(dǎo)致試塊的抗壓強度增長緩慢，吸水率一直偏高。隨著新拌砂漿含水率的提高，其黏聚性變好，成型后的砂漿試塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)會更加致密，水泥的水化作用更加充分，砂漿試塊的抗壓強度更高、吸水率更低。因此，雖然砂漿配合比相同，但環(huán)境條件不同，也會引起砂漿含水率變化，在施工過程中應(yīng)引起重視。

4 結(jié)論

1) 輥射系統(tǒng)參數(shù)對砂漿質(zhì)量影響較大，輥射系統(tǒng)整體運行速度以中高速為宜，在此運行速度下砂漿的抗壓強度、吸水率和保護層厚度均符合規(guī)范要求；同時也得到了合適的輥射輪狀態(tài)和輥射距離，這些可為實際生產(chǎn)提供參考。

2) 砂灰比低的砂漿試塊的抗壓強度高，吸水率也偏高，且輥射成型后試塊的外觀不平整，因此不能片面追求高的水泥摻量，本研究中砂灰比控制為2.4～2.6比較合適。

3) 新拌砂漿含水率會影響砂漿試塊的密實度、抗壓強度和吸水率，隨著含水率的增加，試塊的抗壓強度逐漸增大，吸水率逐漸降低，含水率分別為7.8%和8.3%的砂漿試塊28 d時的抗壓強度和吸水率均滿足規(guī)范要求。